750kV串联电容补偿系统集中电子式互感器测量系统的设计筹划

串联电容补偿（简称串补）系统可提高超高压输电线路的输电能力和系统稳定性，降落高压线路输电损耗。
串补系统中丈量系统将高压平台上的线路电流、电容器电流、电容器不平衡电流、金属氧化物非线性电阻（metal oxygen varistor, MOV）电流、间隙电流、平台的泄露电流等状态参量通报到掌握室，由掌握室内掌握保护装置实现对互换输电线路串补系统的掌握和保护。

串补系统高压平台上的各电流互感器（TA）分布比较分散，TA支配了比较长的二次侧电缆。
高压平台上繁芜的电磁环境对丈量系统的抗滋扰性能哀求较高，且高压平台上掩护设备未便利，因此急迫哀求高压平台上的设备具有高运行可靠性。
海内早期的串补工程设备一样平常由西门子、GE、ABB等公司制造，目前对设备国产化改造有较大需求，即在平台主体架构不变的情形下按照检改动换周期分阶段进行设备改换。

本文剖析串补平台丈量系统的需求和运用特点，设计一种基于繁芜可编程逻辑器件（complex programmable logic device, CPLD）的集中式互感器丈量系统，通过试验验证其可靠性。
该系统已在实际串补工程中得到运用。

串补平台的丈量系统位于高电位端，支配了较多的电容元件，相对750kV母线对地电容较大，在非等电位拉合开关时，产生的电弧强度远比普通非等电位拉合开关产生的电弧大。
在工程现场，由于非等电位拉合开关的涌现，导致串补保护装置多次误动、退出，严重影响了串补系统运行稳定性。

串补平台面历年夜、测点多，丈量电子板卡的分布给丈量系统的可靠运行带来困难，750kV串补丈量设备对抗滋扰性能提出更高哀求。
在知足GB/T 17626标准哀求的根本上，丈量系统须要通过试验电流峰值达150kAp，其波头上升韶光为8s，波尾低落韶光为20s的高幅值、高频电流情形下的性能验证。

1.1 高压平台丈量系统的滋扰剖析

串补系统的一次设备及丈量TA位于高压绝缘平台上，平台与地面有绝缘柱支撑，平台上设备紧凑，串补平台的支配如图1所示。
图1中，IN、Iline、Icap、Ip1、Imov1、Imov2、Igap、Iunb是丈量TA，丈量TA的二次输出仿照旗子暗记通过电缆在二次端子盒搜集起来，仿照旗子暗记由平台上的光电转换单元转化为数字旗子暗记，再通过光纤传送到保护小室。

图1 串补平台支配

串补平台上电磁环境繁芜，在串补系统投入时候，一次操作引起高压电弧滋扰，串补系统投退时隔离开关也会拉弧，当发生故障时电容器通过火花间隙放电，都会滋扰TA丈量系统，紧张影响二次回路上的旗子暗记。
通过TA二次电缆的屏蔽设计可以减小二次回路滋扰强度，还要通过防护方法避免丈量系统二次侧电子设备被烧毁。

1.2 TA丈量系统的性能哀求

串补平台上的TA丈量系统位于高电位端，与地面不可电气连接，因此通过光纤传输由仿照量转换成的数字旗子暗记，而丈量系统无法直接由电缆从地面传输事情电能，因而丈量系统哀求功耗低。

串补丈量系统发生故障会引起保护闭锁，须要停运进行检修，对串补可用率哀求较高的电网线路，须要可靠性高的串补丈量系统。

由于无法从地面直接经电缆传输事情电能，丈量系统的事情电源须要采取线路电流取能、激光供能两种冗余办法，避免串补平台因失落去事情电源导致丈量系统不事情，使串补系统被动停运检修。

针对串补系统中丈量系统的需求，设计一种集中式TA丈量系统，电源采取线路电流取能和激光供能稠浊冗余办法，丈量单元采取基于CPLD的低功耗旗子暗记处理模块，TA二次输出旗子暗记经由光电转换变为数字旗子暗记FT3编码，通过光纤发送给保护掌握室的激光供能合并单元。

2.1 基本构造

集中式TA丈量系统的架构如图2所示。

图2 集中式TA丈量系统架构

平台丈量单元、光纤绝缘子和激光供能合并单元，共同组成了集中式TA丈量系统。

在平台丈量单元中，TA二次仿照量旗子暗记由运放电路调理到设计幅值范围后，被旗子暗记处理和光电转换模块处理；通过光纤将基于低功耗CPLD设计的旗子暗记处理和光电转换模块转换成FT3格式的仿照量数据传输到保护小室。

担保串补平台和大地的绝缘，光能源及数字旗子暗记通过硅橡胶复合绝缘子内多根多模光纤，将地面掌握小室的激光传输到高压平台，丈量数据传输到保护小室。
通过铠装光缆把TA丈量系统的地面部分与保护小室的合并单元相连。

保护小室内的合并单元向高压平台发送激光能量，并吸收来自高压平台的丈量数据，对这些数据进行校核和插值整理，将整理后的数据按设定的数据格式传送给掌握和保护装置。

2.2 高压平台丈量单元设计

串补系统每相高压平台均有两套完备独立的数据采集单元，拥有各自独立的光通路、丈量和取能TA的二次绕组及TA取能电源，能够准确丈量串补装置的动态电流值。

高压平台丈量单元事理如图3所示，丈量单元的电源由线路电流取能和激光供能同时供应，每种电源单独供电均可知足平台丈量单元的正常事情须要。

图3 高压平台丈量单元事理

丈量单元可以同时对高压平台上的多路电宇量进行丈量，每路旗子暗记双重化采样，通过运算放大器调理后进入模数转化器（analog digital converter, ADC），CPLD按照设定周期得到丈量数据。

每个丈量单元具备电源切换、电源监视、功率监视及采样非常监视等功能，把丈量单元的状态和丈量结果通过两路光纤发送到平台下的串补就地掌握室。

高压平台处于户外，外接一次线路，各种一次设备多，电磁环境恶劣，哀求平台设备具备较高的抗电磁滋扰能力。
TA二次仿照输出旗子暗记到平台丈量采集模块的传输电缆利用双绞屏蔽线，与平台金属框架多点连接，外层用金属波纹管进行电磁屏蔽隔离；各TA二次仿照输出旗子暗记汇聚的集中采集箱采取接地、隔离、滤波等方法，提高抗电磁滋扰能力。

2.3 旗子暗记处理和光电转换模块设计

旗子暗记处理和光电转换模块是集中式TA丈量系统的核心部件，事理如图4所示。
旗子暗记处理和光电转换模块吸收并处理平台TA采集调理后的小旗子暗记，输出为串行数字光旗子暗记，事情电源由位于掌握室的激光供电合并单元内的激光器及高压平台线路TA取能供应。

丈量单元运行可靠性高、寿命长，选用宽温高品质物料。
采取低功耗技能来设计的旗子暗记调理及光电转换功能模块，在-50℃～+70℃温度范围内，实测功耗不到100mW，在线路TA取能非常情形下，通过激光供能可稳定运行。
每个TA的仿照量由两个冗余模数转换独立回路采样，进行采样数值比对，再通过板卡的采样监视、电源监视、数据监视功能实现采集模块事情状态的硬件自检，通信报文包含故障标志信息和数据状态信息，合并单元吸收后进行逻辑处理，避免保护误动。

旗子暗记处理和光电转换模块低功耗CPLD发出固定频率方波旗子暗记掌握锯齿波发生电路，产生固定频率的锯齿波作为参考。
电流丈量、温度丈量等监视旗子暗记的输出都为直流电压，通过与锯齿波进行比较产生方波旗子暗记，CPLD监视状态采集接口通过统计方波旗子暗记的占空比即可测出相应的电流和温度等监视旗子暗记值。
激光供电合并单元通过监视这些状态信息来掌握和调节激光功率的强度，担保旗子暗记处理和光电转换供电正常。

图4 旗子暗记处理和光电转换模块事理

ADC采样掌握接口的速率为40KB/s，在每次ADC转换完成后启动一次数据发送，数据的发送速率为10Mbit/s。
光电转换模块发送数据帧格式见表1。

表1 光电转换模块发送数据帧格式

2.4 丈量系统电源设计

高压平台上的丈量单元须要稳定、可靠、连续的电源，确保在高压线路正常运行时丈量单元能够稳定事情，且在线路启动、线路故障、检修时数据采集部分仍能正常事情。
高压平台电源必须具备很强的抗电磁滋扰能力，能够适应繁芜恶劣的运行环境，还必须具有自我监测能力。

集中式TA丈量系统平台电源为激光供能电源和线路TA取能电源并联所构成的稠浊电源，其基本的事情状态为：系统启动时丈量系统电源由激光供能电源供应；当线路电流达到TA取能电源的启动值时由TA取能电源供应，激光供能电源退出，处于待机状态；当故障、检修、停运或线路电流低于TA取能电源的启动值时，激光供能电源重新投入。

激光供能电源和线路TA取能电源具有很好的互补性，兼有激光供能电源供电连续可靠和TA取能电源寿命长的优点，确保了平台供电的供电质量及供电可靠性。

线路TA取能电源要适应线路电流变革范围大的情形，一方面线路TA取能电源的启动电流要知足线路最小电流条件，另一方面线路TA取能电源在线路电流很大情形下，不能因取能绕组感应电动势大而导致整流和稳压电路部分故障。
根据该哀求，线路取能TA选用得当的铁基纳米晶材料、合理的尺寸和绕线匝数，来设计取能、掌握绕组和电源功率电路。

线路TA取能电源实测数据见表2，启动电流为18A，铁心的电流饱和区间在电流8 000A后，由于有掌握绕组投入进行反向励磁掌握，二次侧不会感应出高电压，平台线路TA取能电源在18～10 000A都可正常输出3.69V事情电源。

表2 线路TA取能电源实测数据

2.5 激光供能合并单元设计

激光供能合并单元采取平台架构设计，配置专用激光功能板卡，通过光纤向高压平台输出激光能量，配置旗子暗记处理功能板卡吸收丈量单元的光纤数据，并进行校验、处理，通过光纤等接口，按照通信协议，传送给包含保护装置在内的二次装置利用。

激光供能板卡通过解析丈量单元报文的硬件自检信息，动态调节激光能量，同时根据丈量单元通信报文包含的故障标志信息和数据状态信息，使保护装置在内的二次装置可实时精确判别和动作。

750kV串补成套装置能够缩短电气间隔，起到提高输电能力、提高系统暂态稳定性等浸染。

加拿大能源分布特点哀求进行长间隔输电，仅在魁北克水电局，已经投运近40套735kV串补装置，且大部分735kV串补装置投运于20世纪90年代。
魁北克水电局735kV串补掌握保护设备亟需改造，并方案有新的735kV串补成套装置接入系统。

在加拿大魁北克水电局履行的735kV串补改造工程中，户外安装的丈量装置、间隙触发回路和光纤绝缘子，按照经受-50℃的寒冷环境设计。

工程现场在750kV光纤旗子暗记柱设计中，采取双层灌胶工艺和覆盖热塑性弹性体材料的光纤材质的整体设计方案；冗余的闭环掌握全激光供能技能，为串补平台上的间隙触发设备、TA丈量设备供应稳定可靠的电源；采取基于低功率绕组的电子式电流互感器（low power current transformer, LPCT），丈量旗子暗记由光纤传输，相应快、抗滋扰性能好。

本文首先剖析了串补系统高压平台丈量系统的需求，然后先容了所设计的一种集中式电流互感器丈量系统，采取基于低功耗CPLD的旗子暗记处理和光电转换模块及可靠的冗余电源设计，实现串补平台丈量系统可靠运行。
所研制的集中电子式电流互感器丈量系统经由功能试验、电磁兼容试验后，已在实际工程中运用。

本文编自2022年第5期《电气技能》，论文标题为“750kV串联电容补偿系统集中电子式互感器丈量系统设计”，作者为朱长银、常远 等。