串聯電容補償（簡稱串補）系統可提高超高壓輸電線路的輸電能力和系統穩定性，降低高壓線路輸電損耗。串補系統中測量系統將高壓平臺上的線路電流、電容器電流、電容器不平衡電流、金屬氧化物非線性電阻（metal oxygen varistor, MOV）電流、間隙電流、平臺的泄漏電流等狀態參量傳遞到控制室，由控制室內控制保護裝置實現對交流輸電線路串補系統的控制和保護。

串補系統高壓平臺上的各電流互感器（TA）分布比較分散，TA布置了比較長的二次側電纜。高壓平臺上復雜的電磁環境對測量系統的抗干擾性能要求較高，且高壓平臺上維護設備不方便，因此迫切要求高壓平臺上的設備具有高運行可靠性。國內早期的串補工程設備一般由西門子、GE、ABB等公司制造，目前對設備國產化改造有較大需求，即在平臺主體架構不變的情況下按照檢修更換周期分階段進行設備更換。

本文分析串補平臺測量系統的需求和應用特點，設計一種基于復雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）的集中式互感器測量系統，通過試驗驗證其可靠性。該系統已在實際串補工程中得到應用。

1 串補高壓平臺測量系統的需求

串補平臺的測量系統位于高電位端，布置了較多的電容元件，相對750kV母線對地電容較大，在非等電位拉合開關時，產生的電弧強度遠比普通非等電位拉合開關產生的電弧大。在工程現場，由于非等電位拉合開關的出現，導致串補保護裝置多次誤動、退出，嚴重影響了串補系統運行穩定性。

串補平臺面積大、測點多，測量電子板卡的分布給測量系統的可靠運行帶來困難，750kV串補測量設備對抗干擾性能提出更高要求。在滿足GB/T 17626標準要求的基礎上，測量系統需要通過試驗電流峰值達150kAp，其波頭上升時間為8μs，波尾下降時間為20μs的高幅值、高頻電流情況下的性能驗證。

1.1 高壓平臺測量系統的干擾分析

串補系統的一次設備及測量TA位于高壓絕緣平臺上，平臺與地面有絕緣柱支撐，平臺上設備緊湊，串補平臺的布置如圖1所示。圖1中，IN、Iline、Icap、Ip1、Imov1、Imov2、Igap、Iunb是測量TA，測量TA的二次輸出模擬信號通過電纜在二次端子盒匯集起來，模擬信號由平臺上的光電轉換單元轉化為數字信號，再通過光纖傳送到保護小室。

圖1 串補平臺布置

串補平臺上電磁環境復雜，在串補系統投入時刻，一次操作引起高壓電弧干擾，串補系統投退時隔離開關也會拉弧，當發生故障時電容器通過火花間隙放電，都會干擾TA測量系統，主要影響二次回路上的信號。通過TA二次電纜的屏蔽設計可以減小二次回路干擾強度，還要通過防護措施避免測量系統二次側電子設備被燒毀。

1.2 TA測量系統的性能要求

串補平臺上的TA測量系統位于高電位端，與地面不可電氣連接，因此通過光纖傳輸由模擬量轉換成的數字信號，而測量系統無法直接由電纜從地面傳輸工作電能，因而測量系統要求功耗低。

串補測量系統發生故障會引起保護閉鎖，需要停運進行檢修，對串補可用率要求較高的電網線路，需要可靠性高的串補測量系統。

由于無法從地面直接經電纜傳輸工作電能，測量系統的工作電源需要采用線路電流取能、激光供能兩種冗余方式，避免串補平臺因失去工作電源導致測量系統不工作，使串補系統被動停運檢修。

2 一種集中式TA測量系統的設計方案

針對串補系統中測量系統的需求，設計一種集中式TA測量系統，電源采用線路電流取能和激光供能混合冗余方式，測量單元采用基于CPLD的低功耗信號處理模塊，TA二次輸出信號經過光電轉換變為數字信號FT3編碼，通過光纖發送給保護控制室的激光供能合并單元。

2.1 基本結構

集中式TA測量系統的架構如圖2所示。

圖2 集中式TA測量系統架構

平臺測量單元、光纖絕緣子和激光供能合并單元，共同組成了集中式TA測量系統。

在平臺測量單元中，TA二次模擬量信號由運放電路調理到設計幅值范圍后，被信號處理和光電轉換模塊處理；通過光纖將基于低功耗CPLD設計的信號處理和光電轉換模塊轉換成FT3格式的模擬量數據傳輸到保護小室。

保證串補平臺和大地的絕緣，光能源及數字信號通過硅橡膠復合絕緣子內多根多模光纖，將地面控制小室的激光傳輸到高壓平臺，測量數據傳輸到保護小室。通過鎧裝光纜把TA測量系統的地面部分與保護小室的合并單元相連。

保護小室內的合并單元向高壓平臺發送激光能量，并接收來自高壓平臺的測量數據，對這些數據進行校核和插值整理，將整理后的數據按設定的數據格式傳送給控制和保護裝置。

2.2 高壓平臺測量單元設計

串補系統每相高壓平臺均有兩套完全獨立的數據采集單元，擁有各自獨立的光通路、測量和取能TA的二次繞組及TA取能電源，能夠準確測量串補裝置的動態電流值。

高壓平臺測量單元原理如圖3所示，測量單元的電源由線路電流取能和激光供能同時提供，每種電源單獨供電均可滿足平臺測量單元的正常工作需要。

圖3 高壓平臺測量單元原理

測量單元可以同時對高壓平臺上的多路電氣量進行測量，每路信號雙重化采樣，通過運算放大器調理后進入模數轉化器（analog digital converter, ADC），CPLD按照設定周期獲得測量數據。

每個測量單元具備電源切換、電源監視、功率監視及采樣異常監視等功能，把測量單元的狀態和測量結果通過兩路光纖發送到平臺下的串補就地控制室。

高壓平臺處于戶外，外接一次線路，各種一次設備多，電磁環境惡劣，要求平臺設備具備較高的抗電磁干擾能力。TA二次模擬輸出信號到平臺測量采集模塊的傳輸電纜使用雙絞屏蔽線，與平臺金屬框架多點連接，外層用金屬波紋管進行電磁屏蔽隔離；各TA二次模擬輸出信號匯聚的集中采集箱采用接地、隔離、濾波等方法，提高抗電磁干擾能力。

2.3 信號處理和光電轉換模塊設計

信號處理和光電轉換模塊是集中式TA測量系統的核心部件，原理如圖4所示。信號處理和光電轉換模塊接收并處理平臺TA采集調理后的小信號，輸出為串行數字光信號，工作電源由位于控制室的激光供電合并單元內的激光器及高壓平臺線路TA取能提供。

測量單元運行可靠性高、壽命長，選用寬溫高品質物料。采用低功耗技術來設計的信號調理及光電轉換功能模塊，在-50℃～+70℃溫度范圍內，實測功耗不到100mW，在線路TA取能異常情況下，通過激光供能可穩定運行。每個TA的模擬量由兩個冗余模數轉換獨立回路采樣，進行采樣數值比對，再通過板卡的采樣監視、電源監視、數據監視功能實現采集模塊工作狀態的硬件自檢，通信報文包含故障標志信息和數據狀態信息，合并單元接收后進行邏輯處理，避免保護誤動。

信號處理和光電轉換模塊低功耗CPLD發出固定頻率方波信號控制鋸齒波發生電路，產生固定頻率的鋸齒波作為參考。電流測量、溫度測量等監視信號的輸出都為直流電壓，通過與鋸齒波進行比較產生方波信號，CPLD監視狀態采集接口通過統計方波信號的占空比即可測出相應的電流和溫度等監視信號值。激光供電合并單元通過監視這些狀態信息來控制和調節激光功率的強度，保證信號處理和光電轉換供電正常。

圖4 信號處理和光電轉換模塊原理

ADC采樣控制接口的速率為40KB/s，在每次ADC轉換完成后啟動一次數據發送，數據的發送速率為10Mbit/s。光電轉換模塊發送數據幀格式見表1。

表1 光電轉換模塊發送數據幀格式

2.4 測量系統電源設計

高壓平臺上的測量單元需要穩定、可靠、連續的電源，確保在高壓線路正常運行時測量單元能夠穩定工作，且在線路啟動、線路故障、檢修時數據采集部分仍能正常工作。高壓平臺電源必須具備很強的抗電磁干擾能力，能夠適應復雜惡劣的運行環境，還必須具有自我監測能力。

集中式TA測量系統平臺電源為激光供能電源和線路TA取能電源并聯所構成的混合電源，其基本的工作狀態為：系統啟動時測量系統電源由激光供能電源提供；當線路電流達到TA取能電源的啟動值時由TA取能電源提供，激光供能電源退出，處于待機狀態；當故障、檢修、停運或線路電流低于TA取能電源的啟動值時，激光供能電源重新投入。

激光供能電源和線路TA取能電源具有很好的互補性，兼有激光供能電源供電連續可靠和TA取能電源壽命長的優點，確保了平臺供電的供電質量及供電可靠性。

線路TA取能電源要適應線路電流變化范圍大的情況，一方面線路TA取能電源的啟動電流要滿足線路最小電流條件，另一方面線路TA取能電源在線路電流很大情況下，不能因取能繞組感應電動勢大而導致整流和穩壓電路部分故障。根據該要求，線路取能TA選用合適的鐵基納米晶材料、合理的尺寸和繞線匝數，來設計取能、控制繞組和電源功率電路。

線路TA取能電源實測數據見表2，啟動電流為18A，鐵心的電流飽和區間在電流8 000A后，因為有控制繞組投入進行反向勵磁控制，二次側不會感應出高電壓，平臺線路TA取能電源在18～10 000A都可正常輸出3.69V工作電源。

表2 線路TA取能電源實測數據

2.5 激光供能合并單元設計

激光供能合并單元采用平臺架構設計，配置專用激光功能板卡，通過光纖向高壓平臺輸出激光能量，配置信號處理功能板卡接收測量單元的光纖數據，并進行校驗、處理，通過光纖等接口，按照通信協議，傳送給包含保護裝置在內的二次裝置使用。

激光供能板卡通過解析測量單元報文的硬件自檢信息，動態調節激光能量，同時根據測量單元通信報文包含的故障標志信息和數據狀態信息，使保護裝置在內的二次裝置可實時正確判別和動作。

3 工程應用情況

750kV串補成套裝置能夠縮短電氣距離，起到提高輸電能力、提高系統暫態穩定性等作用。

加拿大能源分布特點要求進行長距離輸電，僅在魁北克水電局，已經投運近40套735kV串補裝置，且大部分735kV串補裝置投運于20世紀90年代。魁北克水電局735kV串補控制保護設備亟需改造，并規劃有新的735kV串補成套裝置接入系統。

在加拿大魁北克水電局實施的735kV串補改造工程中，戶外安裝的測量裝置、間隙觸發回路和光纖絕緣子，按照經受-50℃的嚴寒環境設計。

工程現場在750kV光纖信號柱設計中，采用雙層灌膠工藝和覆蓋熱塑性彈性體材料的光纖材質的整體設計方案；冗余的閉環控制全激光供能技術，為串補平臺上的間隙觸發設備、TA測量設備提供穩定可靠的電源；采用基于低功率繞組的電子式電流互感器（low power current transformer, LPCT），測量信號由光纖傳輸，響應快、抗干擾性能好。

4 結論

本文首先分析了串補系統高壓平臺測量系統的需求，然后介紹了所設計的一種集中式電流互感器測量系統，采用基于低功耗CPLD的信號處理和光電轉換模塊及可靠的冗余電源設計，實現串補平臺測量系統可靠運行。所研制的集中電子式電流互感器測量系統經過功能試驗、電磁兼容試驗后，已在實際工程中應用。

本文編自2022年第5期《電氣技術》，論文標題為“750kV串聯電容補償系統集中電子式互感器測量系統設計”，作者為朱長銀、常遠 等。