串聯(lián)電容補(bǔ)償（簡稱串補(bǔ)）系統(tǒng)可提高超高壓輸電線路的輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低高壓線路輸電損耗。串補(bǔ)系統(tǒng)中測量系統(tǒng)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(tài)參量傳遞到控制室，由控制室內(nèi)控制保護(hù)裝置實現(xiàn)對交流輸電線路串補(bǔ)系統(tǒng)的控制和保護(hù)。

串補(bǔ)系統(tǒng)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(cè)電纜。高壓平臺上復(fù)雜的電磁環(huán)境對測量系統(tǒng)的抗干擾性能要求較高，且高壓平臺上維護(hù)設(shè)備不方便，因此迫切要求高壓平臺上的設(shè)備具有高運行可靠性。國內(nèi)早期的串補(bǔ)工程設(shè)備一般由西門子、GE、ABB等公司制造，目前對設(shè)備國產(chǎn)化改造有較大需求，即在平臺主體架構(gòu)不變的情況下按照檢修更換周期分階段進(jìn)行設(shè)備更換。

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

1 串補(bǔ)高壓平臺測量系統(tǒng)的需求

串補(bǔ)平臺的測量系統(tǒng)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(guān)時，產(chǎn)生的電弧強(qiáng)度遠(yuǎn)比普通非等電位拉合開關(guān)產(chǎn)生的電弧大。在工程現(xiàn)場，由于非等電位拉合開關(guān)的出現(xiàn)，導(dǎo)致串補(bǔ)保護(hù)裝置多次誤動、退出，嚴(yán)重影響了串補(bǔ)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

串補(bǔ)平臺面積大、測點多，測量電子板卡的分布給測量系統(tǒng)的可靠運行帶來困難，750kV串補(bǔ)測量設(shè)備對抗干擾性能提出更高要求。在滿足GB/T 17626標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，測量系統(tǒng)需要通過試驗電流峰值達(dá)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(tǒng)的干擾分析

串補(bǔ)系統(tǒng)的一次設(shè)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(shè)備緊湊，串補(bǔ)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(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過光纖傳送到保護(hù)小室。

圖1 串補(bǔ)平臺布置

串補(bǔ)平臺上電磁環(huán)境復(fù)雜，在串補(bǔ)系統(tǒng)投入時刻，一次操作引起高壓電弧干擾，串補(bǔ)系統(tǒng)投退時隔離開關(guān)也會拉弧，當(dāng)發(fā)生故障時電容器通過火花間隙放電，都會干擾TA測量系統(tǒng)，主要影響二次回路上的信號。通過TA二次電纜的屏蔽設(shè)計可以減小二次回路干擾強(qiáng)度，還要通過防護(hù)措施避免測量系統(tǒng)二次側(cè)電子設(shè)備被燒毀。

1.2 TA測量系統(tǒng)的性能要求

串補(bǔ)平臺上的TA測量系統(tǒng)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(zhuǎn)換成的數(shù)字信號，而測量系統(tǒng)無法直接由電纜從地面?zhèn)鬏敼ぷ麟娔埽蚨鴾y量系統(tǒng)要求功耗低。

串補(bǔ)測量系統(tǒng)發(fā)生故障會引起保護(hù)閉鎖，需要停運進(jìn)行檢修，對串補(bǔ)可用率要求較高的電網(wǎng)線路，需要可靠性高的串補(bǔ)測量系統(tǒng)。

由于無法從地面直接經(jīng)電纜傳輸工作電能，測量系統(tǒng)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(bǔ)平臺因失去工作電源導(dǎo)致測量系統(tǒng)不工作，使串補(bǔ)系統(tǒng)被動停運檢修。

2 一種集中式TA測量系統(tǒng)的設(shè)計方案

針對串補(bǔ)系統(tǒng)中測量系統(tǒng)的需求，設(shè)計一種集中式TA測量系統(tǒng)，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(jīng)過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號FT3編碼，通過光纖發(fā)送給保護(hù)控制室的激光供能合并單元。

2.1 基本結(jié)構(gòu)

集中式TA測量系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 集中式TA測量系統(tǒng)架構(gòu)

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(tǒng)。

在平臺測量單元中，TA二次模擬量信號由運放電路調(diào)理到設(shè)計幅值范圍后，被信號處理和光電轉(zhuǎn)換模塊處理；通過光纖將基于低功耗CPLD設(shè)計的信號處理和光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成FT3格式的模擬量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)小室。

保證串補(bǔ)平臺和大地的絕緣，光能源及數(shù)字信號通過硅橡膠復(fù)合絕緣子內(nèi)多根多模光纖，將地面控制小室的激光傳輸?shù)礁邏浩脚_，測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)小室。通過鎧裝光纜把TA測量系統(tǒng)的地面部分與保護(hù)小室的合并單元相連。

保護(hù)小室內(nèi)的合并單元向高壓平臺發(fā)送激光能量，并接收來自高壓平臺的測量數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和插值整理，將整理后的數(shù)據(jù)按設(shè)定的數(shù)據(jù)格式傳送給控制和保護(hù)裝置。

2.2 高壓平臺測量單元設(shè)計

串補(bǔ)系統(tǒng)每相高壓平臺均有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)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(zhǔn)確測量串補(bǔ)裝置的動態(tài)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(jìn)行測量，每路信號雙重化采樣，通過運算放大器調(diào)理后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)化器（analog digital converter, ADC），CPLD按照設(shè)定周期獲得測量數(shù)據(jù)。

每個測量單元具備電源切換、電源監(jiān)視、功率監(jiān)視及采樣異常監(jiān)視等功能，把測量單元的狀態(tài)和測量結(jié)果通過兩路光纖發(fā)送到平臺下的串補(bǔ)就地控制室。

高壓平臺處于戶外，外接一次線路，各種一次設(shè)備多，電磁環(huán)境惡劣，要求平臺設(shè)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(jìn)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(zhuǎn)換模塊設(shè)計

信號處理和光電轉(zhuǎn)換模塊是集中式TA測量系統(tǒng)的核心部件，原理如圖4所示。信號處理和光電轉(zhuǎn)換模塊接收并處理平臺TA采集調(diào)理后的小信號，輸出為串行數(shù)字光信號，工作電源由位于控制室的激光供電合并單元內(nèi)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(zhì)物料。采用低功耗技術(shù)來設(shè)計的信號調(diào)理及光電轉(zhuǎn)換功能模塊，在-50℃～+70℃溫度范圍內(nèi)，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(wěn)定運行。每個TA的模擬量由兩個冗余模數(shù)轉(zhuǎn)換獨立回路采樣，進(jìn)行采樣數(shù)值比對，再通過板卡的采樣監(jiān)視、電源監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)視功能實現(xiàn)采集模塊工作狀態(tài)的硬件自檢，通信報文包含故障標(biāo)志信息和數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，合并單元接收后進(jìn)行邏輯處理，避免保護(hù)誤動。

信號處理和光電轉(zhuǎn)換模塊低功耗CPLD發(fā)出固定頻率方波信號控制鋸齒波發(fā)生電路，產(chǎn)生固定頻率的鋸齒波作為參考。電流測量、溫度測量等監(jiān)視信號的輸出都為直流電壓，通過與鋸齒波進(jìn)行比較產(chǎn)生方波信號，CPLD監(jiān)視狀態(tài)采集接口通過統(tǒng)計方波信號的占空比即可測出相應(yīng)的電流和溫度等監(jiān)視信號值。激光供電合并單元通過監(jiān)視這些狀態(tài)信息來控制和調(diào)節(jié)激光功率的強(qiáng)度，保證信號處理和光電轉(zhuǎn)換供電正常。

圖4 信號處理和光電轉(zhuǎn)換模塊原理

ADC采樣控制接口的速率為40KB/s，在每次ADC轉(zhuǎn)換完成后啟動一次數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)的發(fā)送速率為10Mbit/s。光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式見表1。

表1 光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

2.4 測量系統(tǒng)電源設(shè)計

高壓平臺上的測量單元需要穩(wěn)定、可靠、連續(xù)的電源，確保在高壓線路正常運行時測量單元能夠穩(wěn)定工作，且在線路啟動、線路故障、檢修時數(shù)據(jù)采集部分仍能正常工作。高壓平臺電源必須具備很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，能夠適應(yīng)復(fù)雜惡劣的運行環(huán)境，還必須具有自我監(jiān)測能力。

集中式TA測量系統(tǒng)平臺電源為激光供能電源和線路TA取能電源并聯(lián)所構(gòu)成的混合電源，其基本的工作狀態(tài)為：系統(tǒng)啟動時測量系統(tǒng)電源由激光供能電源提供；當(dāng)線路電流達(dá)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(jī)狀態(tài)；當(dāng)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(bǔ)性，兼有激光供能電源供電連續(xù)可靠和TA取能電源壽命長的優(yōu)點，確保了平臺供電的供電質(zhì)量及供電可靠性。

線路TA取能電源要適應(yīng)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(yīng)電動勢大而導(dǎo)致整流和穩(wěn)壓電路部分故障。根據(jù)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(shù)，來設(shè)計取能、控制繞組和電源功率電路。

線路TA取能電源實測數(shù)據(jù)見表2，啟動電流為18A，鐵心的電流飽和區(qū)間在電流8 000A后，因為有控制繞組投入進(jìn)行反向勵磁控制，二次側(cè)不會感應(yīng)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(shù)據(jù)

2.5 激光供能合并單元設(shè)計

激光供能合并單元采用平臺架構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)，并進(jìn)行校驗、處理，通過光纖等接口，按照通信協(xié)議，傳送給包含保護(hù)裝置在內(nèi)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(tài)調(diào)節(jié)激光能量，同時根據(jù)測量單元通信報文包含的故障標(biāo)志信息和數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，使保護(hù)裝置在內(nèi)的二次裝置可實時正確判別和動作。

3 工程應(yīng)用情況

750kV串補(bǔ)成套裝置能夠縮短電氣距離，起到提高輸電能力、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性等作用。

加拿大能源分布特點要求進(jìn)行長距離輸電，僅在魁北克水電局，已經(jīng)投運近40套735kV串補(bǔ)裝置，且大部分735kV串補(bǔ)裝置投運于20世紀(jì)90年代。魁北克水電局735kV串補(bǔ)控制保護(hù)設(shè)備亟需改造，并規(guī)劃有新的735kV串補(bǔ)成套裝置接入系統(tǒng)。

在加拿大魁北克水電局實施的735kV串補(bǔ)改造工程中，戶外安裝的測量裝置、間隙觸發(fā)回路和光纖絕緣子，按照經(jīng)受-50℃的嚴(yán)寒環(huán)境設(shè)計。

工程現(xiàn)場在750kV光纖信號柱設(shè)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(zhì)的整體設(shè)計方案；冗余的閉環(huán)控制全激光供能技術(shù)，為串補(bǔ)平臺上的間隙觸發(fā)設(shè)備、TA測量設(shè)備提供穩(wěn)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(yīng)快、抗干擾性能好。

4 結(jié)論

本文首先分析了串補(bǔ)系統(tǒng)高壓平臺測量系統(tǒng)的需求，然后介紹了所設(shè)計的一種集中式電流互感器測量系統(tǒng)，采用基于低功耗CPLD的信號處理和光電轉(zhuǎn)換模塊及可靠的冗余電源設(shè)計，實現(xiàn)串補(bǔ)平臺測量系統(tǒng)可靠運行。所研制的集中電子式電流互感器測量系統(tǒng)經(jīng)過功能試驗、電磁兼容試驗后，已在實際工程中應(yīng)用。

本文編自2022年第5期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“750kV串聯(lián)電容補(bǔ)償系統(tǒng)集中電子式互感器測量系統(tǒng)設(shè)計”，作者為朱長銀、常遠(yuǎn) 等。