串聯(lián)電容補(bǔ)償（簡(jiǎn)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(cè)量系統(tǒng)將高壓平臺(tái)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(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)上的各電流互感器（TA）分布比較分散，TA布置了比較長(zhǎng)的二次側(cè)電纜。高壓平臺(tái)上復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾性能要求較高，且高壓平臺(tái)上維護(hù)設(shè)備不方便，因此迫切要求高壓平臺(tái)上的設(shè)備具有高運(yùn)行可靠性。國(guó)內(nèi)早期的串補(bǔ)工程設(shè)備一般由西門(mén)子、GE、ABB等公司制造，目前對(duì)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化改造有較大需求，即在平臺(tái)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(tái)測(cè)量系統(tǒng)的需求和應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。該系統(tǒng)已在實(shí)際串補(bǔ)工程中得到應(yīng)用。

1 串補(bǔ)高壓平臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的需求

串補(bǔ)平臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng)位于高電位端，布置了較多的電容元件，相對(duì)750kV母線對(duì)地電容較大，在非等電位拉合開(kāi)關(guān)時(shí)，產(chǎn)生的電弧強(qiáng)度遠(yuǎn)比普通非等電位拉合開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電弧大。在工程現(xiàn)場(chǎng)，由于非等電位拉合開(kāi)關(guān)的出現(xiàn)，導(dǎo)致串補(bǔ)保護(hù)裝置多次誤動(dòng)、退出，嚴(yán)重影響了串補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

串補(bǔ)平臺(tái)面積大、測(cè)點(diǎn)多，測(cè)量電子板卡的分布給測(cè)量系統(tǒng)的可靠運(yùn)行帶來(lái)困難，750kV串補(bǔ)測(cè)量設(shè)備對(duì)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(cè)量系統(tǒng)需要通過(guò)試驗(yàn)電流峰值達(dá)150kAp，其波頭上升時(shí)間為8μs，波尾下降時(shí)間為20μs的高幅值、高頻電流情況下的性能驗(yàn)證。

1.1 高壓平臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的干擾分析

串補(bǔ)系統(tǒng)的一次設(shè)備及測(cè)量TA位于高壓絕緣平臺(tái)上，平臺(tái)與地面有絕緣柱支撐，平臺(tái)上設(shè)備緊湊，串補(bǔ)平臺(tái)的布置如圖1所示。圖1中，IN、Iline、Icap、Ip1、Imov1、Imov2、Igap、Iunb是測(cè)量TA，測(cè)量TA的二次輸出模擬信號(hào)通過(guò)電纜在二次端子盒匯集起來(lái)，模擬信號(hào)由平臺(tái)上的光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)光纖傳送到保護(hù)小室。

圖1 串補(bǔ)平臺(tái)布置

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

1.2 TA測(cè)量系統(tǒng)的性能要求

串補(bǔ)平臺(tái)上的TA測(cè)量系統(tǒng)位于高電位端，與地面不可電氣連接，因此通過(guò)光纖傳輸由模擬量轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)，而測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法直接由電纜從地面?zhèn)鬏敼ぷ麟娔埽蚨鴾y(cè)量系統(tǒng)要求功耗低。

串補(bǔ)測(cè)量系統(tǒng)發(fā)生故障會(huì)引起保護(hù)閉鎖，需要停運(yùn)進(jìn)行檢修，對(duì)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(cè)量系統(tǒng)。

由于無(wú)法從地面直接經(jīng)電纜傳輸工作電能，測(cè)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(tái)因失去工作電源導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)不工作，使串補(bǔ)系統(tǒng)被動(dòng)停運(yùn)檢修。

2 一種集中式TA測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

針對(duì)串補(bǔ)系統(tǒng)中測(cè)量系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)一種集中式TA測(cè)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(cè)量單元采用基于CPLD的低功耗信號(hào)處理模塊，TA二次輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)FT3編碼，通過(guò)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(cè)量系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 集中式TA測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)

平臺(tái)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)。

在平臺(tái)測(cè)量單元中，TA二次模擬量信號(hào)由運(yùn)放電路調(diào)理到設(shè)計(jì)幅值范圍后，被信號(hào)處理和光電轉(zhuǎn)換模塊處理；通過(guò)光纖將基于低功耗CPLD設(shè)計(jì)的信號(hào)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(tái)和大地的絕緣，光能源及數(shù)字信號(hào)通過(guò)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_(tái)，測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)小室。通過(guò)鎧裝光纜把TA測(cè)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(tái)發(fā)送激光能量，并接收來(lái)自高壓平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)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(tái)測(cè)量單元設(shè)計(jì)

串補(bǔ)系統(tǒng)每相高壓平臺(tái)均有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集單元，擁有各自獨(dú)立的光通路、測(cè)量和取能TA的二次繞組及TA取能電源，能夠準(zhǔn)確測(cè)量串補(bǔ)裝置的動(dòng)態(tài)電流值。

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

圖3 高壓平臺(tái)測(cè)量單元原理

測(cè)量單元可以同時(shí)對(duì)高壓平臺(tái)上的多路電氣量進(jìn)行測(cè)量，每路信號(hào)雙重化采樣，通過(guò)運(yùn)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(cè)量數(shù)據(jù)。

每個(gè)測(cè)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(cè)量單元的狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果通過(guò)兩路光纖發(fā)送到平臺(tái)下的串補(bǔ)就地控制室。

高壓平臺(tái)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(tái)設(shè)備具備較高的抗電磁干擾能力。TA二次模擬輸出信號(hào)到平臺(tái)測(cè)量采集模塊的傳輸電纜使用雙絞屏蔽線，與平臺(tái)金屬框架多點(diǎn)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(hào)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(hào)處理和光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)處理和光電轉(zhuǎn)換模塊是集中式TA測(cè)量系統(tǒng)的核心部件，原理如圖4所示。信號(hào)處理和光電轉(zhuǎn)換模塊接收并處理平臺(tái)TA采集調(diào)理后的小信號(hào)，輸出為串行數(shù)字光信號(hào)，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(tái)線路TA取能提供。

測(cè)量單元運(yùn)行可靠性高、壽命長(zhǎng)，選用寬溫高品質(zhì)物料。采用低功耗技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理及光電轉(zhuǎn)換功能模塊，在-50℃～+70℃溫度范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)功耗不到100mW，在線路TA取能異常情況下，通過(guò)激光供能可穩(wěn)定運(yùn)行。每個(gè)TA的模擬量由兩個(gè)冗余模數(shù)轉(zhuǎn)換獨(dú)立回路采樣，進(jìn)行采樣數(shù)值比對(duì)，再通過(guò)板卡的采樣監(jiān)視、電源監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)視功能實(shí)現(xiàn)采集模塊工作狀態(tài)的硬件自檢，通信報(bào)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(dòng)。

信號(hào)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(hào)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(cè)量、溫度測(cè)量等監(jiān)視信號(hào)的輸出都為直流電壓，通過(guò)與鋸齒波進(jìn)行比較產(chǎn)生方波信號(hào)，CPLD監(jiān)視狀態(tài)采集接口通過(guò)統(tǒng)計(jì)方波信號(hào)的占空比即可測(cè)出相應(yīng)的電流和溫度等監(jiān)視信號(hào)值。激光供電合并單元通過(guò)監(jiān)視這些狀態(tài)信息來(lái)控制和調(diào)節(jié)激光功率的強(qiáng)度，保證信號(hào)處理和光電轉(zhuǎn)換供電正常。

圖4 信號(hào)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(dòng)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(jiàn)表1。

表1 光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

2.4 測(cè)量系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

高壓平臺(tái)上的測(cè)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(yùn)行時(shí)測(cè)量單元能夠穩(wěn)定工作，且在線路啟動(dòng)、線路故障、檢修時(shí)數(shù)據(jù)采集部分仍能正常工作。高壓平臺(tái)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(yùn)行環(huán)境，還必須具有自我監(jiān)測(cè)能力。

集中式TA測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)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(dòng)時(shí)測(cè)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(dòng)值時(shí)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(yùn)或線路電流低于TA取能電源的啟動(dòng)值時(shí)，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(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，確保了平臺(tái)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(dòng)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(dòng)勢(shì)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(lái)設(shè)計(jì)取能、控制繞組和電源功率電路。

線路TA取能電源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，啟動(dòng)電流為18A，鐵心的電流飽和區(qū)間在電流8 000A后，因?yàn)橛锌刂评@組投入進(jìn)行反向勵(lì)磁控制，二次側(cè)不會(huì)感應(yīng)出高電壓，平臺(tái)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.5 激光供能合并單元設(shè)計(jì)

激光供能合并單元采用平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，配置專(zhuān)用激光功能板卡，通過(guò)光纖向高壓平臺(tái)輸出激光能量，配置信號(hào)處理功能板卡接收測(cè)量單元的光纖數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校驗(yàn)、處理，通過(guò)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(guò)解析測(cè)量單元報(bào)文的硬件自檢信息，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)激光能量，同時(shí)根據(jù)測(cè)量單元通信報(bào)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(shí)時(shí)正確判別和動(dòng)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(diǎn)要求進(jìn)行長(zhǎng)距離輸電，僅在魁北克水電局，已經(jīng)投運(yùn)近40套735kV串補(bǔ)裝置，且大部分735kV串補(bǔ)裝置投運(yùn)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(shí)施的735kV串補(bǔ)改造工程中，戶外安裝的測(cè)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(jì)。

工程現(xiàn)場(chǎng)在750kV光纖信號(hào)柱設(shè)計(jì)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(jì)方案；冗余的閉環(huán)控制全激光供能技術(shù)，為串補(bǔ)平臺(tái)上的間隙觸發(fā)設(shè)備、TA測(cè)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(cè)量信號(hào)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(tái)測(cè)量系統(tǒng)的需求，然后介紹了所設(shè)計(jì)的一種集中式電流互感器測(cè)量系統(tǒng)，采用基于低功耗CPLD的信號(hào)處理和光電轉(zhuǎn)換模塊及可靠的冗余電源設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)串補(bǔ)平臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)可靠運(yùn)行。所研制的集中電子式電流互感器測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)功能試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)后，已在實(shí)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，作者為朱長(zhǎng)銀、常遠(yuǎn) 等。