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光电传感数字化及其继电保护技术研究

韩小涛

  随着微电子技术、光电技术、通信技术的飞速发展,智能化、数字化和网络化的测试、控制技术迅速在电力系统中得到广泛应用,并深刻改变传统电力系统的运行、维护和管理模式。尤其是光电技术的应用及其与信息技术的结合,使得传统电力系统工业面临一场重大的技术变革。电流、电压互感器作为电量测量装置,是监测一次设备运行状态的关键,也是二次设备工作的基础。为此,本论文选取了目前正处于实用化研究阶段的光电传感器为课题对象进行研究。针对目前光电传感器研究主要集中在稳态测量方面,研究重点囿于提高测量精度的现状,本论文则主要从光电传感器实用化的角度,通过对其暂态特性的分析,深入研究如何应用光电传感器来满足控制、保护系统的需要,进而提出整体的设计方案。论文重点研究了新型光电传感器的传变原理、电量信息传输模式以及与在测控、保护设备中的应用等理论和实际问题。论文在研阅大量国内外文献的基础上,系统地介绍了国内外光电传感技术的发展历史和研究现状,通过对比传统互感器、无源型光纤传感器和有源型光电传感器的优缺点,选择了有源型光电传感器作为目前实用化研究的重点。结合光电传感器在变电站自动化系统中的应用现状和前景,提出了二次回路光电数字化的设想。在研究光电传感器传变原理时,对传统互感器和光电传感器的暂态特性进行了对比仿真研究。深入分析了电磁式电流互感器铁芯不饱和以及饱和情况下的暂态过程,特别是饱和引起的波形畸变和失真情况;仿真研究了谐振型CVT 和速饱和型CVT在一次电压不同工况下的暂态过程。明确了传统互感器的暂态特性对保护动作行为的影响。重点研究和分析了基于Rogowski线圈的光电电流传感器的电气特性和暂态特性,结合参数分析给出了光电电流传感器的综合设计方法和实例。通过对实际的静态误差测试数据和动模试验数据分析,论证说明了有源型光电传感器可以应用于电力系统测试、控制和保护系统中的可行性。高压端光电传感器的输出必须经过积分、模数转换和光电变换才可以成为光脉冲量输出到低压端。论文围绕从高端传感器输出到低端电量采集处理所构成的光电量测系统展开了讨论。通过分析不同技术方案的特点,提出了测量通道和控制通道各自理想的实现方案。测量通道的数字积分器可以消除模拟积分器中运算放大器带来的积分漂移问题;而改进的压频转换技术(VFC)可以实现高转换精度和高采样率,同时避免了高压端同步采样问题。在低压端信号处理部分,提出了信息合并单元(IMU)的概念,根据IEC 60044-7/8标准,详细介绍了低压端信息合并单元(IMU)的体系结构、接口规定和通信规约,勾画了实际产品的雏形。 从IMU单元出来的数字信息通过光纤通信网络传送到二次设备,即构成变电站新型的光电数字化二次回路。论文在分析了金属电缆模拟通信的弊端后,在分散分布式变电站体系结构的基础上,对二次回路通信模式展开了讨论:论述了底层IMU的网络拓扑结构和数据链路层、传输控制层的网络协议,以及IEC 61850标准在应用层的应用,以此构成完整的光电数字化二次回路技术方案。对于关键的数据链路层通信协议,论文提出了应用Ethernet网络技术方案,利用网络仿真软件OPNET进行了仿真试验,证明了其可行性。并探讨了二次回路通信网络安全性和可靠性问题。 在光电数字化二次回路的基础上,智能二次设备将以数字网络形式获取其所需要的信息。论文首先探讨了保护系统与光电传感器的模拟和数字两种接口形式,指出其应用环境和特点;然后以变压器差动保护为对象,重点研究不同故障情况下,采用光电传感器后的动作特性曲线。研究结果表明,由于光电传感器在大电流情况下无饱和现象,显著提高了基于谐波制动原理的差动保护的安全性、可靠性和动作速度;最后分析了保护系统与光电传感器间的相互影响,指出光电传感器和保护系统今后进一步深入研究的内容和方向。 光电传感器真正实现现场长期稳定可靠运行,还必须解决好实际应用中的一些相关问题。论文选取了有源光电传感器高压端供能问题、数据同步问题和系统可靠性问题等内容进行了分析和探讨,提出了相应的设计方案。关于供能问题,提出了母线取能和光供能结合使用的新方案以提高供能长期运行的可靠性;关于同步问题,分析了软件同步的误差情况和硬件同步方案中时钟源的相关问题,以保证硬件同步的安全性和可靠性;关于可靠性问题,建立了光电传感器和变电站通信系统的可靠性模型,定量、定性分析了影响可靠性的关键因素。论文最后对上述研究成果进行了总结,提出了进一步的研究方向。……   
[关键词]:光电传感器;Rogowski线圈;信号处理;变电站自动化;二次回路光电数字化;Ethernet网络技术;变压器差动保护
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华中科技大学2004年