750kV串联电容补偿系统集中电子式互感器测量系统的设计方案（750kV串联电容补偿系统集中电子式互感器测量系统的设计方案）

针对目前串联电容补偿系统测量存在的难点，南京南瑞继保电气有限公司、智能电网保护和运行控制企业国家重点实验室的研究人员朱长银、常远、赵玉灿、吴健、王德昌，在2022年第5期《电气技术》上撰文，通过分析串联电容补偿平台上电流互感器（TA）测量系统的干扰源和干扰路径，考虑串联电容补偿平台TA测量系统性能需求和工程实际，以及集中电子式TA测量系统相关功能模块的实现方式，设计一种集中电子式TA测量系统，采用冗余闭环控制的全激光供能技术及集中测量单元设计，提高了系统的可靠性，并在实际工程中得到应用。

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，降低高压线路输电损耗。串补系统中测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、平台的泄漏电流等状态参量传递到控制室，由控制室内控制保护装置实现对交流输电线路串补系统的控制和保护。

串补系统高压平台上的各电流互感器（TA）分布比较分散，TA布置了比较长的二次侧电缆。高压平台上复杂的电磁环境对测量系统的抗干扰性能要求较高，且高压平台上维护设备不方便，因此迫切要求高压平台上的设备具有高运行可靠性。国内早期的串补工程设备一般由西门子、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况下按照检修更换周期分阶段进行设备更换。

本文分析串补平台测量系统的需求和应用特点，设计一种基于复杂可编程逻辑器件（complex programmable logic device, CPLD）的集中式互感器测量系统，通过试验验证其可靠性。该系统已在实际串补工程中得到应用。

1 串补高压平台测量系统的需求

串补平台的测量系统位于高电位端，布置了较多的电容元件，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出现，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。

串补平台面积大、测点多，测量电子板卡的分布给测量系统的可靠运行带来困难，750kV串补测量设备对抗干扰性能提出更高要求。在满足GB/T 17626标准要求的基础上，测量系统需要通过试验电流峰值达150kAp，其波头上升时间为8μs，波尾下降时间为20μs的高幅值、高频电流情况下的性能验证。

1.1 高压平台测量系统的干扰分析

串补系统的一次设备及测量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，串补平台的布置如图1所示。图1中，IN、Iline、Icap、Ip1、Imov1、Imov2、Igap、Iunb是测量TA，测量TA的二次输出模拟信号通过电缆在二次端子盒汇集起来，模拟信号由平台上的光电转换单元转化为数字信号，再通过光纤传送到保护小室。

图1 串补平台布置

串补平台上电磁环境复杂，在串补系统投入时刻，一次操作引起高压电弧干扰，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，都会干扰TA测量系统，主要影响二次回路上的信号。通过TA二次电缆的屏蔽设计可以减小二次回路干扰强度，还要通过防护措施避免测量系统二次侧电子设备被烧毁。

1.2 TA测量系统的性能要求

串补平台上的TA测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模拟量转换成的数字信号，而测量系统无法直接由电缆从地面传输工作电能，因而测量系统要求功耗低。

串补测量系统发生故障会引起保护闭锁，需要停运进行检修，对串补可用率要求较高的电网线路，需要可靠性高的串补测量系统。

由于无法从地面直接经电缆传输工作电能，测量系统的工作电源需要采用线路电流取能、激光供能两种冗余方式，避免串补平台因失去工作电源导致测量系统不工作，使串补系统被动停运检修。

2 一种集中式TA测量系统的设计方案

针对串补系统中测量系统的需求，设计一种集中式TA测量系统，电源采用线路电流取能和激光供能混合冗余方式，测量单元采用基于CPLD的低功耗信号处理模块，TA二次输出信号经过光电转换变为数字信号FT3编码，通过光纤发送给保护控制室的激光供能合并单元。

2.1 基本结构

集中式TA测量系统的架构如图2所示。

图2 集中式TA测量系统架构

平台测量单元、光纤绝缘子和激光供能合并单元，共同组成了集中式TA测量系统。

在平台测量单元中，TA二次模拟量信号由运放电路调理到设计幅值范围后，被信号处理和光电转换模块处理；通过光纤将基于低功耗CPLD设计的信号处理和光电转换模块转换成FT3格式的模拟量数据传输到保护小室。

保证串补平台和大地的绝缘，光能源及数字信号通过硅橡胶复合绝缘子内多根多模光纤，将地面控制小室的激光传输到高压平台，测量数据传输到保护小室。通过铠装光缆把TA测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，并接收来自高压平台的测量数据，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控制和保护装置。

2.2 高压平台测量单元设计

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

高压平台测量单元原理如图3所示，测量单元的电源由线路电流取能和激光供能同时提供，每种电源单独供电均可满足平台测量单元的正常工作需要。

图3 高压平台测量单元原理

测量单元可以同时对高压平台上的多路电气量进行测量，每路信号双重化采样，通过运算放大器调理后进入模数转化器（analog digital converter, ADC），CPLD按照设定周期获得测量数据。

每个测量单元具备电源切换、电源监视、功率监视及采样异常监视等功能，把测量单元的状态和测量结果通过两路光纤发送到平台下的串补就地控制室。

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，要求平台设备具备较高的抗电磁干扰能力。TA二次模拟输出信号到平台测量采集模块的传输电缆使用双绞屏蔽线，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二次模拟输出信号汇聚的集中采集箱采用接地、隔离、滤波等方法，提高抗电磁干扰能力。

2.3 信号处理和光电转换模块设计

信号处理和光电转换模块是集中式TA测量系统的核心部件，原理如图4所示。信号处理和光电转换模块接收并处理平台TA采集调理后的小信号，输出为串行数字光信号，工作电源由位于控制室的激光供电合并单元内的激光器及高压平台线路TA取能提供。

测量单元运行可靠性高、寿命长，选用宽温高品质物料。采用低功耗技术来设计的信号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取能异常情况下，通过激光供能可稳定运行。每个TA的模拟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工作状态的硬件自检，通信报文包含故障标志信息和数据状态信息，合并单元接收后进行逻辑处理，避免保护误动。

信号处理和光电转换模块低功耗CPLD发出固定频率方波信号控制锯齿波发生电路，产生固定频率的锯齿波作为参考。电流测量、温度测量等监视信号的输出都为直流电压，通过与锯齿波进行比较产生方波信号，CPLD监视状态采集接口通过统计方波信号的占空比即可测出相应的电流和温度等监视信号值。激光供电合并单元通过监视这些状态信息来控制和调节激光功率的强度，保证信号处理和光电转换供电正常。

图4 信号处理和光电转换模块原理

ADC采样控制接口的速率为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 测量系统电源设计

高压平台上的测量单元需要稳定、可靠、连续的电源，确保在高压线路正常运行时测量单元能够稳定工作，且在线路启动、线路故障、检修时数据采集部分仍能正常工作。高压平台电源必须具备很强的抗电磁干扰能力，能够适应复杂恶劣的运行环境，还必须具有自我监测能力。

集中式TA测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混合电源，其基本的工作状态为：系统启动时测量系统电源由激光供能电源提供；当线路电流达到TA取能电源的启动值时由TA取能电源提供，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化范围大的情况，一方面线路TA取能电源的启动电流要满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况下，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。根据该要求，线路取能TA选用合适的铁基纳米晶材料、合理的尺寸和绕线匝数，来设计取能、控制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，因为有控制绕组投入进行反向励磁控制，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工作电源。

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用平台架构设计，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，配置信号处理功能板卡接收测量单元的光纤数据，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使用。

激光供能板卡通过解析测量单元报文的硬件自检信息，动态调节激光能量，同时根据测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正确判别和动作。

3 工程应用情况

750kV串补成套装置能够缩短电气距离，起到提高输电能力、提高系统暂态稳定性等作用。

加拿大能源分布特点要求进行长距离输电，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串补控制保护设备亟需改造，并规划有新的735kV串补成套装置接入系统。

在加拿大魁北克水电局实施的735kV串补改造工程中，户外安装的测量装置、间隙触发回路和光纤绝缘子，按照经受-50℃的严寒环境设计。

工程现场在750kV光纤信号柱设计中，采用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；冗余的闭环控制全激光供能技术，为串补平台上的间隙触发设备、TA测量设备提供稳定可靠的电源；采用基于低功率绕组的电子式电流互感器（low power current transformer, LPCT），测量信号由光纤传输，响应快、抗干扰性能好。

4 结论

本文首先分析了串补系统高压平台测量系统的需求，然后介绍了所设计的一种集中式电流互感器测量系统，采用基于低功耗CPLD的信号处理和光电转换模块及可靠的冗余电源设计，实现串补平台测量系统可靠运行。所研制的集中电子式电流互感器测量系统经过功能试验、电磁兼容试验后，已在实际工程中应用。

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

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