摘 要 隨著光電傳感器技術的不斷成熟，其在變電站自動化系統中的實用化成為研究的重點。本文在分析了光電傳感器性能特點的基礎上，從通信方式和通信系統結構的影響兩個方面闡述了光電傳感器的應用對變電站通信控制系統的影響。并結合我國變電站自動化系統的現狀，重點探討了光電傳感器在變電站自動化系統中的應用方法和步驟：利用儀用傳感器單元實現光電傳感器與通信網絡的接口；根據通信技術的發展狀況和變電站的應用需求，光電傳感器的接入方式可以分為三種不同的形式。光電傳感器作為新型的電子式互感器，其應用將對變電站自動化系統產生深遠的影響。 關鍵詞 光電傳感器 變電站自動化系統 光電接口 儀用傳感器單元 網絡通信 1前言 光電傳感器作為一種新型的電壓電流測量裝置，與傳統電磁式互感器相比較，具有絕緣強度高、動態范圍大、頻帶寬、抗干擾能力強、不會產生磁飽和及鐵磁諧振、體積小、重量輕、造價低等一系列優點。自20世紀60年代以來，光電傳感器經歷了原理性研究、試驗樣機和現場掛網運行等階段［1］。目前國外已經有部分實用化產品投入市場，但真正得到大規模的應用還有一個過程，而且國內變電站自動化系統的應用水平不一，如何讓光電傳感器在變電站自動化系統中得到應用并提高變電站自動化系統的水平，成為光電傳感器研究的重點。 變電站通信控制系統是變電站自動化系統的重要組成部分，其技術水平直接關系到變電站自動化系統的性能。隨著電子技術和通信技術的飛速發展，變電站通信系統也經歷了集中式、功能分布式和分散分布式等階段［2］。而通信系統的發展變化總是與變電站的測控、保護裝置的發展變化相適應的。隨著光電傳感器在變電站中的應用，將對變電站通信控制系統產生深遠的影響，并提高其自動化應用水平。 2光電傳感器的性能和特點 光電傳感器(OpticElectric Transducer,OET)根據傳感頭設計原理的不同可以分為有源型光電傳感器（Active OET，AOET）和無源型光電傳感器（Passive OET，POET）兩種。前者在高壓端采用新型傳感頭得到性能優越的電信號，利用光電轉換為數字信號傳輸到低壓端；后者主要是利用Faraday磁光效應（電流傳感器）和Pockels電光效應（電壓傳感器）調制光信號，傳感過程中不涉及電信號。雖然AOET和POET的傳感原理差別很大，但傳感特性和輸出接口卻存在很多的共同性，主要體現在以下幾個方面［3，4，5］： 1）暫態響應范圍寬，諧波測量能力強 暫態特性的優劣是判斷一種互感器能否在電力系統中獲得應用的一個重要參數，特別是與繼電保護動作時間的配合。傳統電磁式互感器由于存在鐵芯，對高頻信號的響應特性較差，不能正確反映一次側的暫態過程。而光電互感器傳測量的頻率范圍主要由電子線路部分決定，沒有鐵芯飽和的問題，因此能夠準確反映一次側的暫態過程。一般可設計到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可設計到200 MHz的帶通。光電傳感器的結構可以測量高壓電力線路上的諧波。而電磁感應互感器是難以達到的。 2）數字接口，通信能力強 由于光電傳感器下傳的就是光數字信號，與通信網絡容易接口，且傳輸過程中沒有測量誤差。同時隨著微機化的保護控制設備的廣泛采用，光電互感器可以直接向二次設備提供數字量，這樣就能省去原來保護裝置中的變換器和A/D采樣部分，使二次設備得到大大的簡化，推動保護新原理的研究。 3）體積小，重量輕、易升級，滿足變電站小型化與緊湊型的要求，由于光電傳感器是靠傳感頭和電子線路進行信號的獲取和處理，體積小，重量一般在1000 kg以下，便于集成在AIS或GIS中，這樣將大大減少變電站的占地面積，滿足變電站小型化和緊湊化的要求。同時光電互感器通過少量光纜與二次設備連接，可使電纜溝和電纜大為減少。如果間隔內的控制和保護等設備下放開關柜，將使變電站布置更緊湊。提高安全運行水平，經濟效益顯著。 光電互感器還具有絕緣結構簡單，絕緣性能好，造價低；不存在鐵磁諧振問題；不存在CT二次開路、PT二次短路問題，以及不存在易燃、易爆危險等優點。但上面介紹的3個主要方面直接影響著變電站通信控制系統的通訊方式和系統結構，將對變電站自動化系統的發展有著重要影響。 3光電傳感器的應用對變電站通訊系統的影響 變電站自動化通訊系統包括系統內部的現場級通信和自動化系統與上級調度通信兩部分。在這里我們主要討論光電傳感器的應用對內部的現場級通信系統的影響。現場級通信主要解決內部子系統與上位機(監控主站)以及各子系統間的數據通信和信息交換問題，它的通訊范圍是變電站內部。對于集中組屏的自動化系統來說，實際是在主控室內部；對于分散安裝的自動化系統來說，其通訊范圍擴大到主控室與子系統的安裝地，通訊距離加長了。通訊方式有并行、串行、局域網和現場總線等多種方式。而目前國內流行的是分散分布式變電站自動化系統，其簡單結構示意圖如圖1。 其優點是變電站二次部分采用單元間隔的組織形式，功能分散，系統得到了一定的優化。但也存在裝置間缺乏整體的協調和功能優化；輸入信息不能共享，接線比較復雜；系統擴展復雜等問題。而隨著光電互感器、智能化開關設備等面向一次的智能化設備日趨成熟，為改變變電站目前監視、控制、保護和計量裝置及系統分隔的狀態提供了資源整合和系統集成的技術基礎。 光電傳感器的應用對通信系統的影響和改進主要體現在兩個方面： 1）由于光電傳感器具有數字輸出、接口方便、通信能力強的天然特性，其應用將直接改變變電站通訊系統的通信方式，特別是一次設備與間隔層二次設備間的通信方式。傳統的信號都是以模擬量的形式傳送到間隔層，同一個CT/PT可能會連接到多個不同的設備，造成二次接線復雜，互感器負荷重等問題。利用光電傳感器輸出的數字信號，使用現場總線技術實現點對點/多個點對點或過程總線通信方式。將完全取代大量的二次電纜線，徹底解決二次接線復雜的現象，可實現真正意義上的信息共享。 并且光電傳感器的接口設計方便，利用模塊化和面向對象技術實現硬件、軟件的標準化設計，滿足不同傳輸介質和各種通信協議和標準的需要，具有靈活的擴展性和自適應性。而這是傳統互感器所不可能具備的特性。 2）對通信系統結構的影響。由于通信方式的改變，加上數字斷路器控制和電子開關裝置等智能電子設備(IED)的采用，使得功能不斷下放，變電站自動化系統由兩層結構變為三層結構：過程層、間隔層和變電站層。 其中過程層主要安放有光電傳感器、合并單元、開關電子裝置模塊、斷路器智能控制模塊等部件，過程層可以完成電力運行的實時電氣量檢測；運行設備的狀態參數檢測；操作控制執行與驅動等功能。間隔層安放保護、測量、和間隔控制單元，主要功能有匯總本間隔過程層實時數據信息；實施對一次設備保護控制功能；實施本間隔操作閉鎖功能；實施操作同期及其他控制功能；對數據采集、統計運算及控制命令的發出具有優先級別的控制；承上啟下的通信功能等［6］。 而結構的改變和通信網絡技術的進步，變電站通信系統最終將成為如圖2所示的結構。現場過程總線和站級總線合二為一，最大程度地實現信息共享和系統集成。 4光電傳感器在變電站自動化系統中的應用 我國變電站自動化系統發展水平不均衡，既有集中組屏的老式自動化系統，又有分散分層先進的自動化系統。光電傳感器的應用必須滿足不同水平的變電站自動化系統。為了與老系統兼容，將IEC定義的合并單元(Merging Unit，MU)擴展到儀用傳感器單元(Instrument Transducer Unit，ITU)，使光電傳感器既具備將傳統互感器輸出模擬量數字化的功能，也具備輸出模擬量的功能［7］。從而具有較高的靈活性，很容易與各種系統接口配合使用。ITU的功能結構圖如圖3所示。 ITU的設計應該遵循模塊組件化原則。ITU中含有合并單元、數據通信模塊、集成故障錄波儀、時鐘控制裝置等模塊。利用模塊化的通信組件，ITU實現與間隔層設備的點對點和過程總線通信，并可方便地升級到IEC 61850-9-2標準通信協議。以ITU為底層基本處理單元，取代傳統互感器和二次電纜，實現光電傳感器在變電站自動化系統中的應用。 在我國，為了更好地推動變電站自動化系統水平的提高，ITU在變電站自動化系統的應用存在3個階段： 1）兼容傳統互感器，點對點通信和過程總線相結合階段 該階段中，光電傳感器的測量數據是通過點對點連接，直接傳送到保護裝置的，目前IEC定義了該連接的標準協議有IEC 61850-9-1和IEC 60044-8。同時ITU還將RMS值通過過程總線傳送到間隔層處理單元，過程總線還負責監控開關設備信息的傳送。過程總線標準有IEC61850-9-2，實施中可以考慮10Mbit/s的以太網。其原理示意圖如圖4所示。 2）過程總線共享傳感器數據階段 該階段，原來分開傳送的測量數據和控制數據將通過過程總線合二為一。該合并簡化了間隔單元里復雜的接線狀況，但同時由于實時的ITU測量數據和保護設備的控制命令都是通過過程總線傳送的，過程總線的傳輸速度和響應能力比前一階段要求更高。過程總線標準IEC 61850-9-2依然適用，實施中可以考慮100Mbit/s的以太網。 3）過程總線和站級總線統一，全站共享數據階段 隨著快速以太網技術的發展以及現代網絡交換技術，使得連接站級總線和下面的過程層總線成為可能，在網絡通信應用層中統一使用MMS協議標準的基礎上，將保證通信系統的實時響應等性能指標不受影響。總線統一的好處首先是信息的完全共享，統一的訪問和存儲方式，并且間隔層的設備只需要一個通信接口，將大大降低設備和變電站運行和維護費用。該階段的實現有賴于分等級的快速以太網技術的成熟和變電站通信協議的完善［8］。其原理示意圖參見圖2所示。 5結論 由于光電傳感器自身的數字輸出特性和智能電子設備的特點，其應用對變電站自動化通信系統的影響是全面和深遠的。利用光電傳感器的光電轉換和數據通信功能改造電磁式互感器，實現過程層和間隔層的點對點/多點對多點或現場總線通信，將會成為我國變電站自動化系統改造升級的有效途徑。而建設以光電傳感器和其他智能電子設備為基礎的新型變電站自動化系統，實現變電站站內各層間的無縫通信，最大限度的滿足信息共享和系統集成的要求，則是我國變電站自動化系統的發展方向。 6參考文獻 1喬峨，安作平，羅承沐.光電式電流互感器的開發與應用-21世紀互感器技術展望.繼電器，2000，37(1)：40~43 2金午橋，洪憲平.變電站自動化新技術的應用研究.電網技術，2000，24(5)：38~42 3曾慶禹.變電站自動化技術的未來發展(一)—電力市場與協調型自動化.2000，24(9)：1~4 4聶一雄，尹項根，張哲.基于光學傳感器和光纖網的變電站自動化系統構想.中國電力，2001，34(8)：35~38 5聶一雄，尹項根，張哲.磁位計暫態響應的仿真計算.電力系統自動化，2002，26(11)：28~31 6揭萍.基于光電互感器的變電站自動化通訊系統的研究：［學位論文］.武漢：華中科技大學，2002. 7R.Gross,H.J.Herrmann,U.Katschinski.Substation Control and Protection Systems for Novel Sensors.CIGRE Session,Paris,2000:Paper 12/23/3403 8Tor Skeie,Svein Johannessen,Christoph Brunner.Ethernet in Substation Automation.IEEE control system Magazine,2002,22(3)：43~51