光电传感器在变电站通信控制系统上的应用探讨

随着光电传感器技术的不断成熟，其在变电站自动化系统中的实用化成为研究的重点。本文在分析了光电传感器性能特点的基础上，从通信方式和通信系统结构的影响两个方面阐述了光电传感器的应用对变电站通信控制系统的影响。并结合我国变电站自动化系统的现状，重点探讨了光电传感器在变电站自动化系统中的应用方法和步骤：利用仪用传感器单元实现光电传感器与通信网络的接口;根据通信技术的发展状况和变电站的应用需求，光电传感器的接入方式可以分为三种不同的形式。光电传感器作为新型的电子式互感器，其应用将对变电站自动化系统产生深远的影响。
       1、前言
    光电传感器作为一种新型的电压电流测量装置，与传统电磁式互感器相比较，具有绝缘强度高、动态范围大、频带宽、抗干扰能力强、不会产生磁饱和及铁磁谐振、体积小、重量轻、造价低等一系列优点。自20世纪60年代以来，光电传感器经历了原理性研究、试验样机和现场挂网运行等阶段。目前国外已经有部分实用化产品投入市场，但真正得到大规模的应用还有一个过程，而且国内变电站自动化系统的应用水平不一，如何让光电传感器在变电站自动化系统中得到应用并提高变电站自动化系统的水平，成为光电传感器研究的重点。
       变电站通信控制系统是变电站自动化系统的重要组成部分，其技术水平直接关系到变电站自动化系统的性能。随着电子技术和通信技术的飞速发展，变电站通信系统也经历了集中式、功能分布式和分散分布式等阶段。而通信系统的发展变化总是与变电站的测控、保护装置的发展变化相适应的。随着光电传感器在变电站中的应用，将对变电站通信控制系统产生深远的影响，并提高其自动化应用水平。
       2、光电传感器的性能和特点
       光电传感器(OpticElectric Transducer,OET)根据传感头设计原理的不同可以分为有源型光电传感器(Active OET，AOET)和无源型光电传感器(Passive OET，POET)两种。前者在高压端采用新型传感头得到性能优越的电信号，利用光电转换为数字信号传输到低压端;后者主要是利用Faraday磁光效应(电流传感器)和Pockels电光效应(电压传感器)调制光信号，传感过程中不涉及电信号。虽然AOET和POET的传感原理差别很大，但传感特性和输出接口却存在很多的共同性，主要体现在以下几个方面[3，4，5]：
       1)暂态响应范围宽，谐波测量能力强
       暂态特性的优劣是判断一种互感器能否在电力系统中获得应用的一个重要参数，特别是与继电保护动作时间的配合。传统电磁式互感器由于存在铁芯，对高频信号的响应特性较差，不能正确反映一次侧的暂态过程。而光电互感器传测量的频率范围主要由电子线路部分决定，没有铁芯饱和的问题，因此能够准确反映一次侧的暂态过程。一般可设计到0.1 Hz到1 MHz，特殊的可设计到200 MHz的带通。光电传感器的结构可以测量高压电力线路上的谐波。而电磁感应互感器是难以达到的。
       2)数字接口，通信能力强
       由于光电传感器下传的就是光数字信号，与通信网络容易接口，且传输过程中没有测量误差。同时随着微机化的保护控制设备的广泛采用，光电互感器可以直接向二次设备提供数字量，这样就能省去原来保护装置中的变换器和A/D采样部分，使二次设备得到大大的简化，推动保护新原理的研究。
       3)体积小，重量轻、易升级，满足变电站小型化与紧凑型的要求，由于光电传感器是靠传感头和电子线路进行信号的获取和处理，体积小，重量一般在 1000 kg以下，便于集成在AIS或GIS中，这样将大大减少变电站的占地面积，满足变电站小型化和紧凑化的要求。同时光电互感器通过少量光缆与二次设备连接，可使电缆沟和电缆大为减少。如果间隔内的控制和保护等设备下放开关柜，将使变电站布置更紧凑。提高安全运行水平，经济效益显著。
        光电互感器还具有绝缘结构简单，绝缘性能好，造价低;不存在铁磁谐振问题;不存在CT二次开路、PT二次短路问题，以及不存在易燃、易爆危险等优点。但上面介绍的3个主要方面直接影响着变电站通信控制系统的通讯方式和系统结构，将对变电站自动化系统的发展有着重要影响。
       3、光电传感器的应用对变电站通讯系统的影响
变电站自动化通讯系统包括系统内部的现场级通信和自动化系统与上级调度通信两部分。在这里我们主要讨论光电传感器的应用对内部的现场级通信系统的影响。现场级通信主要解决内部子系统与上位机(监控主站)以及各子系统间的数据通信和信息交换问题，它的通讯范围是变电站内部。对于集中组屏的自动化系统来说，实际是在主控室内部;对于分散安装的自动化系统来说，其通讯范围扩大到主控室与子系统的安装地，通讯距离加长了。通讯方式有并行、串行、局域网和现场总线等多种方式。而目前国内流行的是分散分布式变电站自动化系统，其简单结构示意图如图1。

       其优点是变电站二次部分采用单元间隔的组织形式，功能分散，系统得到了一定的优化。但也存在装置间缺乏整体的协调和功能优化;输入信息不能共享，接线比较复杂;系统扩展复杂等问题。而随着光电互感器、智能化开关设备等面向一次的智能化设备日趋成熟，为改变变电站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了资源整合和系统集成的技术基础。
       光电传感器的应用对通信系统的影响和改进主要体现在两个方面：
       1)由于光电传感器具有数字输出、接口方便、通信能力强的天然特性，其应用将直接改变变电站通讯系统的通信方式，特别是一次设备与间隔层二次设备间的通信方式。传统的信号都是以模拟量的形式传送到间隔层，同一个CT/PT可能会连接到多个不同的设备，造成二次接线复杂，互感器负荷重等问题。利用光电传感器输出的数字信号，使用现场总线技术实现点对点/多个点对点或过程总线通信方式。将完全取代大量的二次电缆线，彻底解决二次接线复杂的现象，可实现真正意义上的信息共享。
       并且光电传感器的接口设计方便，利用模块化和面向对象技术实现硬件、软件的标准化设计，满足不同传输介质和各种通信协议和标准的需要，具有灵活的扩展性和自适应性。而这是传统互感器所不可能具备的特性。
       2)对通信系统结构的影响。由于通信方式的改变，加上数字断路器控制和电子开关装置等智能电子设备(IED)的采用，使得功能不断下放，变电站自动化系统由两层结构变为三层结构：过程层、间隔层和变电站层。
       其中过程层主要安放有光电传感器、合并单元、开关电子装置模块、断路器智能控制模块等部件，过程层可以完成电力运行的实时电气量检测;运行设备的状态参数检测;操作控制执行与驱动等功能。间隔层安放保护、测量、和间隔控制单元，主要功能有汇总本间隔过程层实时数据信息;实施对一次设备保护控制功能;实施本间隔操作闭锁功能;实施操作同期及其他控制功能;对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制;承上启下的通信功能等[6]。
而结构的改变和通信网络技术的进步，变电站通信系统最终将成为如图2所示的结构。现场过程总线和站级总线合二为一，最大程度地实现信息共享和系统集成。

       4、光电传感器在变电站自动化系统中的应用
       我国变电站自动化系统发展水平不均衡，既有集中组屏的老式自动化系统，又有分散分层先进的自动化系统。光电传感器的应用必须满足不同水平的变电站自动化系统。为了与老系统兼容，将IEC定义的合并单元(Merging Unit，MU)扩展到仪用传感器单元 (Instrument Transducer Unit，ITU)，使光电传感器既具备将传统互感器输出模拟量数字化的功能，也具备输出模拟量的功能。从而具有较高的灵活性，很容易与各种系统接口配合使用。ITU的功能结构图如图3所示。

       ITU的设计应该遵循模块组件化原则。ITU中含有合并单元、数据通信模块、集成故障录波仪、时钟控制装置等模块。利用模块化的通信组件，ITU 实现与间隔层设备的点对点和过程总线通信，并可方便地升级到IEC 61850-9-2标准通信协议。以ITU为底层基本处理单元，取代传统互感器和二次电缆，实现光电传感器在变电站自动化系统中的应用。
       在我国，为了更好地推动变电站自动化系统水平的提高，ITU在变电站自动化系统的应用存在3个阶段：
       1)兼容传统互感器，点对点通信和过程总线相结合阶段
       该阶段中，光电传感器的测量数据是通过点对点连接，直接传送到保护装置的，目前IEC定义了该连接的标准协议有IEC 61850-9-1和 IEC 60044-8。同时ITU还将RMS值通过过程总线传送到间隔层处理单元，过程总线还负责监控开关设备信息的传送。过程总线标准有 IEC61850-9-2，实施中可以考虑10Mbit/s的以太网。其原理示意图如图4所示。

       2)过程总线共享传感器数据阶段
       该阶段，原来分开传送的测量数据和控制数据将通过过程总线合二为一。该合并简化了间隔单元里复杂的接线状况，但同时由于实时的ITU测量数据和保护设备的控制命令都是通过过程总线传送的，过程总线的传输速度和响应能力比前一阶段要求更高。过程总线标准IEC 61850-9-2依然适用，实施中可以考虑100Mbit/s的以太网。

       3)过程总线和站级总线统一，全站共享数据阶段
       随着快速以太网技术的发展以及现代网络交换技术，使得连接站级总线和下面的过程层总线成为可能，在网络通信应用层中统一使用MMS协议标准的基础上，将保证通信系统的实时响应等性能指标不受影响。总线统一的好处首先是信息的完全共享，统一的访问和存储方式，并且间隔层的设备只需要一个通信接口，将大大降低设备和变电站运行和维护费用。该阶段的实现有赖于分等级的快速以太网技术的成熟和变电站通信协议的完善。其原理示意图参见图2所示。
       5、结论
       由于光电传感器自身的数字输出特性和智能电子设备的特点，其应用对变电站自动化通信系统的影响是全面和深远的。利用光电传感器的光电转换和数据通信功能改造电磁式互感器，实现过程层和间隔层的点对点/多点对多点或现场总线通信，将会成为我国变电站自动化系统改造升级的有效途径。而建设以光电传感器和其他智能电子设备为基础的新型变电站自动化系统，实现变电站站内各层间的无缝通信，最大限度的满足信息共享和系统集成的要求，则是我国变电站自动化系统的发展方向。