光学电流互感器的抗磁场干扰技术和数字化技术研究

论文摘要

测量方法准确化、测量传输光纤化、测量输出数字化是电子式互感器的主要特征,也是互感器发展的必然趋势。光学电流互感器是满足上述特征的理想互感器,但是测量温漂和不能长期可靠运行这两大世界难题,阻碍了光学电流互感器的实用化进程。作者所在团队自主研制的基于Faraday磁光效应原理的光学电流互感器（OCT）,具有良好的动态响应能力和绝缘性能,能够精确的测量非周期分量及各种交流谐波分量,并且无饱和现象,并利用自适应光学传感原理解决了阻碍光学电流互感器实用化的测量温漂问题,稳态测量精度达到0.2s级以上,能够满足现代电力系统发展的要求。本文通过深入研究光学电流互感器的抗磁场干扰技术,解决了光学电流互感器的长期运行可靠性问题,并深入研究了光学电流互感器的数字化问题。针对光学电流互感器的长期运行可靠性问题,为了期望获得抗磁场干扰能力,本文研究了基于光学电流互感器的抗磁场干扰理论。首次提出了螺线管三相磁场正交技术和御磁光路结构技术,并设计了御磁光学传感头。这种光学传感头实现了光路结构的彻底简化,使其长期运行可靠性得到了极大地提高;同时,御磁光学传感头能够满足在常规电力系统中的抗电磁干扰能力的要求,与偏振光围绕通电导体旋转具有条件对偶性。与螺线管聚磁光学传感头相比,御磁光学传感头体积减小,成本降低。在现场连续25个月的运行表明,采用这种结构的OCT能够在实际环境中长期可靠地运行。国际标准IEC60044-7/8规定了电子式互感器和二次设备的数字接口,首先提出了合并单元的定义。在变电站自动化标准IEC61850体系中,9-1和9-2规定了间隔层和过程层之间的通信,都涉及到合并单元的实现目标。对这三个标准进行深入的研究和比较,对于合并单元的实现及改进具有重要意义。本文从实现合并单元的角度,基于IEC61850-9-1标准将合并单元划分为三个功能模块。根据合并单元和光学电流互感器接口具有多任务并行处理的特点,利用FPGA实现了合并单元的样机制作,并通过测试,进而提出了构建光学测量系统的思想。电力系统的监视与控制正在从时间断面逐步走向时间过程,电力系统的保护与控制正在从电网的点和局部逐步走向系统全局。为了阻止破坏性越来越大的电力系统灾难事故,人们正在构建电力系统安全防御体系。以相角测量单元（PMU）为基础的提供电网准确动态过程测量数据的广域测量系统（WAMS）将成为电网保护控制的基础测量系统。铁磁线圈电流互感器不能准确反映电网动态过程,在发生故障时,由于非周期分量的存在,使铁磁线圈电流互感器迅速达到饱和,不能准确测量出故障点电流,这将直接导致PMU测量失准,从而影响整个广域测量系统的可靠性。而具有良好的动态响应能力的光学电流互感器的广泛应用将大大提高电网保护与控制的可靠性,基于光学电流互感器的上述特点,提出了构建广域光学测量系统的构想。利用法拉第磁光效应研制出的光学电流互感器克服了电磁式电流互感器和Rogowski线圈电流互感器的不足,具有宽广的动态测量范围和频率响应范围,不仅可以测量工频交流信号、各次谐波信号、直流量,而且可以高保真地复现电网暂态信号,具有良好的动态响应能力。利用此光学电流互感器可以完全得到线路全电流的特点,提出了基于光学电流互感器的超高压长线路全电流差动保护算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光学电流互感器背景及意义
• 1.3 电子式电流互感器
• 1.4 光学电流互感器
• 1.4.1 光学电流互感器的光路结构原理
• 1.4.2 光学电流互感器的实用化难点
• 1.5 光学电流互感器的数字接口
• 1.5.1 电子式电流互感器数字接口研究现状
• 1.5.2 电子式电流互感器数字接口研究背景及意义
• 1.6 光学电流互感器与数字化保护
• 1.6.1 传统电流差动保护
• 1.6.2 采样值差动保护
• 1.6.3 故障分量差动保护
• 1.7 本文主要研究内容
• 第2章 基于光学电流互感器的抗磁场干扰理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 抗磁场干扰模型的建立
• 2.2.1 相互平行磁场之间的理论分析
• 2.2.2 相互垂直磁场之间的理论分析
• 2.2.3 任意角度磁场之间的理论分析
• 2.3 满足安培环路定律磁场之间的理论分析
• 2.3.1 完整的闭合路径
• 2.3.2 不完整的闭合路径
• 2.4 本章小结
• 第3章 螺线管聚磁光路结构技术
• 3.1 引言
• 3.2 闭合光路结构原理
• 3.3 直通光路光学结构原理
• 3.4 螺线管聚磁光路结构原理
• 3.4.1 螺线管聚磁光路结构技术
• 3.4.2 螺线管聚磁光学传感头
• 3.5 螺线管聚磁结构抗磁场干扰能力分析
• 3.6 螺线管三相磁场正交技术
• 3.7 本章小结
• 第4章 御磁光路结构技术
• 4.1 引言
• 4.2 御磁光路结构原理
• 4.2.1 御磁光路结构技术
• 4.2.2 御磁光学传感头
• 4.3 光学传感头抗磁场干扰性能的比较分析
• 4.4 御磁光路结构技术的发展
• 4.5 现场运行情况
• 4.6 本章小结
• 第5章 光学测量系统构建
• 5.1 引言
• 5.2 基于IEC 61850 的光学电流互感器接口的总体设计
• 5.2.1 基于IEC 61850 的光学电流互感器接口的定义
• 5.2.2 合并单元实现目标分析
• 5.2.3 基于IEC 61850-9-1 标准的合并单元功能模块划分
• 5.2.4 合并单元总体设计方案
• 5.3 合并单元各功能模块设计
• 5.3.1 同步功能模块设计
• 5.3.2 数据接收处理模块的设计
• 5.3.3 以太网发送模块的设计
• 5.4 合并单元的测试和分析
• 5.4.1 合并单元的测试
• 5.4.2 合并单元时间特性分析
• 5.5 光学测量系统构建
• 5.5.1 电子式互感器与合并单元接口设计
• 5.5.2 合并单元与间隔层接口设计
• 5.5.3 构建光学测量系统
• 5.6 广域光学测量系统构建
• 5.6.1 广域测量系统（WAMS）简介
• 5.6.2 光学电流互感器的传变特性分析
• 5.6.3 构建WAOMS 系统
• 5.7 本章小结
• 第6章 基于光学电流互感器的超高压全电流差动保护的研究
• 6.1 引言
• 6.2 长距离输电线路的暂态过程
• 6.3 线路全电流差动保护
• 6.3.1 输电线贝瑞隆模型
• 6.3.2 保护动作判据
• 6.4 EMTDC/PSCAD 仿真研究
• 6.4.1 在同一地点、同一时刻发生不同类型故障
• 6.4.2 同一故障类型不同故障电阻
• 6.4.3 在线路的不同位置发生同一类型故障
• 6.4.4 同一单相接地故障的不同故障时刻
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历