CN206096302U - 一种集中式采样系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种集中式采样系统，包括采样电流互感器15、分压器16，光电测量设备14，光纤绝缘子23和合并单元装置26。光电测量设备14将模拟量信号转换为数字量信号，并通过光纤绝缘子23发送到合并单元装置26。合并单元装置26发出的激光为光电测量设备14提供电源，优选增加取能电流互感器17和取能电源板18。本实用新型测量设备功耗降低、供电可靠性高、采样数据可靠性高、整体采样延时小。

Description

一种集中式采样系统

技术领域

本实用新型属于柔性交流输电FACTS(Flexible AC Transmission Systems)领域，特别涉及一种串联型FACTS用集中式采样系统。

背景技术

随着经济的发展，电力负荷不断增长，对电网的输送能力提出了更高的要求。尤其是对电力系统潮流控制及电压控制的需求越来越多，因此柔性交流输电装置在电力系统中的应用越来越多。

柔性交流输电装置从结构上可以分为串联型、并联型和混合型。对于并联型柔性交流输电装置，可以通过变压器将其电压降低，因此并联型柔性交流输电装置的测量系统可以采用常规电磁式电流互感器和电压互感器。

图1为串联型柔性交流输电装置接入电力系统示意图，311和316表示两侧变电站母线，312和315为线路两侧的开关，313表示输电线路，314表示串联型柔性交流输电装置。由图1可以看出，由于串联型柔性交流输电装置串联在输电线路中，如不采用变压器设备降压，如固定或可控串联电容补偿装置、串联谐振型故障限流器等柔性交流输电装置，其对地电压一般即为输电线路电压，设备对地绝缘要求高，因此为降低设备的绝缘水平，一般将串联型柔性输电装置安装在钢结构绝缘平台上，钢结构绝缘平台采用支撑绝缘子进行支撑和斜拉绝缘子进行固定，支撑绝缘子和斜拉绝缘子保证平台上的设备对地绝缘满足要求。安装在绝缘平台上的串联型柔性交流输电装置的一端与绝缘平台连接，绝缘平台上所有设备与地面无电气联系。因此其测量设备的模拟量必须转换为数字量光信号传输到地面的控制保护装置。

此外，由于串联型柔性交流输电装置一般串联在线路中，因此当线路发生故障时，串联型柔性交流输电装置上将承受很大的过电压，因此一般都配置各种过电压保护设备，并配置各种保护功能，典型的固定串补装置配置电流互感器如图2所示。由图2看以看出，单相绝缘平台上的测量电流互感器高达8个，分压器1个，由于绝缘平台对地的绝缘要求，所有待测模拟量(电流量和电压量)需要转换为数字量发送到地面，若每个电流互感器配置一个光电测量系统，则单相采样系统的造价将升高。若将所有电流互感器二次电缆接至同一个光电转换装置处进行统一转换，则造价将大大降低，且可以采用线路电流互感器进行取能，并与激光供电方式同时使用，使供电可靠性大大提高。

综上所述，对于部分串联型柔性交流输电装置(如串联电容器补偿装置、串联谐振型故障限流装置)，由于绝缘平台对地绝缘要求、采样系统供电可靠性和整体造价综合考虑，采用集中式采样系统将大大降低采样系统的造价并提高采样系统供电的可靠性，但考虑到集中式采样系统供电方式的限制，要求集中式采样系统在高压绝缘平台上的设备的功耗要低。

目前的集中式采样系统主要存在光电测量设备功耗高、采样数据可靠性低、采样系统供电可靠性低、整体采样延时大或不明确等问题。

专利“ZL 0323627.9”设计的高压/超高压输电系统平台用数据采集系统并未给出其功耗水平，但根据公开文献《激光供能在串补站平台测量系统的应用》(云南电力技术，2012年第40卷第3期)中列出的数据显示，专利“ZL 0323627.9”设计的单相串补集中式采样系统的平台激光驱动器(用于激光供能)数量多达7个，而西门子设计的单相集中式采样系统激光驱动器仅为1个。此外，专利“ZL200620012632.0”和专利“ZL 0323627.9”的专利权利人相同，专利“ZL200620012632.0”中具体实施方式第7段内容：“图5所示为平台激光接收及电源检测电路。图中PV1～PV7为多只光伏转换器件，它们并联将送能光纤传输来的激光能量转换为电能”。从中也可以看出，专利“ZL 200620012632.0”设计的单相平台采样系统的供能光纤高达7根。因此，专利“ZL 0323627.9”中实用新型的集中式采样系统的功耗水平相当高，有待进一步改进以降低集中采样系统的功耗水平。而西门子设计的集中式采样系统采用单根激光进行供能，一旦发生单根光纤故障，其激光供电的冗余度不够，供电可靠性低，也有进一步改进空间。

此外，专利“ZL 0323627.9”设计的集中式数据采集系统，其AD(Analog todigital)采样环节仅为单路采样，若该AD采样发生错误，将直接导致保护误动，因此其设计的集中式采样系统的可靠性有待进一步提高。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于设计一种串联型柔性交流输电装置用集中式采样系统，所述集中式采样系统可以有效解决高压绝缘平台与地面不能有电气联系的技术难题，降低了串联型柔性交流输电装置用采样系统的造价，且高压绝缘平台上的光电测量设备功耗低、整体采样延时小，具有强抗电磁干扰能力，供电回路和模拟量采样回路可靠性高。

本实用新型采用如下技术方案：

一种集中式采样系统，包括采样电流互感器，分压器，光电测量设备，光纤绝缘子和合并单元装置，其特征在于：所述采样电流互感器、分压器通过电缆与所述光电测量设备连接，所述光电测量设备包括两路独立的回路进行采样和监视，两路独立回路的采样和监视数据经两个独立的光纤绝缘子发送到所述合并单元装置，所述合并单元装置根据所述监视数据实时调节并发送至少两路激光，并经两个光纤绝缘子发送到所述光电测量设备，为光电测量设备提供至少两路激光电源。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述光电测量设备整体功耗≤150mW；

所述光电测量设备采用统一的时钟信号，对多路所述电流互感器或分压器输出至光电测量设备的信号同时进行并行采样，多路采样数据之间严格同步；

所述光电测量设备的采样频率≥10kHz。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述采样电流互感器的数量至少为两个，所述分压器的数量至少为一个。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述光电测量设备还包括高精度微型电流互感器或取样电阻，还包括高精度微型电压互感器或取样电阻，上述设备将所述采样电流互感器和分压器输入的信号变换为小电压信号。

作为本实用新型的进一步优选方案，所示集中式采样系统还包括取能电流互感器和取能电源板，所述取能电流互感器与取能电源板经电缆连接，取能电源板与所述光电测量设备连接，为光电测量设备供能。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述光电测量设备包括至少3路电源，一路电流互感器取能回路和至少两路激光供能回路，根据需要在电源之间无缝切换。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述光电测量设备的激光供能回路采用闭环控制逻辑，所述合并单元装置中的激光发射的驱动电流将根据所述光电测量设备返回的的激光供能回路的监视信号自动调节。

作为本实用新型的进一步优选方案，所述合并单元装置包括电源板、液晶显示板、CPU板、DSP板和至少三块激光供能板，所述每个激光供能板发送至少两路激光至所述光电测量设备，所述DSP板接收光电测量设备发送的采样和监视数据。

附图说明

图1是一种串联柔性交流输电装置接入电力系统的结构图；

图2是典型固定串补单线图；

图3是一种集中式采样系统整体原理图；

图4是一种集中式采样系统电源控制实施方案流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图3所示，本实用新型提供一种集中式采样系统，包括取能电流互感器17，采样电流互感器15、电阻分压器16、抗电磁干扰回路(11、12、13、19)，光电测量设备14，取能电源板18，光纤绝缘子23和合并单元装置26，图中仅示意一个采样电流互感器和电阻分压器，实际可以根据需要配置多个。除光纤绝缘子23和合并单元装置26外，其余集中式采样系统设备均安装在由钢结构组成的高压绝缘平台20上，高压绝缘平台20固定在由支撑绝缘子21、22和悬式斜拉绝缘子24以及筏板式水泥基础25组成的动态支撑系统上。

采样电流互感器15和电阻分压器16通过屏蔽双绞电缆线连接到抗电磁干扰滤波器19，且屏蔽双绞电缆线外部采用全封闭金属波纹管进行电磁屏蔽，抗电磁干扰滤波器19输出端采用屏蔽双绞电缆线接至光电测量设备14上的高精度微型电流互感器(或取样电阻)147和高精度微型电压互感器148，光电测量设备14对电流量和电压量进行数据采样，通过光纤绝缘子23发送到地面保护小室内的合并单元装置26。合并单元装置26通过光纤绝缘子23发送多路(2到3路)冗余供能激光到光电测量设备14，光电测量设备14通过内部的光电池145将激光转换为直流电压输出至稳压监视回路144。取能电流互感器17通过屏蔽双脚电缆线接至取能电源板18，取能电源板18将交流电流转换为直流电压后接至光电测量设备14上的稳压监视回路144，与激光供能回路一起为光电测量设备14提供多路冗余工作电压。

抗电磁干扰回路包括不锈钢金属屏蔽箱11，敷铝锌喷漆铁质屏蔽箱12，铝制屏蔽箱13和抗电磁干扰滤波器19。光电测量设备14安装在铝制屏蔽箱13内，铝制屏蔽箱13和电流互感器取能电源板18以及抗电磁干扰滤波器19安装在敷铝锌喷漆铁质屏蔽箱12内，敷铝锌喷漆铁质屏蔽箱12安装在不锈钢金属屏蔽箱11内。

不锈钢金属屏蔽箱11采用IP65户外等级设计，为全封闭结构。为保证不锈钢金属屏蔽箱11内的接地点可以可靠接接地(接高压绝缘平台钢结构)，设计时使箱体内接地铜排与一锁紧铜棒连接，锁紧铜棒穿过箱体，锁紧铜棒即能保证箱体内接地铜排可靠接地，又能保证箱体的防护等级要求。

单套集中式采样系统能够测量多路模拟量(如9路电流模拟量和1路电压模拟量，具体组合方式可以根据实际需要配置)。

光电测量设备14上配置的高精度微型电流互感器147也可以采用取样电阻，优选采用穿心式高精度微型电流互感器，可以使采样电流互感器15二次回路以及抗电磁干扰滤波器19与采样回路之间没有电气直接联系，可以有效避免采样电流互感器15二次回路中的传导干扰进入光电测量设备14内部，且高精度微型电流互感器147直接安装在光电测量设备14上，其输出小电压信号在印制板上通过很短的回路直接接至采样回路140，避免其输出小电压信号受到外部干扰。

光电测量设备14上配置的高精度微型电压互感器148也可以采用取样电阻，优选采用高精度微型电压互感器，使电阻分压器16输出的电压进一步降低，并经很短的回路输出到光电测量设备14上的采样回路141，避免小电压信号受到外部干扰。

光电测量设备14上配置专用交流头(电流/电压接线端子)，交流头与铝制屏蔽箱13紧密结合，并伸出铝制屏蔽箱13，保证铝制屏蔽箱13的密闭性。

光电测量设备14采用低功耗CPLD(Complex Programmable Logic Device)142进行数据处理及控制，CPLD数据处理频率高达100MHz，其供电系统共包含4路，4路供电系统通过稳压监视回路144上的二极管进行并联。其中1路供电来至取能电源板18，取能电源监视回路144对并联二极管前的电压进行监视。另外3路供电来至地面控制保护小室内合并单元装置26中的激光供能板27，激光供能板27通过驱动电路274使激光发电路273发出3路冗余激光，激光通过多模光缆和光纤绝缘子23中的多模光纤(光纤直径62.5/125μm或200/230μm)发送到高压绝缘平台20上的光电测量设备14中的光电池145，光电池145将供能激光转换为5V电压，并通过稳压监视回路144上的二极管与取能电源板18输出的电源并联。为保证线路电流互感器取能与激光供能之间无缝切换，在稳压监视回路144上配置了储能电容，保证当线路电流互感器取能电源降低或消失时，储能回路中电容放电时间小于合并单元装置26上的激光器273启动的时间。

光电转换设备14上的采样回路140和141将输入的模拟量(电流或电压)进行低通滤波然后进行采样。采样回路140和141上的ADC(Analog to Digital Converter)芯片采样率高达20kHz，所有的ADC芯片均采用同一个时钟晶体输出的统一Clock中断信号，对模拟量进行同步采样。对于单路模拟量(电流或电压)，分别采用两个独立的采样回路140和141进行采样，输出数据分别定义为启动采样数据和保护采样数据。并对两路采样数据进行校验比对，如有异常立即发送异常信号。最后启动和保护采样数据和监视信号在CPLD内部以扩展的IEC60044-8通讯协议格式进行组帧，组帧后的数据通过的电光转换电路146(包含两个独立的电光转换器)转换为光信号发送到地面的合并单元装置26。发送保护和启动采样数据的电光转换电路146采用两个独立的电光转发器分别发送。

光电测量设备14上的所有元器件均经过低功耗优选，光电测量设备14的功耗≤150mW，单块光电测量设备14采用激光供电时仅需单路激光供电回路即可保证正常工作。

光纤绝缘子23外部采用常规硅橡胶伞群结构，增加爬电距离，内部预埋多根光纤，并采用特殊绝缘胶进行填充，不使内部光纤受到挤压，同时保证内部绝缘要求。

合并单元装置26安装在地面保护小室内，主要包括电源板30、CPU(CentralProcessing Unit)板28、液晶显示电路29、DSP(Digital Signal Processor)板31和激光供能板27。激光供能板27通过电光发射电路273向高压绝缘平台上的光电测量设备14提供激光能量，激光供能板27上的激光发射电路273包含3个独立的激光发射器，任何其中一路正常工作即可保证光电测量设备14正常工作。合并单元装置26通过光电转换器272接收启动和保护采样数据和监视信号，接收启动和保护采样数据以及监视信号的光电转电路272在激光供能板卡27内部的FPGA(Field-Programmable Gate Array)271中，将启动和保护采样数据和监视信号采用透明转发的方式将数据帧通过电光转换电路276直接发送，电光转换电路276包含多个(一般配置4个)独立的电光转换器，电光转换器发出的采样数据供控制保护装置和故障录波装置使用。采样数据在所有光纤中采用扩展的IEC60044-8协议发送，发送速率高达10Mbps。

取能电源板18主要包括次级隔离变压器181、整流回路182和稳压回路183。当线路电流大于一定值(一般为线路额定电流的10％～20％)时，取能电源板18即可正常输出稳定的5V±10％工作电压。

集中式采样系统的激光供能回路采用闭环控制逻辑，当光电测量设备14上的电源监视回路监视到工作电压降低时，该监视信号将随采样数据一起通过光纤发送到合并单元装置26，合并单元装置26将增大激光发射器驱动电路的驱动电流，否则，则降低激光发射器驱动电路的驱动电流，保证光电测量设备14上的直流电压稳定在目标值(4.5V～5.5V)。

一种集中式采样系统的电源控制逻辑实施方案如图4所示：步骤400为集中式采样系统启动。在步骤402中，合并单元装置上电默认采用至少2路冗余激光为光电测量设备供电。在步骤404中，光电测量设备实时对激光供能输出电压U1进行监视并将监视信息发送到合并单元装置，光电测量设备能够正常工作的电压范围为Umin～Umax。在步骤404中，若检测到U1＜Umin，则进入步骤401，合并单元装置立即增大激光发射器驱动电流，若检测到U1>Umax，则执行步骤403，降低激光发射器驱动电流，直到激光供能输出电压Umin≤U1≤Umax；

在步骤406中，光电测量设备实时对电流互感器取能电源板输出电压U2进行监视，若U2＜Umin时，则执行步骤405，若此时为不是处于激光供能模式，则执行步骤401，即增大激光器驱动电流，直到激光供能输出电压满足Umin≤U1≤Umax。若U2＞Umax，执行步骤408，光电测量装置发出告警信号并发送到合并单元装置。

在步骤406中，若Umin≤U2≤Umax，则执行步骤407，程序内部开始计时，并计时至少30分钟，若未达到设定计时，则执行步骤406，即持续监视取能电源板输出电压。若达到设定计时，则执行步骤409，即降低所有激光发射器驱动电流至小电流状态，但不关闭激光发射器，以避免激光发射器多次启动降低其使用寿命。并持续执行步骤406，以监视电流互感器取能电源板输出电压是否满足光电测量设备正常工作电压要求。

为保证取能电源与激光电源之间无缝切换，在光电测量设备上的至少3路电源并联环节采用储能电容器进行储能，保证电流互感器取能电源与激光电源之间无缝切换。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本实用新型的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的专利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种集中式采样系统，包括采样电流互感器，分压器，光电测量设备，光纤绝缘子和合并单元装置，其特征在于：所述采样电流互感器、分压器通过电缆与所述光电测量设备连接，所述光电测量设备包括两路独立的回路进行采样和监视，两路独立回路的采样和监视数据经两个独立的光纤绝缘子发送到所述合并单元装置，所述合并单元装置根据所述监视数据实时调节并发送至少两路激光，并经两个光纤绝缘子发送到所述光电测量设备，为光电测量设备提供至少两路激光电源。

2.如权利要求1所述的一种集中式采样系统，其特征在于：所述光电测量设备整体功耗≤150mW；

所述光电测量设备采用统一的时钟信号，对多路所述电流互感器或分压器输出至光电测量设备的信号同时进行并行采样，多路采样数据之间严格同步；

所述光电测量设备的采样频率≥10kHz。

3.如权利要求1所述集中式采样系统，其特征在于：所述采样电流互感器的数量至少为两个，所述分压器的数量至少为一个。

4.如权利要求1所述集中式采样系统，其特征在于：所述光电测量设备还包括高精度微型电流互感器或取样电阻，还包括高精度微型电压互感器或取样电阻，上述设备将所述采样电流互感器和分压器输入的信号变换为小电压信号。

5.如权利要求1所述的集中式采样系统，其特征在于：所示集中式采样系统还包括取能电流互感器和取能电源板，所述取能电流互感器与取能电源板经电缆连接，取能电源板与所述光电测量设备连接，为光电测量设备供能。

6.如权利要求1所述的集中式采样系统，其特征在于：所述光电测量设备包括至少3路电源，一路电流互感器取能回路和至少两路激光供能回路，根据需要在电源之间无缝切换。

7.如权利要求1和5所述的集中式采样系统，其特征在于：所述光电测量设备的激光供能回路采用闭环控制逻辑，所述合并单元装置中的激光发射的驱动电流将根据所述光电测量设备返回的的激光供能回路的监视信号自动调节。

8.如权利要求1所述的集中式采样系统，其特征在于：所述合并单元装置包括电源板、液晶显示板、CPU板、DSP板和至少三块激光供能板，所述每个激光供能板发送至少两路激光至所述光电测量设备，所述DSP板接收光电测量设备发送的采样和监视数据。