一二次深度融合用电子传感器的工程应用

上海置信电气股份有限公司的研究人员刘伟、潘明、姚彦良、孙晶晶，在2019年第12期《电气技术》杂志上撰文，阐述了一种用于一二次深度融合的电子传感器在工程实际应用中遇到的若干问题，分析原因，并提出相应的解决方案。结合实际测量数据对比分析，验证方案适用于10kV柱上断路器内置电子传感器输出信号的采样，对一二次深度融合设备的工程应用也有一定的参考意义。

国家电网公司在2016年末提出的“配网自动化终端DTU/FTU需要考虑一二次设备融合的需求和考虑采用电子式互感器来取代传统的电磁式互感器”的总体思路成为了现阶段几乎所有配网自动化终端生产企业的研究对象。

本文主要针对10kV柱上断路器内置电子传感器的输出信号采样在实际工程应用中出现的若干问题进行分析，并提出解决方案。

1 一二次深度融合成套设备工程应用中遇到的问题

某一客户现场挂网运行的线路保护装置采用一二次深度融合成套设备，10kV柱上断路器内置电压、电流电子传感器，电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器（LPCT），电压传感器采用电容分压式传感器（CVT），控制单元采用基于无源电子传感器的智能馈线终端（FTU）。

在设备挂网运行一段时间中出现以下故障：①设备报“后备欠压”及“电压采样错误”报警，三相电压采样值为：Ua：14593V，Ub：5302V，Uc：5681V，零序电压U0：2604V；②FTU电流采样端子断开输入电缆，零序电流I0显示6.5A；电缆接入电流输入端子后，I0显示为0。

针对上述情况，用万用表在传感器输出口测试电压、电流输出数值均正常。现场挂网运行设备的交流采样部分原理框图如图1所示。

图1 现场FTU交流采样电路示意图

2 问题分析

根据第1节的现场描述可以判断电子传感器及AD芯片等后级电路是正常工作的，那么故障就发生在交流信号的保护电路和调理电路。

2.1 三相电流采样电路分析

图2所示为三相电流采样电路。将样机的电流信号线对机壳施加500V工频电压时未通过，信号线对机壳施加GB/T 15153.1中规定的浪涌4级及GB/T 17626.4中规定的电快速瞬变脉冲群干扰4级时均未通过。

如图2所示分析，电流信号输入端采用压敏电阻10K390抑制差模及共模干扰，抑制共模干扰的压敏电阻存在动作电压低，信号线对机壳承受的耐压较低以及EMC浪涌试验通不过等问题。

图2 三相电流采样电路

电子式电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器，自带线圈隔离，可以避免因一二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差；但电子式电压传感器从10kV母线通过低压臂电容分压到FTU的信号输入间完全没有隔离措施，这将引起：①高压一次侧引入二次侧；②因一、二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差。

2.2 三相电压、零序电压及零序电流采样电路分析

如图3所示为三相电压、零序电压及零序电流采样电路。信号输入端保护采用压敏电阻10K390及TVS。但由于10K390的动作电压为39V，存在同图2一样的问题。

图3 交流电压及零序电流采样电路

根据运放“虚短”、“虚断”：

表1 TVS存在时测试结果

表2 TVS去除时测试结果

此外，零序电流由于信号幅值较小（额定值0.2V），易受高频、接地及工频干扰，造成输入端悬空时零序电流有数值显示。

3 解决方案

为了解决上述电磁兼容及交流采样不准等问题，保证测量精度及可靠性，本文从信号的传输、隔离以及AD转换方面提出解决方案，其中隔离方式提出两种方案。

3.1 双绞屏蔽线长线传输

信号在传输过程中会受到电场、磁场和地电位等干扰因素的影响，因此，对于电子传感器模拟小信号而言，为了获得更好的信号质量，建议采用双绞屏蔽线。双绞屏蔽线分为单屏蔽层和双屏蔽层。

双屏蔽层要求内外层绝缘，成本较高；但它对高频信号的抗干扰能力较好，在实际应用中，可将内屏蔽层在二次侧接地，外屏蔽层在一次侧接地。若采用单屏蔽双绞线，则应在接收信号的二次侧将屏蔽层单端接地。

3.2 微型互感器方案

考虑到电子式电流传感器是LPCT，自带线圈隔离，但信号需经8～15m长的电缆传输；而电子式电压传感器输出信号调理回路没有任何隔离措施，故将交采回路设计为微型互感器采集，原理框图如图4所示。

3.3 光电耦合隔离方案

如图5所示，本设计采用高速线性光耦HCNR201进行光电隔离，它具有超低线性度（0.01%）、低增益温度系数、耐压等级高（5kV）、隔离电压高（最高隔离8kV）、单向传输、抗共模干扰能力强及信号一比一线性高速传输等优点。交流电压信号经过调理后接入光耦，光耦将夹杂在输入量中的各种干扰脉冲都挡在输入侧，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

图4 微型互感器方案

图5 光电耦合隔离电路

3.4 ADC采样

输入信号为交流小电压信号，采用差分输入， AD芯片采用MAX11046，该芯片具有3s快速转换时间，高吞吐率：每个通道为250ksps，16位/14位高速并行接口，低温漂、高精度4.096V内部基准支持±5V输入范围，3.0V至4.25V外部基准范围，支持±4.0V至±5.2V满量程输入范围，满足交流模拟量输入通道需要10M以上输入阻抗匹配要求。

4 实验数据分析

以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案2中的微型互感器隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。交采回路经改进后与电子式传感器联调结果见表3。测量精度满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5% 。

但微型互感器方案在测试相位误差时发现“1V/0.35V”互感器角差为5°，“0.2V/0.2V”互感器在信号下降沿角差为2.3°，这将不满足相差不大于10′的标准规定。相角偏移是电容因素引起的，包括前面的电容分压器、传输电缆分布电容以及互感器线圈分布电容等因素，可以采取一定的补偿措施对电路的相位特性进行改善。

表3 零序电流联调测试结果

仍以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案3中的光耦隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。测量精度亦可满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5%），测试相位误差时采用示波器对比输入与输出端的波形如图6所示。

光滑曲线为输入信号，带点曲线为输出信号，由图可知，输入线与输出线基本重合，线性度较好；输入信号有效值为10mV时，输出信号有效值为9.98mV，相位误差在5′左右，满足0.5级电子式互感器对采样精度的要求。

图6 光耦隔离试验波形

结论

综上所述：①三相电压采样电路、零序电压采样电路和零序电流采样电路输入端串联的限流电阻与TVS形成分压，影响了采样精度；②电路中采用的防护器件的等级不够，对高压侧串入的干扰不能很好的防护。

鉴于此，文中采用方案1解决8～15m电缆上叠加的电磁干扰，采用方案2或方案3可以完全隔离一二次侧相互串扰问题，方案4提高AD转换的速度、精度以及高输入阻抗匹配问题。

本文采用方案1、方案3以及方案4结合设计了FTU交采回路，FTU机箱采用复合型电磁屏蔽结构及合理的接地设计。经过本设计处理后的一二次深度融合成套设备已经顺利通过电磁兼容等试验项目验证，符合国家配电自动化设备相关标准。

动能转换看烟台“六新”澎湃新动能｜“东方电子”启示录

来源：烟台日报-大小新闻

布局，对一个企业有多重要？

在2007年东方电子集团有限公司年度总结大会上，公司董事长杨恒坤提出，集团销售收入六年翻两番。这个在当时被看作不切实际的“口号”，仅用5年就提前完成。

2012年，东方电子集团再提新目标——用六年时间实现合同额翻一番。2018年，准时准点，再次成功实现。

2020年，面对疫情冲击，东方电子集团上半年业绩仍然保持两位数增长，成为国内同行业的亮点。

如今，作为中国能源管理系统解决方案的主要供应商之一，东方电子集团再次肩负起使命重任，向着“百亿东方”目标发起冲击。

乘风破浪，行稳致远。走过62年风雨历程的东方电子集团有限公司，从昔日“电影广播机械修配站”的地方小厂起步，依托技术创新和管理创新“双轮”驱动，实现了技术创新能力从无到有、从弱到强，管理理念从粗放式到顺应新时代的“精进模式”，成长为如今的集科研开发、生产经营、技术服务、系统集成于一体的大型高科技企业集团，走出了一条令人瞩目的破旧立新、强势崛起之路，给众多正深入推进新旧动能转换的企业提供了诸多启示。

在一个经济下行、行业投资下滑的周期中，东方电子集团连续13年保持了年均两位数的持续增长，即便面对疫情冲击，公司仍保持了稳中有进的增长态势。对于企业的发展成绩，东方电子集团董事长杨恒坤用“真的来之不易”来评价。

“我们的目标不仅要争一时，更要争一世。”杨恒坤认为，“争一时”，是指当前公司正在开发的高新技术产品和研发方案；“争一世”，就是要做好战略架构和布局，寻找关键路径，强化战略执行，保持持续竞争力，始终做到比竞争对手快一步。“东方电子之所以能在行业内取得如此成绩，关键在于一步步建立起来的战略布局能力和竞争底蕴，给企业持久发展提供了‘核动力’。”

企业持续发展，要对所处的大环境——自然生态、政治生态、经济生态保持清醒的认识，然后基于对大环境变化的分析与预判制定应对之策。

东方电子原本的核心业务领域是智能电网。面对激烈的竞争环境，东方电子审时度势，面向未来，着眼于持续增长，做好打攻坚战、持久战、跨行跨界战的准备。“必须增强发展底蕴，夯实管理平台，提升竞争优势，真正把企业格局和档次拔起来，把综合实力强起来，以期行稳致远。”杨恒坤如是表示。

满足客户需求，是企业保持核心竞争力的基础。“竞争越是激烈，越要注重客户的需求，并以此为核心，根据市场形势及时作出研判和布局。”杨恒坤说，从进入电力系统自动化领域开始，东方电子就深入洞察客户需求，快速做出反应，通过更新应用计算机软件和信息技术，用产品和服务成全客户，让电力公司能够以更高的管理效率、更低的运营成本，为客户提供高质量、更低价格、更安全可靠的电力应用。

以“争一世”的执着，东方电子积极布局延伸产业链，依托深厚的智能电网和自动化技术储备，打造满足不同客户需求的“自动化+IT+互联网+节能环保+能源互联”系统解决方案，发展“云、大、物、移、智、链”等新技术，从电力向水、燃气、制冷、制热、储能等延伸至客户用能生态系统，打通了综合能源管理全链条，构建起能源管理“生态圈”。“如今，公司无论是电力软硬件，还是企业运维服务和能源管理，甚至节能环保产业，都实现了深耕细作。”杨恒坤说，东方电子已经成功实现了从单一产品到系统集成，从产品服务到电网运营及服务的转变，产品、解决方案及服务遍及北美、欧洲、东南亚、非洲、中东等36个国家和地区。

8月20日上午，在东方电子集团一楼展厅，智慧能源综合管理系统屏幕界面上，实时显示着东方电子集团及下属公司多个园区的冷热电气水等能源数据，通过对数据进行实时监控和数据分类处理，对能耗数据增减幅度进行动态跟踪、智能判断，挖掘节能空间。

“这套能源智慧管理系统，是公司自主研发的系统，也是国内最大的智慧能源定制平台，曾荣膺联合国‘2019全球能源管理领导奖’，项目建成第一年就为海尔集团节约能耗费用1.3亿元。”东方电子股份有限公司总经理方正基介绍，东方电子利用计算机网络技术、实时数据库技术、数据分析和预测技术，对企业“冷、热、电、气、水”等能源介质的生产、输配和消耗及供能、用能设备状态实施集中、扁平化的动态监控和数字化管理，以此来改进和优化能源平衡，降低企业能耗成本。

从最初的主营电网变电站自动化装置，到电网调度自动化系统、智能电网、智慧城市，再到如今构建完成智慧能源管理“生态圈”，东方电子集团的产业延伸，带动了营收逐步提高。从早期的年收入几千万元，发展成为如今年销售收入36亿元、利税5.8亿元、处于行业第一梯队的大型集团公司，东方电子走出了一条令人艳羡的成长之路。

“很多人说我们是‘弯道超车’，但实际是‘十年磨一剑’。”方正基举例说，以智慧能源管理系统为例，一套系统涉及自动化、能源互联、工业制造等多个领域，如此复杂的高端智能系统，不是仅仅几个高科技人才就能完成的，而是需要依托核心技术全力攻坚，集成多个部门，整合多项资源，通力合作才完成的。“没有任何捷径，都是长期积累沉淀的结果。”方正基说。

这个案例，也形象地映射出东方电子的发展轨迹——任何成功的取得，只能通过脚踏实地务实发展，一步步积累而来。

如今，务实作风已经渗透到公司的血液里，智慧城市建设、环保节能、轨道交通、智慧能源管理等一系列产业延伸项目都已成功落地，大幅提升了企业的可持续竞争力。

“东方电子最终要通过务实的作风来做成一份事业，而不仅仅是做几个项目。”方正基对于过去几年的发展，进行了深度剖析梳理。他认为，“做项目和做事业有所不同，目标要求是不一样的。项目是阶段性的工作，目标是完成产品交付、保持良好运行。而做事业要着眼于长远，是靠质量、诚信、服务、品牌等长期沉淀才能形成。”他认为，东方电子集团正是通过多年的沉淀积累，才成为如今的大型高科技企业集团，才能得以在中国能源管理系 统解决方案的主要供应商中占有一席之地。

前不久，在新疆库尔勒市普惠农场3队10千伏牧农线213号至214号电杆处，东方电子公司研发的自动喷涂机器人在地面人员的遥控下，沿着导线均匀平整地喷涂绝缘层。50多分钟后，它将原来裸露的整条导线完成了厚度为2毫米的绝缘化处理。这标志着新疆巴州供电公司首次尝试导线喷涂绝缘漆获得成功。

自主研发自动喷涂机器人，解决供电线路“老大难”问题，这不是第一次。这几年，东方电子将人工智能技术应用于解决用户生产经营中的难点痛点问题，先后推出了高压智能电能表、10kV电子式传感器、智能巡检机器人、架空导线涂覆机器人等多款具有自主知识产权的新产品，赢得业界赞誉。对此，杨恒坤有着清醒的认识“，企业创新要围绕客户需求创造崭新的价值，而不仅是新事物或产品，创新的主要判断标准为是否契合客户需求、客户愿不愿意买，而不是产品或技术是否先进、是否新颖。”

务实的理念和做法，加上创新文化基因传承，使东方电子集团在科技创新领域已经抢先一步，走在了同行业的前列。目前，东方电子集团拥有2个国家级企业技术中心，1个博士后科研工作站，应用研究员（正高级）25名，博士18名，硕士550名，大学本科以上学历员工所占比例为60%以上。承担国家和省部级科研项目30多项，取得知识产权653项，其中发明专利107项，实用新型专利、外观设计专利、软件著作权465项，参与了42项国家标准和14项行业标准制定。

雄厚的科技研发实力，奠定了东方电子集团在国内市场的领先地位。至今，东方电子集团已连续多年入选“中国软件百强”企业，连续18年跻身“中国电子百强”企业。

立志百年企业，只有科技创新远远不够。

正如杨恒坤所言，加速动能转换，必须依靠科技创新和管理创新“两个轮子转”。他认为，从根本上确保一个企业的持续成长，必须打造出一个精准、科学、适用的企业模式和平台来支撑。只有管理的“轮子”转起来，创新的“轮子”才能转起来。结合多年的创新与管理实践，杨恒坤创建了以客户为中心、基于对企业本原和本原架构的思考与打开、适用于各种类型企业的“精进模式”。

对于精进模式，东方电子集团精进学院负责人黄海悦做了进一步解读。精进模式展开讲就是“精确创新，持续进步”，是根据公司生态环境、竞争环境、公司资源和业务特点创建的。黄海悦介绍，精进模式的核心是以客户为中心，通过精确识别客户需求，打造行业线、产品线、地域线的“三线矩阵”模式，公司营销、研发、生产、供应链、质量、财务、人力资源等七大核心业务模块有机协作，持续为客户创造价值。通过行业标准引领、有效的知识管理、全方位的创新，有效融合形成了高质量的管理流程和研发流程，促进企业释放出强大的生产力。

黄海悦说，精进模式已被评为全国企业管理现代化创新成果一等奖。它既是满足企业可持续发展的本原需求与生态链和谐共进的发展战略，也是以打开客户需求为核心、以为客户创造价值为导向的商业模式，是以可靠、简洁、适用、健壮为特征的生态系统，又是战略与战术相统一、关键路径和目标相一致的运营管理体系和制度体系。

正是得益于科技创新和管理创新“两个轮子转”，东方电子集团才在激烈的行业竞争中始终保持极强的竞争力，企业品牌形象显著提升，创造了集团连续十多年保持增长、3家子公司挂牌“新三板”上市的业界传奇，东方电子也成为全市市管企业中增长的亮点。

过去十年，东方电子集团在精进模式引领下，完成了产业布局和升级。

未来十年，东方电子目标明确——继续以发展为主线，务实担当，打造“百亿东方”。

但在当前复杂的经济环境下，东方电子要完成预期目标难度颇大，成功的底气来自哪里？

对此，杨恒坤说，“我们以前面临的困难更大，但最终都依靠顽强的拼搏和永不放弃的精神挺了过来。”近十多年来，东方电子集团经历了内部环境、外部环境的风云变幻。远到2008年的全球经济危机，近到2020年的疫情肆虐，都给东方电子的发展造成一定影响。但公司仍然能够生存下来并保持同行业少有的两位数增长，这都得益于企业全体员工的奋力拼搏以及对未来的精准战略布局。

“一个企业不经历至少三次危机，都算不上成熟的企业。”杨恒坤认为，危机不可怕，关键看企业如何处理危机，如何应对危机。一个企业在整个行业都在增长时增长不算本事，在行业低谷期别人不增长而自己还保持稳定增长才算真本事；一年做到增长不算本事，做到年年持续增长才算真本事。“市场总是有机会，也有挑战，危机即是机遇，不断寻找新的增量市场，抓住机会持续成长，战胜挑战不断精进，是一个企业的必由之路。”

眼下，面对复杂的国际经济形势和疫情冲击，“不说困难，只说怎么解决困难”的东方电子集团再次开启新征程，向着“技术领先，质量领先，成本领先，效率一流”的战略目标阔步前进。

YMG全媒体记者 滕岳 高少帅 摄影报道

责任编辑：王蕾

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