光電數(shù)字化變電站的研究與應(yīng)用

摘要：本文給出一種35kV光電數(shù)字化變電站系統(tǒng)，是面向農(nóng)網(wǎng)按全新概念設(shè)計(jì)的變電站系統(tǒng)，是現(xiàn)代電子和光電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，代表了當(dāng)今變電站自動(dòng)化發(fā)展的方向。這種全新系統(tǒng)的應(yīng)用使變電站的施工更加簡(jiǎn)單，安全性能大大提高，設(shè)備防浪涌、防雷電效果更加顯著，數(shù)據(jù)采集傳輸更加快捷準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：電子式互感器 智能匯控箱 光纜 IEC61850

1 概述

一般35kV變電站中都采用傳統(tǒng)的電磁式電流、電壓互感器，其原理和參數(shù)是按早期電磁式保護(hù)和測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)的，采用模擬強(qiáng)電輸出（5安培/1安培、100伏），輸出容量大，傳輸距離短，容易被電磁干擾。電磁式電流互感器由于鐵芯的磁滯和飽和特性，引起不可克服的暫態(tài)特性差，動(dòng)態(tài)范圍小、頻帶范圍窄的缺點(diǎn)。電磁式互感器電壓等級(jí)越高，制造工藝越復(fù)雜，可靠性越差，造價(jià)越高。另外電磁式互感器體積龐大，安裝、維護(hù)不方便。信號(hào)傳輸還需使用大量的電纜。

目前國(guó)內(nèi)許多電力公司、研究院所、制造廠家都在關(guān)注數(shù)字化變電站的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)字化變電站的試點(diǎn)應(yīng)用——據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)有20多個(gè)110KV及以上電壓等級(jí)的數(shù)字化變電站投運(yùn)。

2 技術(shù)方案

面向中壓系統(tǒng)的數(shù)字化變電站系統(tǒng)的技術(shù)方案，不能完全仿照高壓系統(tǒng)的方案，必須綜合考慮造價(jià)問(wèn)題，本方案旨在提出一種適合中國(guó)目前35kV農(nóng)網(wǎng)實(shí)際情況的，充分滿足技術(shù)指標(biāo)的，實(shí)用化的光電數(shù)字化系統(tǒng)解決方案。

2.1 方案主要特點(diǎn)

①采用電壓/電流組合式電子式互感器。

②不獨(dú)立設(shè)置合并單元（MU），而將合并單元置于保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部。

③不設(shè)置同步采樣時(shí)鐘系統(tǒng)，各個(gè)互感器進(jìn)行等間隔獨(dú)立采樣，相關(guān)電壓、電流進(jìn)行向量運(yùn)算時(shí)采用插值法進(jìn)行同步。

④采用智能終端（智能匯控箱）+傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)方案解決開(kāi)關(guān)智能化問(wèn)題。

⑤多個(gè)二次裝置公用的信號(hào)，采用光電集線器的方式扇出多路光信號(hào)。

2.2 電子式互感器

2.2.1電子式互感器的選型

電子式互感器按傳感原理可分為無(wú)源全光型電子式互感器和有源型電子式互感器。

無(wú)源全光型電子式互感器是基于純光學(xué)原理的互感器，光學(xué)電流互感器利用法拉第的磁光效應(yīng)測(cè)量電流，光學(xué)電壓互感器利用Pockels光電效應(yīng)測(cè)量電壓。無(wú)源全光型互感器基于光學(xué)傳感技術(shù)，其一次側(cè)光學(xué)電流、電壓傳感器無(wú)需工作電源，具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；但光學(xué)傳感器的制作工藝復(fù)雜，穩(wěn)定性及一致性不容易控制，制造成本很高，在中壓系統(tǒng)中應(yīng)用性價(jià)比不合適，一般用于高壓系統(tǒng)中。

綜合考慮到技術(shù)的可實(shí)施性、最終產(chǎn)品的性價(jià)比，本方案中電子式互感器采用是有源型電子式互感器。

2.2.2 基于羅氏線圈結(jié)構(gòu)的有源電子式CT的工作原理

羅氏線圈的原理結(jié)構(gòu)：將導(dǎo)線均勻地環(huán)繞在一個(gè)截面均勻的非磁性材料的骨架上，即可構(gòu)成一個(gè)羅氏線圈，其原理如圖：

羅氏線圈的的輸出電壓e（t）與被測(cè)電流i（t）的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成正比，將e（t）積分便可求得電流i（t），e（t）經(jīng)積分變換及A/D變換后，變成離散化的數(shù)字信號(hào)，編碼后由LED轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)經(jīng)光纜輸出。

2.2.3 電容分壓結(jié)構(gòu)的有源電子式PT的工作原理

被測(cè)高壓經(jīng)電容分壓器分壓后變成弱電壓信號(hào)，弱電壓信號(hào)經(jīng)A/D變換后，變成離散化的數(shù)字信號(hào)，編碼后由LED轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)經(jīng)光纜輸出。

圖中可見(jiàn)主絕緣電容C1實(shí)際上是由一個(gè)導(dǎo)線和一個(gè)充滿絕緣介質(zhì)的圓筒組成的，絕緣穩(wěn)定可靠。

2.3 信號(hào)的同步方案

根據(jù)IEC60044規(guī)定，各個(gè)電子式互感器同步采樣有兩種實(shí)現(xiàn)方案，一種是同步脈沖法，另一種為插值同步法。

但是，同步脈沖法這種方式直接用于中/低壓系統(tǒng)，造成系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)較高。因此，本方案設(shè)計(jì)中省去了獨(dú)立的合并器，將合并器的功能置于保護(hù)裝置中，采用線性插值法實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號(hào)的自同步。

兩路信號(hào)分別進(jìn)行獨(dú)立的等間隔自由采樣，實(shí)際采樣點(diǎn)為圖中離散的黑點(diǎn)，而豎線時(shí)刻為保護(hù)算法所需的采樣時(shí)刻。

可見(jiàn)，實(shí)際采樣點(diǎn)并不是保護(hù)算法需要的點(diǎn)。為得到保護(hù)算法需要的點(diǎn)，只需將相鄰實(shí)際采樣點(diǎn)用直線連接，計(jì)算此直線與圖中豎線的交點(diǎn)，即為保護(hù)算法所需要的點(diǎn)。采用線性插值法進(jìn)行相關(guān)信號(hào)自同步，不需要增加額外硬件開(kāi)銷，降低了成本。只要實(shí)際采樣點(diǎn)足夠密，就可以將兩點(diǎn)間近似為直線，而不會(huì)引起很大誤差。用Mathlab進(jìn)行模擬計(jì)算，采用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)50Hz信號(hào)進(jìn)行128點(diǎn)采樣時(shí)，這種插值法的最大理論誤差小于千分之1.2；當(dāng)采用256點(diǎn)采樣時(shí)，這種插值法的最大理論誤差小于萬(wàn)分之三。本方案采用128點(diǎn)采樣，完全滿足系統(tǒng)的運(yùn)行的需求。

2.4 公用信號(hào)分路方案

針對(duì)象主變低壓側(cè)電流這類的公用信號(hào)（主變差動(dòng)保護(hù)和后備保護(hù)等多個(gè)保護(hù)裝置都需要，但主變低壓側(cè)電子式電流互感器只安裝一組）的情況，由于未設(shè)獨(dú)立的合并單元，本方案中采用了一個(gè)光電集線器解決。

光纖信號(hào)進(jìn)入光電集線器后，先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)以后就可以任意并出多路電氣信號(hào)，每路電氣信號(hào)分別進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，這樣，1路光纖信號(hào)就可扇出多路光纖信號(hào)，整個(gè)過(guò)程完全由硬件實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有延時(shí)。

在中壓系統(tǒng)中，多個(gè)裝置共用同一互感器信號(hào)的情況較少，所以采用光電集線器比設(shè)置獨(dú)立合并單元方案更簡(jiǎn)潔、性價(jià)比高。

2.5 智能匯控箱

為了最大限度的發(fā)揮光纖的優(yōu)勢(shì)，對(duì)開(kāi)關(guān)的控制輸出（分合閘）以及開(kāi)關(guān)的各個(gè)信號(hào)量輸入也采用光纖傳送。為此，設(shè)置了智能匯控箱。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的位置信號(hào)和控制信號(hào)就近接入智能匯控箱，智能匯控箱進(jìn)行智能化處理后通過(guò)光纖與主控室內(nèi)的保護(hù)裝置通訊。保護(hù)裝置的分合閘指令通過(guò)光纖送到智能匯控箱，智能匯控箱啟動(dòng)相應(yīng)繼電器動(dòng)作斷路器。斷路器的狀態(tài)信號(hào)由智能匯控箱采集，送到保護(hù)裝置。

3 應(yīng)用意義

3.1電子式互感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，絕緣處理容易，沒(méi)有傳統(tǒng)互感器開(kāi)路和短路及諧振的問(wèn)題。其自身功耗大概只有傳統(tǒng)互感器的1/20～1/30，又由于電子式互感器具有寬范圍測(cè)量特點(diǎn)，在變電站線路增容時(shí)，無(wú)需更換互感器。上述優(yōu)勢(shì)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)傳統(tǒng)互感器存在的諸多不足，其維護(hù)量也大大減少，操作人員的人身安全也進(jìn)一步得到保證。

3.2 以光纜通信代替了電纜信號(hào)傳輸，按傳統(tǒng)施工估算，平均一個(gè)變電站約需銅質(zhì)電纜一千米，造價(jià)約在三萬(wàn)元左右。采用光纖通信后可降低造價(jià)約兩萬(wàn)元，同時(shí)還節(jié)省一筆電纜施工費(fèi)用。

3.3 采用光纖傳輸方式后，變電站一次回路和二次回路實(shí)現(xiàn)了有效的隔離，長(zhǎng)期以來(lái)在變電站因電纜感應(yīng)，傳導(dǎo)的過(guò)流、過(guò)壓現(xiàn)象得以消除，設(shè)備的安全性得到進(jìn)一步提高。

3.4 數(shù)字化變電站在信息采集、傳輸、處理和輸出過(guò)程全部數(shù)字化，數(shù)據(jù)精度高、保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

光電數(shù)字化變電站的應(yīng)用，其意義不僅僅是在35kV變電站引進(jìn)了一種新技術(shù)，采用了一套新系統(tǒng)。更重要的是為農(nóng)網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行提供了更加良好的技術(shù)保障，綜合效益明顯，通過(guò)數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)，搭建了一個(gè)具有各種功能于一體的信息平臺(tái)，避免了重復(fù)投入，降低了設(shè)備的生命周期成本，大大提高了變電站的可靠性。

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