光纤数字变电站的应用

光纤数字变电站的应用1 引言国家电网公司在国家电网公司“十一五”科技发展规划中提出了提高电网运营管理控制水平的六个重点技术领域，其中电网自动化技术已经成为电力生产的重要支撑。 “十一五”期间，随着大量电厂和变电站投产、特高压电网初具规模，以及特大型交直流互联电网的形成，对电网的安全、稳定、经济运营提出了更高规定，需要研究和应用更加先进的变电站自动化技术，在数字化变电站技术研究方面实现突破。到“十一五”末，使得国网公司系统变电站自动化应用水平与电网的发展相适应，技术研究和应用水平达到国际先进。目前变电站内数字化技术的运用还存在着多种各样的局限性。一次电气设备和二次装置之间的信息交互还是依托强电控制、模拟信号传送和硬节点输入，开关场一次电气设备和二次装置之间需要敷设大量的二次电缆，无论是对电力设计、电建施工还是运营维护都存在很大的工作量。一次电气设备模拟信号和状态信号的数字化解决还是依托二次装置来完毕，这样就无法做到一次电气设备(高压系统)和二次设备(弱电系统)的电气隔离。既有的二次设备(无论是测控装置还是保护装置)支持不同的、多种各样的通信合同和传播介质，且越来越多的智能电子设备应用于变电站，互操作性问题日益突出。在这样的形势下，实现变电站内一次设备信息解决的光电数字化，并在此基本上按照IEC 61850原则建设数字化变电站，已经公觉得技术发展方向。2 发展趋势35kV光电数字化变电站系统，是面向农网按全新概念设计的变电站系统，是现代电子和光电技术相结合的产物，代表了当今变电站自动化发展的方向。这种全新系统的应用使变电站的施工更加简朴，安全性能大大提高，设备防浪涌、防雷电效果更加明显，数据采集传播更快捷精确。长期以来，国内电力系统始终沿用常规的电磁式电力互感器，为保护测控装置提供所需信号。其基本模式为：电磁式功率型互感器+二次信号电缆+测控保护装置。尽管随着电力电子技术、数字技术的迅速发展，变电站大量采用了微机测控保护装置，但为了配接老式的互感器，微机测控保护装置仍然需要在前级增长变换电路，将互感器的大电流、高电压信号，转换成小电流、低电压。由于老式互感器是以强电方式输出模拟信号，其信号传播依赖铺设大量电缆，保护测控装置也需要复杂的电缆连接。又由于常规互感器存在暂态特性差，易产生铁磁谐振，二次开路会产生高压等缺陷，对电网的安全可靠运营带来了不稳定因素。随着微机保护的推广，保护和测控设备已不再需要功率输出的互感器。近十年来，发达国家已在大力研发和应用新型的光纤接口的电子式互感器。例如ABB在其PASS(Plug & Switch System)系统，三菱公司在其MITS(Mitsubishi Information Techonlogy Switchgear)系统中都采用了光纤接口的电子式互感器，大大加强了系统的可靠性。这种集成了新型电子式互感器的智能化开关设备已在法国、德国、瑞典等国家投入运营。3 光纤变电站发呈现状目前国内许多电力公司、研究院所、制造厂家都在关注数字化变电站的发展，已经进行了数字化变电站的试点应用-据文献记录，已有近百个110KV及以上电压级别的数字化变电站或数字化间隔投运。国家电网公司制定的科技发展规划中明确提出了在重点技术领域中，“研究基于电子式电压，电流传感器的继电保护技术，研究电力电子设备对继电保护的影响及加强电力系统光电传感器技术研究，研制电力系统光电传感器”。4 研究方向数字化变电站是一种系统方案，技术上波及多种专业领域，在整体项目的实现上曾经先后讨论过多种方案。例如：采用就地保护方案。该方案的核心是将保护测控装置分别安装在不同间隔，但不能隔离一次系统故障对二次的影响：第二个是就地光化方案，该方案的核心是仍然采用老式互感器，把老式互感器的输出信号就地数字化、光化，然后用光纤送至主控室。该方案仍然没能挣脱老式互感器的缺陷。第三个是采用数字式光电互感器，通过光纤介质传播二次信号，采用数字接口的保护测控装置。5 光纤变电站的重要特点A.采用电压/电流组合式电子式互感器。B.不独立设立合并单元(MU)，而将合并单元置于保护测控装置内部。C.不设立同步采样时钟系统，各个互感器进行等间隔独立采样，有关电压、电流进行向量运算时采用插值法进行同步。D.采用智能汇控箱 + 老式开关方案，解决开关智能化。E.多种二次装置公用的信号，采用光转发器的方式扇出多路光信号。F.采用数字积分电度装置，作为考核计量。6 光纤变电站系统图光电数字化变电站系统的整体构造是按IEC61850的通讯体系来设计的，整个系统分为变电站层、间隔层和过程层。过程层的设备涉及带有光纤数字接口的电子式互感器和智能汇控箱，间隔层的设备涉及主变差动、后备及线路等各保护装置，变电站层的设备指通讯工作站，完毕整个变电站的通讯管理以及与调度的通讯。7 一次设备的选用7.1电子式互感器的选用电子式互感器按传感原理可分为无源全光型电子式互感器和有源型电子式互感器。无源全光型电子式互感器是基于纯光学原理的互感器，光学电流互感器运用法拉第的磁光效应测量电流，光学电压互感器运用Pockels光电效应测量电压。无源全光型互感器基于光学传感技术，其一次侧光学电流、电压传感器无需工作电源，具有较大的技术优势;但光学传感器的制作工艺复杂，稳定性及一致性不容易控制，制导致本很高，在中压系统中应用性价比不合适，一般用于高压系统中。综合考虑到技术的可实行性、最后产品的性价比，本方案中电子式互感器采用是有源型电子式互感器。有源型电子式电流互感器的电流传感元件目前常用的有两种：1采用新型高饱和电流精密电流互感器，2采用空心线圈(罗氏线圈)。其中罗氏线圈以其良好的频率响应、高的测量精确度和构造简朴、成本低廉等特性而成为首选。有源型电子式电压互感器的电压传感元件重要有三种：电容分压、电阻分压、感应分压构造。电阻分压构造的精度较高但绝缘是问题，感应分压构造的体积较大，综合考虑精度、绝缘、制作复杂性问题，本方案中选用电容分压的电子式电压互感器。7.2基于罗氏线圈构造的有源电子式CT的工作原理罗氏线圈的原理构造：将导线均匀地环绕在一种截面均匀的非磁性材料的骨架上，即可构成一种罗氏线圈，其原理如图：罗氏线圈的的输出电压e(t)与被测电流i(t)的时间导数成正比，将e(t)积分便可求得电流i(t)，e(t)经积分变换及A/D变换后，变成离散化的数字信号，编码后由LED转换为数字光信号经光缆输出。7.3电容分压构造的有源电子式PT的工作原理被测高压经电容分压器分压后变成弱电压信号，弱电压信号经A/D变换后，变成离散化的数字信号，编码后由LED转换为数字光信号经光缆输出。图中可见主绝缘电容C1事实上是由一种导线和一种布满绝缘介质的圆筒构成的，绝缘稳定可靠。7.4有源电子式互感器的供能方案有源型电子式互感器的电子元器件的供电电源大体上有三种方式即激光供电方式、线圈抽能方式和隔离供电方式。激光供电方式：完毕测量的电子线路在高压侧，数据通过光纤传送到二次侧，同步从二次侧将电能转换成光能经光纤送至一次侧，再由光电池把光能还原为电能供高压侧电子线路工作。此种方式长处是电源稳定，不受母线电流变化的影响，通过光纤实现解决高下压侧的绝缘问题，但这种方式造价高，比较合用于高电压级别的系统。线圈抽能方式：完毕测量的电子线路在高压侧，采用特制的线圈直接从高压线路上抽取电能，为光电器件供电。这种方式比较经济，局限性的是这种方式由于母线电流变化范畴非常大，为了保证一种稳定的电源输出，高压侧电子器件较多构造较复杂，并且在线路恢复送电的瞬间有一种电源建立时间，不能及时回传数据，影响保护动作时效性。隔离供电方式：完毕测量的电子线路在低压二次侧，直接从二次侧提供电源。鉴于中压系统中绝缘成本低、绝缘性能可靠，采用这种方式性价比最高。供电部分原理如下：如上图所示：交流电源是变电站上经UPS加隔离变压器后送出的纯净的正弦波，送到各个电子式互感器间隔后，一方面通过避雷器对高压浪涌进行滤除，然后经隔离变压器输入到滤波回路，通过上述两个环节后，一般的浪涌和共模干扰信号就已经被屏蔽，经高压滤波送到降压变压器的交流电为稳定电源，可以进行降压?整流?滤波?DC/DC解决后提供应A/D和E/O电路使用。这种供电方式充足解决了光电池成本过高和高压抽能不稳定的问题，在两端加入隔离变压器后可以完全隔离雷电浪涌的冲击，该方案性能价格比高，稳定可靠，适合于35kV电压级别的电子式互感器。7.5 参照原则电子式互感器的国际原则有IEC60044-8互感器 第8部分：电子式电流互感器和IEC60044-7互感器 第7部分：电子式电压互感器。8 信号同步方案根据IEC60044规定，各个电子式互感器同步采样有两种实现方案，一种是同步脉冲法，另一种为插值同步法。一般在高压系统中，间隔层需要设立独立的合并器，实既有关电信号的同步采集。合并器为各个独立的互感器提供同步采样脉冲，其她二次装置(保护、测控装置等)与合并器接口得到所需数据，与如下图：但是，将这种方式直接用于中/低压系统，导致系统复杂、造价较高。因此，本方案设计中省去了独立的合并器，将合并器的功能置于保护装置中，采用线性插值法实既有关信号的自同步，原理如下图：两路信号分别进行独立的等间隔自由采样，实际采样点为图中离散的黑点，而竖线时刻为保护算法所需的采样时刻。可见，实际采样点并不是保护算法需要的点。为得到保护算法需要的点，只需将相邻实际采样点用直线连接，计算此直线与图中竖线的交点，即为保护算法所需要的点。采用线性插值法进行有关信号自同步，不需要增长额外硬件开销，减少了成本。只要实际采样点足够密，就可以将两点间近似为直线，而不会引起很大误差。用Mathlab进行模拟计算，采用对原则50Hz信号进行128点采样时，这种插值法的最大理论误差不不小于千分之1.2;当采用256点采样时，这种插值法的最大理论误差不不小于万分之3。本方案采用128点采样，完全满足系统的运营的需求。采用高稳定晶体，各个电子式互感器分别进行各自的固定周期采样，采样成果立即以报文传送，并将采样启动时刻与报文第一种字节发出时刻的时间差作为报文内容一起传送。这个报文用光纤直接送入相应保护单元的报文解码电路。报文解码电路接受报文，同步用硬件方式纪录第一种字节的收届时刻。保护装置运用得到的采样数据实时计算电网目前频率，按自己的分频(目前是每周波32点)发出采样脉冲，解码电路根据此采样脉冲时刻，和相邻两个报文送届时刻，采用插值法算出采样脉冲时刻的信号估值。8.1公用信号分路方案针对象主变低压侧电流此类的公用信号(主变差动保护和后备保护等多种保护装置都需要，但主变低压侧电子式电流互感器只安装一组)的状况，由于未设独立的合并单元，本方案中采用了一种光电集线器解决。光纤信号进入光电集线器后，先进行光电转换，转换成电气信号后来就可以任意并出多路电气信号，每路电气信号分别进行电光转换，这样，1路光纤信号就可扇出多路光纤信号，整个过程完全由硬件实现，没有延时。在中压系统中，多种装置共用同一互感器信号的状况较少，因此采用光电集线器比设立独立合并单元方案更简洁、性价比高。光电集线器的工作原理如下图所示：9 技术特性 以光电数字信号替代老式变电站中模拟信号。 一套测控系统满足所有监控、保护信号输入规定。 测量精度高于老式方案的精度。 采用自同步技术，合并器装置和保护装置合一，减少顾客使用成本，提高可用性。 采用智能汇控箱，采集断路器开关量，执行分合闸操作，使保护装置与一次设备的的通信介质所有采用光纤。 所有通信介质采用光纤。 所有采用DSP数字信号解决器。10 总体性能指标与国内外同类先进技术的比较性能指标具有了国内外光电数字化系统的同等水平。而综合造价大幅度减少，减少顾客使用成本，提高可用性、有助于大面积推广应用。10.1从可靠性、安全性分析：10.1.1电子式互感器由于采用的电子式互感器无磁饱和现象，暂态特性好，避免了由于老式的电磁式互感器饱和问题而引起的保护误动、拒动问题，同步电子式互感器构造简洁，绝缘解决容易，没有老式互感器开路和短路及谐振的问题。其自身功耗大概只有老式互感器的1/201/30，又由于电子式互感器具有宽范畴测量特点，在变电站线路增容时，无需更换互感器, 同步避免了油和SF6互感器的渗漏问题，很大限度上减少了运营维护的工作量，不再受渗漏油的困扰，同步提高了安全性。尚有电子式互感器高下压部分光电隔离，使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路也许危及人身或设备等问题不复存在，大大提高了安全性。上述优势，解决了长期以来老式互感器存在的诸多局限性，其维护量也大大减少，操作人员的人身安全也进一步得到保证。10.1.2 光缆取代电缆常规的控制电缆被光缆替代，电磁兼容性得到提高。采用光纤传播方式后，变电站一次回路和二次回路实现了有效的隔离，长期以来在变电站因电缆感应，传导的过流、过压现象得以消除。从主线上解决抗干扰问题，不怕雷击、电磁场辐射、串扰，也没有二次回路两点接地的也许性。同步光缆替代电缆，避免了由于电缆端子接线松动、发热、开路和短路的危险，提高了变电站整体安全运营水平。10.1.3 接线简洁变化了老式变电站保护屏体的安装形式 ，重要接线由厂家生产时即可完毕，现场施工不到一天就能所有完毕，大大提高了施工进度，节省了人力、物力。数字化测控保护屏体比老式保护屏体可节省1/2的占地面积，解决了变电站主控室面积狭小的问题。10.1.4 保护动作精确可靠数字化变电站在信息采集、传播、解决和输出过程所有数字化，数据精度高、保护动作精确可靠。通过数字化的优势，搭建了一种具有多种功能于一体的信息平台，避免了反复投入，减少了设备的生命周期成本，大大提高了变电站的可靠性。同步设备自检功能也大大增强，光纤保护装置收不到数据会判断通讯故障或互感器故障而发出告警，既提高了运营的可靠性又减轻了运营人员的工作量。10.2 从经济角度分析：(1)采用光缆替代大量电缆，减少成本。用光缆取代二次电缆，简化了电缆沟、电缆层和电缆防火，保护、自动化调试的工作量减少，减少了运营维护成本。同步，缩短工程的施工周期，减少通道反复建设和投资。以光缆通信替代了电缆信号传播，按老式施工估算，平均一种变电站约需铜质电缆一千米，造价约在三万元左右。采用光纤通信后可减少造价约两万元，同步还节省一笔电缆施工费用。(2)实现信息共享，兼容性高，便于新增功能和扩展规模，减少变电站投资成本。(3)电子式互感器采用固体绝缘，无渗漏问题，减少了停运检修成本。(4)节省了大量的电缆等耗材，具有节能、环保、节省社会资源的多重功能。(5)采用智能汇控箱的方式实现了开关的智能化控制，进一步提高了自动化和管理水平，为状态检修发明了条件。设备在线监测，将大大提高设备的使用效率，缩短停电时间，带来良好的经济效益。