智能变电站技术案例p99页PPT

1、华北电力大学电气与电子工程学院 肖仕武 教5楼B309,North China Electric Power University,智能变电站技术案例,智能化变电站概述-定义 智能变电站技术导则给出的定义：采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动化控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站,智能变电站派生于智能电网 智能变电站技术导则是智能变电站建设的纲领性技术指导文件，是总的指导性原则。是其它智能变电站技术标准规范的基础,智能变电

2、站与传统的变电站的差异,1)智能变电站系统应是一种面向服务的架构 (SOA) (2)建立起以设备为对象的分布式智能节点。实现既分布又协同的信息共享机制。 (3)从业务需求出发,把技术问题、经济问题、管理问题统筹考虑。实现能量流、信息流、业务流一体化。 (4)通过智能电子装置（IED） 整合有价值的能量流、信息流。突出标准化规范化,强调功能性和互操作性,提供模型统一、规约统一、时标统一、来源唯一的高品质基础信息。 (5)智能变电站作为智能电网的基础环节，将统一和简化变电站的数据源，形成基于同一断面的唯一性、一致性基础信息，以统一标准方式实现变电站内外的信息交互和信息共享，形成纵向贯通、横向互通的

3、电网信息支撑平台，并提供以此为基础的多种业务应用。(尤其要强调,智能变电站与传统的变电站的差异,6)采用更加高速(快速以太网)和更加经济的技术手段,传输变电站内外信息,包括与变电站,相关电源,负荷及线路的信息。掌握整个电网的状态。 (7)将高级调度中心的部分功能下放到智能变电站实现。智能变电站系统管理好站内网络数据的同时可以根据运行需求，以更高的频率来储存数据,实现基于实时数据仓库的数据挖掘，完成智能电网所要求的高级分析和优化功能。 (8)智能变电站(Smart Substation )建设需要采用先进的理念重新设计新建变电站,也需要采用先进的技术改造现有变电站，以便远程监测临界和非临界运营数

4、据。分析和处理大量实时数据。将断路器、变压器、变电站的环境因素等数据进行综合分析,并与相临变电站互通信息,变电站自动化作为智能电网高级输电运行的首要技术组成单元，正面临实现智能化的发展要求。智能变电站以设备全智能化和测控全智能为基础，具有变电设备的智能监控、供电安全的在线预警、薄弱环节的自动识别等功能。随着我国在智能变电站核心技术研究、关键设备研制等领域取得重大突破，全国正在大规模进行智能变电站的建设,1.1 研究背景及研究意义,国网第一个500千伏智能化升级改造试点变电站 金华500千伏芝堰变现场,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,我国的电力事业是从新中国成立以后才开始慢慢发展起来

5、的。 六十年代：ll0kV 变电站从开始逐渐走入普通的地级市，当时国内绝大部分城市还辅以35kV 变电站构成高压输电网络。由于当时负荷水平低，电力建设投资少，城市电网结构简单,上个世纪七八十年代 的35kV变电站,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,进入八十年代以来，我国经济进入前所未有的高速发展阶段。经济建设对电力事业提出更高要求的同时也促进了电力事业的发展。这段时期建设的ll0kV 变电站ll0kV 电气设备多采用常规设备户外敞开式布置；变电站主接线较为复杂，例如为单母线分段带旁路；电气设备为多油或少油设备；主变容量大多选择3l. 5MVA 或40MVA。这种模式的变电站占地面积大

6、，设备繁多，设备安全可靠性较低，日常维护工作量大,1985年 500千伏郑州变电站开工建设,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,进入九十年代中期，供电紧张的情况得到好转，电网设计和建设越来越强调供电可靠性。人们开始把注意力转向性能好、质量高、检修周期长或多年不需检修等特点的电气设备。实施“ 四遥”功能，实现变电站无人值班已成为可能,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,这段时期，ll0kV 电气设备出现了GIS 设备。 GIS设备（气体（G）绝缘（I）开关（S）指SF6 气体全封闭组合电器装置,它把断路器、隔离开关、接地开关、电压及电流互感器、母线、避雷器等元件，按电气主接线的要

7、求，依次连接，组合成一整体，并且全部封闭于接地的钢或铝的金属外壳中，壳体内充以SF6 气体，作为绝缘和灭弧介质,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,电气布置形式也出现了全户内布置、半户内布置等形式，区别主要在于主变压器的布置方式。 户内型布置的变电站设备布置紧凑，因而不如户外布置通风散热效果好，一旦发生火灾时，波及面较大。 半户内布置方式，就是除主变压器以外的全部配电装置集中布置在一幢主厂房不同楼层的电气布置方式，布置方式结合了全户内布置变电站节约占地面积，与周围环境协调美观，设备运行条件好和户外布置变电站工程造价低廉的优点,二次设备系统也有简单的“四遥”系统和变电站综合自动化系统。由

8、于采用了先进可靠的设备，这段时期建设的ll0kV 变电站主接线较为简洁，除主变外ll0kV 电气设备多采用户内布置的形式，主变容量多为40MVA 或50MVA，开关设备为无油设备，变电站具备无人值班的功能。这些变电站占地面积小，自动化程度高，日常维护工作量小，安全可靠性高,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,随着调度自动化技术的实用性的深入开展和设备本身的技术水平的提高，变电站从传统变电站到实现“二遥”功能，再到实现“ 四遥”功能、实现变电站无人值班，到今天的综合自动化系统变电站，走过了一段发展历史,我国ll0kV 无人值班变电站和变电站综合自动化系统是从80年代末开始讨论、研制与开发

9、的。90年代开始，不少城市和地区将变电站实现无人值班作为“ 创一流企业”的条件，要求在新建l10kV及以上变电站时，按无人值班方式设计,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,我国的变电站综合自动化技术起步相对较晚，1987年清华大学机电工程系开发的自动化系统研制成功并正式投入运行后，我国变电站的综合自动化技术终于进入了蓬勃的发展时期，按照不同系统结构模式的出现顺序，可划分为以下三个阶段： （1）面向功能设计的集中式RTU加常规保护模式阶段：是以RTU为基础的远程制动和当地监控为标志的，系统被称为集中RTU模式，或远方RTU式自动化系统，其实质是在传统继电保护与二次接线的基础上，增加RTU

10、以实现遥测、遥信、遥控及遥调的。四遥”功能，特点是通过较多的硬接点接入或串行口通信与机电保护装置、安全自动装置相连接，是较为初级的自动化阶段,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,2）面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式阶段：分布式结构的特点是按功能设计的机电保护装置、安全自动装置与测控装置独立运行，通过通信管理单元将各自的信息送到后台，以串行方式及网络技术进行数据的实时交换。单元式微机保护及按功能设计的分散式微机测控装置因其具有实时性、稳定性和高处理能力，在现代变电站，特别是中、低压变电站中得到了广泛的应用。缺点是仍需较多的电缆互联，限制了系统的扩展性。 （3）面向间隔、面向对象

11、(ObjectOriented)设计的分层分布式结构模式阶段：此系统采取分层分布的系统结构，以间隔为对象设计和划分保护测控单元，形成了真正意义上的分层分布式自动化系统。目前，此类系统已经成为发展的主流,1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史,继电保护技术发展历程总的来说可以概括为4个阶段、2次飞跃。 4个阶段是电磁型(整流型)、晶体管型、集成电路型、微机型。 第1次飞跃是有电磁型到晶体管型； 第2次飞跃是有集成电路型到微机型，主要体现在保护由模拟式向数字式转变、保护装置智能化和信息化,机电式继电保护,晶体管继电保护,集成电路继电保护,微机继电保护,50年代,60年代,80年代,90年代,1

12、.3 国内外研究现状,在现今阶段，智能化的一次设备(如光纤传感器、智能化开关等)、网络化的二次设备、符合IEC61850标准的通信网络和自动化的运行管理系统，是智能变电站最主要的技术特征,国内数字化变电站相关产品研发情况汇总（2010.3,1.3 国内外研究现状,在互感器方面，针对传统电磁式互感器饱和及铁磁谐振等问题的缺陷，电子式互感器逐渐受到国内外的广泛关注，电子式互感器分为有源与无源两种，从电子式互感器发展的趋势来看，数字互感器以其简单、可靠等特色引领该产品处于主导地位,左图为电磁式互感器,右图为电子式互感器,1.3 国内外研究现状,智能化开关的发展趋势是用微电子、计算机技术和新型传感器建

13、立新的断路器二次系统，开发具有智能化操作功能的断路器。其主要特点是由电力电子技术、智能控制装置组成执行单元，代替常规、机械结构的辅助开关和辅助继电器,随着光纤通讯技术、网络技术的飞速发展及其在变电站自动化系统中的不断深入应用，加上电力系统规模的扩大和自动化水平的提高，用数字通讯手段传递电量信号，用光纤作为传输介质取代传统的金属电缆，构成网络通信的二次系统是智能变电站的必然选择。智能变电站系统网络化的二次设备架构采用三层网络结构：站控层、间隔层、过程层,1.3 国内外研究现状,1.3 国内外研究现状,我国智能变电站技术很多，有些已成熟，有些还在研究阶段，有的还处于概念阶段。如： 1)一次设备智能

14、化的实践：目前已有应用，如淮北桓潭110 kV智能变电站。 2)二次功能网络化的实践：目前已有工程应用，如洛阳金谷园110 kV数字化变电站。 3)设备状态检修的实践；智能一次设备状态检修的实践；继电保护二次设备状态检修的实践，目前正在开展研究。 4)站内智能高级应用方案研究：智能告警及分析决策经济运行与优化控制等，正在研究阶段。 5)分布协同智能控制与智能保护研究：目前正在研究阶段。 6)主变压器应用新型光栅式温度在线监控系统：目前正在研究阶段。 7)GIS组合电气应用SF6压力、微水在线监测系统,2.智能变电站的继电保护新技术,2.1新型电子式互感器,1.电子式互感器开发应用的原因： （1

15、）开关设备的集成化和智能化要求互感器体积小、质量轻，输出实现数字化。 （2）发电厂和变电所综合自动化的广泛应用，要求互感器输出实现数字化，甚至直接接入过程总线实现网络化. （3）微电子技术的广泛用于测量和保护等，使得二次设备功耗很小，一般不超过12VA甚至为毫伏安级，对互感器的输出容量要求大大降低，但二次设备的低电平对抗干扰提出了严峻要求。 （4）数字技术和光通信技术的快速发展，使互感器输出信号可方便的变成数字信号，并通过光纤输出，彻底解决了高压设备的绝缘问题和电磁干扰问题,2.1新型电子式互感器,2.电子式互感器如何组成 电子式互感器包括连接传输系统和二次变换器的一个或多个电流和电压传感器，

16、并将被测量按比例送给测量仪器、仪表和保护、控制装置。互感器的输出既可能是模拟量也可能是数字量。对模拟量输出的互感器，其二次变化器可直接供给二次设备使用；对数字输出的互感器，则可用一个汇接单元将多个二次变化器汇集输出至二次设备。在实际应用中，电子式电流互感器（简称ECT）和电子式电压互感器(EVT)往往组成一个装置,35kV ECT实物,35kV EVT实物,2.1新型电子式互感器,3.电子式互感器的类型 （1）最主要的一类是倍受人们关注的基于磁光效应的互感器，如采用法拉第效应的光电流互感器（NXCT）、采用泡克尔斯效应的光电压互感器（NXVT）和集电流和电压于一身的光电流电压互感器（NXCVT

17、），该互感器由于处于高电位的部分不需要电源，因此也称为无源电子式互感器。 优点：直接用光进行信息的变化和传输，与高压电路完全隔离，具有不受电磁干扰，不饱和、测量范围大、有效频带宽，暂态相应和运行性能良好、体积小、质量轻及便于数字传输,110kV三相共箱GIS型光学电子式电流电压互感器,2.1新型电子式互感器,2）带铁芯的低功率电流互感器或利用罗戈夫斯基线圈的输出正比于电流导数原理的无铁芯的空心线圈电流互感器，以及由电阻分压（电容分压）或阻容分压实现的电压互感器，由于它们与常规互感器比较接近，因此也称为半常规互感器。他们处于高电位的传感器需要电源，故亦称为有源电子式互感器。 优点：体积小、质量轻

18、、暂态响应和运行性能良好、可靠性高，可以直接以模拟量形式输出到就近的开关装置。也可以用这种传感器进行信息测量，用光纤技术进行信息传送，大大简化互感器的绝缘结构，以便高压电网应用,2.1新型电子式互感器,4.电子式互感器与传统互感器相比，其优越性： 适用范围涵盖了电磁式互感器的所有应用场合，尤其是超高压如750kv电网及对精度和暂态特性要求高的场合，体积小、重量轻，节省运输和安装成本及时间，适合在紧凑的变电站或需要改造但空间有限的改建工程中使用，且220kv的NXCT与传统SF6TA价格相差无几，500kv甚至低于传统价格，具有很高的经济效应，同时适应电力数字化和自动化的发展趋势,2.1新型电子

19、式互感器,2.1新型电子式互感器,5.光电传感器的缺点,以光电式电流互感器（简称为MOCT）为例子 （1）无源型光电式电流互感器存在以下问题： a双折射效应影响。使检偏器的输出光强度变化不与被测电流成正比，影响灵敏度和测量精度。 b干扰问题。因采用磁光效应原理，易受导体周围磁场的影响而产生干扰问题，造成测量误差。 c温度影响。MOCT的重要部件是法拉第晶体，其特性随温度的变化而变化，会给测量系统带来一定的误差。 d振动问题。当测量的光学系统受到电路的开关动作、环境或人为干扰时，就会产生振动,2.1新型电子式互感器,2.1新型电子式互感器,2）有源型光电式电流互感器（又称电子式光纤电流互感器）存

20、在以下问题： a.高电位侧传感头的电源供应问题。由于传感头完全采用电子线路，而它的电源供应是通过光电池等OE转换器件得到的。如果传感头电子线路消耗能量过大则要求能量提供单元提供更高的能量输出，这将使整个系统的结构复杂化。因此，应该尽量减小电子线路的功率消耗，以有限的能量实现较为完整的功能。 b.电磁兼容问题。由于传感头安装在高压输电线路附近，电流流过母线将会引起空间强大的电磁辐射。这些辐射将对传感头电子线路产生比较强的电磁干扰，影响系统的可靠性和稳定性。因此，对传感头采用适当的抗干扰措施和电磁屏蔽方法也是非常必要的,2.1新型电子式互感器,6.电子式互感器的结构 IEC60044-8提出了电子

21、式互感器的结构如图所示，包括一次传感器和变换器、传输系统、二次变换器和汇接单元，图中所有的单元并不都是必须的，如光电传感器即不需要一次电源,2.1新型电子式互感器,7.电子式互感器与二次设备的连接：电子式互感器的数字输出一般是经汇接单元将多个互感器的采样量汇集并变换为数字量串行输出，一般通过一个串行、单方向、多落点、点对点链路送至二次设备。一个汇接单元最多可输入7个电流互感器（3个保护用ECT、3个测量用ECT和1个中性点ECT）和5个电压互感器（3个保护/测量用EVT、1个母线EVT和一个中性点EVT）的采样量，一般供给测量仪表和继电保护的数字量分别输出,2.1新型电子式互感器,8.光电式电

22、流/电压互感器的分类,光电式电流/电压互感器,敞开瓷柱式光电电流/电压互感器设备,组合电器光电式电流/电压互感器原件,金属封闭SF6绝缘组合电器光电式电流/电压互感器元件,敞开式空气绝缘组合电气光电电流互感器元件,2.1新型电子式互感器,1）敞开瓷柱式光电电流/电压互感器设备是带外绝缘瓷（或复合）套管的独立式电气设备，外形和常规敞开电磁式电流/电压互感器相似，光电元件安装在瓷（或复合）套管内部，用光纤电缆连接到位于设备底部的二次接线端子箱内，如NX系列光电压/电流传感器 （2）组合电器光电式电流/电压互感器元件与组合电器配套使用，是组合电器中完成TA与TV功能的一个部件，而不是一个完整的高压电

23、气设备，它在绝缘结构外形尺寸、以及质量等方面都和常规敞开瓷柱式高压光电电流/电压互感器有很大的区别，并满足体积小、质量轻的要求，且随着高压和超高压组合电器在国外的快速发展，随着组合电器的变化而有不同的形式，是组合电器制造的关键技术之一,2.1新型电子式互感器,9.光电流传感器NXCT的原理： 光电流传感器NXCT是利用磁光效应中的法拉第效应即反映偏振光状态与磁场关系的原理，也就是当一束直线偏振光穿过透明光介质时，若在沿光波传播方向加一外磁场，则其偏振面将发生偏移,2.1新型电子式互感器,根据法拉第效应，其偏转角为 =V HdL V维而德常数，由介质和光波的波长决定，表征介 质的磁光特性，它与磁

24、光材料的种类、入射光波长、环境温度有关，是材料、温度和波长的函数； H磁场强度； L光路径长度。 如此将单模光纤在输电线上绕一定的匝数，就能利用光纤本身的磁光性能构成电流（磁场）传感器,2.1新型电子式互感器,当一次电流i1（t）流过电流线圈时，在其周围产生磁场强度H和i1（t）成正比的磁场，此时通过磁光晶体的线偏振光的在磁场H的作用下将发生偏转，并产生于磁场强度成正比的磁转角,2.1新型电子式互感器,根据法拉第效应，其偏转角为 =V i1（t）N N单模光纤缠绕的匝数。 实际应用中，由于目前尚无精确测量线偏振光偏转角的检测装置，因此通常是将线偏振光旋转角的变化转化为光强度P的变化，通过测量输

25、出光强度来反映一次电流i1（t）的大小。如将透光轴的夹角设定为45，则输出线偏振光的强度P可表达为 P=P0cos245- V i1（t）N P0输入线偏振光的强度；P输出线偏振光的强度； V磁光晶体维尔德常数；N一次线圈匝数； i1（t） 一次电流,2.1新型电子式互感器,10.光电压传感器NXVT的原理,某些透明的光学介质（也称压电晶体）在没有外加电场作用时是各向同性的，但如果在外加电场下，晶体将变为各向异性的双轴晶体，从而导致其折射率和通过晶体的偏振光特性发生变化，产生双折射，使一束光变为两束相位不同（因两束光的传播速度不同）的直线偏振光。这种描述电场对透明晶体影响的电光效应，成为泡克尔

26、斯效应,2.1新型电子式互感器,从外加电压与光线的方向来说，一般有横向调制型和纵向调制型两种，横向调制型的外加电场方向与通光方向垂直，纵向调制性的外加电场方向与同光方向平行。 NXVT采用横向调制型，它通过与X、Y两轴成45的线性偏振光（经起偏器后得来）入射并通过石英晶体后形成两个基本的模式光成对出现，石英的压电特性，即光线在离开没有场强存在的石英晶体时，由于在X、Y两个偏振面上的光以相同的速度传播，因此从X、Y两轴所形成的平面上看偏振光是圆的，而有场强存在时，由于光在晶体中X、Y两轴传播的速度不同，在离开石英晶体时发生双折射偏振成为椭圆。 因此将泡克尔斯元件置于互相正交的偏光镜和检偏镜之间，

27、由于入射到泡克尔斯元件上的直线偏振光在外加电压下变为椭圆偏振光，通过元件出来的光，透过检偏镜，如此偏振光通过一定厚度并具有固定电场的晶体后，即会在电场的作用下使两束光产生相位差,2.1新型电子式互感器,这样一个高精度的，线性表示的电场就能从两束光的相位差或椭圆的变数测量中被得到。 双折射后两束光的相位差与外加电压U有如下关系,光波长度；n0晶体的折射率； l晶体通光方向的长度；d晶体的厚度； 41晶体的电光系数； U晶体的半波电压（由普克尔斯效应引起的双折射两光束产生相位差所需外加电压,2.1新型电子式互感器,11.光电传感器的技术特性,2.1新型电子式互感器,13.光电传感器的运行性能 由于

28、没有绝缘油和纸等介质，采用硅树脂橡胶覆盖聚合绝缘柱，使得维护简单，且免除了带电清洗的麻烦。同样因没有运行部件从而在运行电压下也就没有电磁谐振和在发生严重故障时存在内部机构危及人员或附近设备安全的问题，也不会产生太大的有功损耗；当然由于采用光导设计，因此也不用担心二次开路时的感应电压问题。 光电传感器在设计上也考虑了与传统互感器和传统测量仪表与保护设备的配合问题。如光电传感器的高能模拟量输出，NXCT与传统电压互感器的配合等,2.1新型电子式互感器,14.光电传感器的安装 与传统的互感器比较，光电传感器尺寸小，质量轻，没有油或SF6,因此避免了传统互感器安装和运行中所遇到的很多问题。光电传感器即

29、可安装在高聚合绝缘柱的架座上，也可用绝缘子悬吊安装在母线上，然后用光纤引接到地面。其轻型合成绝缘柱可以降低运输成本、减小对变电站承受强度和安装设备的要求，同时这种轻型设计也可以安装在地震活动地区，使其安装降低成本且非常容易。 其安装主要是光传感柱和电流电压光电转换器及他们之间的连接光缆，光传感柱一般安装在变电站的支撑支架上，对NXCT用户也可选用母线型的直接悬挂安装于母线上；电流电压光电转换器则安装在控制室的屏柜内，然后由光缆将光传感柱与控制室中的电子设备连接,2.1新型电子式互感器,初始定位完成后，用户就可校验每一个光电回路，然后向高压母线充电，最终对全部系统的运行进行校验。设备的各项功能由

30、软件实现，调试和整定由用户通过人机接口用键盘和显示器即可很容易的完成,2.1新型电子式互感器,15.罗戈夫斯基（独立式空心）线圈的原理 罗戈夫斯基线圈的工作原理是空心线圈的二次绕组绕在非磁性骨架上，非磁性材料使这种传感器线性度极好，不会饱和也无磁滞现象，因此空心线圈具有良好的稳定性能和暂态响应，并为高压电网继电保护设备所广泛采用,对于空心线圈，由安培定理表明，在负荷为高阻抗Z时，线圈的输出电压是穿过线圈的一次电流Ip（t）的函数。 （1）对于任意形状截面圆环空心线圈，输出电压近似公式为,2.1新型电子式互感器,2）对于矩形截面的圆环空心线圈，输出电压的公式为,0真空导磁率，4 10-7VS/(

31、Am)； N匝密度，匝/m；A单匝截面，m2； 2ra外径，m；2ri内径，m； h高度，m；Nw空心环的匝数； e（t）低负荷Rb时空心线圈的输出电压，V。 设,则空心线圈的输出电压为 （稳态正弦电流下,2.1新型电子式互感器,16.罗戈夫斯基光电流互感器的原理 罗戈夫斯基光电流互感器和常规电磁式TA不同之处是它采用罗戈夫斯基线圈，没有铁芯，相当于空芯线圈，一次侧主导体中流过一次电流i1，二次线圈与负载电阻相连接。罗戈夫斯基线圈的工作原理见下图,2.1新型电子式互感器,二次电流i2与一次电流i1的导数成正比，其表达式为,式中，i1（t）为一次电流，I2（t）为二次电流；N为二次线圈匝数；A为

32、线圈每一匝的截面积； 0为空气磁导率；r为二次线圈等效半径；R为二次负载电阻,由于二次负载电阻R取值很大，因此，罗戈夫斯基线圈二次侧的输出值即为负载电阻二端的电压u，其表达式为,2.1新型电子式互感器,17.罗戈夫斯基光电流互感器元件的特点 （1）二次输出不是常规电磁式TA中电流为5A或1A的电流量，而是几伏的电压量。 （2）二次输出电压与一次电流对时间的导数成正比，即和频率有关，并随着频率的变化而变化，因此，其输出必须进行积分运算，随着微机技术的高速发展，进行积分运算的电子器件体积可以做的非常小，这为应用于组合电器中的光电电流互感器元件的生产实现产业化提供了广阔的前景。 （3）二次输出电压与

33、线圈每一匝的截面积成正比，与线圈等效半径成反比，即其输出和线圈的几何尺寸有关，由于环境温度的变化会影响线圈的几何尺寸，因此，温度补偿技术是保证这种光电电流互感器准确等级的关键,2.1新型电子式互感器,18.罗戈夫斯基光电流互感器元件存在的问题 （1）罗戈夫斯基线圈在人工绕制和多层绕制过程中会引人额外误差。 （2）线圈骨架材料的温度特性对线圈的输出也有很大的影响,2.1新型电子式互感器,19.阻容分压器原理的光电压互感器元件的特点 （1）二次输出不是常规电磁式TV的100V强电压量，而是几伏的弱电压量 （2）二次输出电压与一次电压对时间的导数成正比，和光电电流互感器元件相同，必须依靠大功率、高速

34、度的电子器件进行积分运算。 （3）由于二次输出电压与电容环的几何尺寸密切相关，因此温度补偿技术也是决定其准确等级的关键。 （4）二次输出按IEC 600447规定，有模拟量输出（保护级为2V，测量级4V）和数字量输出2种输出方式,2.1新型电子式互感器,20.分压式电压互感器的原理 分压式电压传感器是与常规电压互感器类似的半常规互感器，包括电阻分压、电容分压或阻容分压等多种方式，它由分压器得到一个小电压信号，直接输出或转换为数字信号后输出至二次设备。原理和应用如下： （1）电阻分压器。分压后得到的小电压与被测高电压呈比例关系，直接输出即可以。由于技术成熟、体积小、造价低、可同时满足测量和保护需

35、要、进行电缆或开关设备试验时不必然、断开隔离（因此不会铁磁谐振）。故广泛用用于中压开关设备。可与电流传感器组成复合传感器,2.1新型电子式互感器,2）阻容分压器。分压后在电阻上得到的小电压是被测高电压的微分，要求得到被测电压需要对小信号进行积分。阻容分压器广泛用于高压GIS设备。如使用以导电杆为轴的圆柱形测量极。电容C为,式中D、d测量极、导电杆的直径； b测量极长度； 0、r真空、绝缘气体的导电率。 SF6气体电容器是非常稳定的，故得到广泛应用,2.1新型电子式互感器,上图为阻容分压器电路测量极对地电容为CE，其中包括电缆电容。固体和液体介质对于温度变化和长期运行都不是很稳定的。解决的办法是

36、在此电容上并联一个稳定的电阻R，R值足够小使电压输出不受CE的影响。R和C构成阻容分压器，输出电压如下式,式中，u1高电压值,2.2智能开关技术的应用,1.智能开关的定义 智能设备是单片机, 传感器和电力电子开关的结合, 在电力系统中应用智能开关技术, 不仅可以提高电力系统设备的使用寿命,而且能够提高电力系统的稳定性,同时能够一定程度的节约电能。正因为智能开关具有明显的优势, 所以在电力系统中应用智能开关技术具有广阔的前景。 相对于传统开关其具备的特点：（1）高性能和高可靠性；（2）免维护；（3）硬件软件化；（4）具备在线监测和自诊断功能；（5）提供网络化运动接口；（6）功能自适应等,智能开关

37、柜,2.2智能开关技术的应用,2.智能开关的结构组成,1）单片机作为中央控制单元, 在预先编制好的指令(即软件程序)的驱动下,控制整个硬件电路工作,完成系统各项功能。具有当地无线通讯口, 能对下位机进行控制; 同时也具备远程数据接口。 （2）键盘用于修改和设定定值, 电压上下限、电流上限值等; （3）LCD 用于显示定值及各种运行状态。 单片机获得电压、电流、相角值后进行分析计算出功率因数、三相不平衡参数等,判断是否正常。并通过周期值和设定值,控制开关的闭合与关断,2.2智能开关技术的应用,2.应用智能开关技术的必要性 随着国民经济的发展和人民物质生活水平的不断提高,对电力需求越来越大, 电网

38、也在不断扩大, 用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高。 为了满足用户的需求, 各大电力设备的制造厂家运用先进的智能配电技术,相继推出了智能化的开关柜以及相应的配电系统。智能化成套开关设备使整个变电站的保护、控制、监控集中起来, 同时也为变电站广域监测和断路系统奠定了基础。作为供电设备的基本控制与保护电器, 应能够保障在控制、保护对象的任何工作状态下可靠工作, 其发展水平很大程度上影响着变电综合自动化、配电网络自动化系统的提高,2.2智能开关技术的应用,3.智能开关技术的现状 目前国内外还没有真正意义上的智能开关。国内目前进行的数字化变电站项目，开关的数字化实现大多是通过二次设备来转化实现，一

39、般采用数字操作箱的模式。这种数字化变电站普遍没有对开关内部的二次回路进行集成化改造，智能数字操作箱与开关整合度较低。 适用于智能化变电站的智能开关，其控制装置必须就地安装于开关汇控柜内。开关本体取消了开关内部二次回路，仅提供跳合闸接口、闭锁触点、开关辅助触点，由控制装置实现开关跳合闸闭锁、防止跳跃、强制跳闸、就地操作等功能。同时控制装置还必须承担开关大量数字量和模拟量测量的任务,2.2智能开关技术的应用,4.智能开关的功能 （1）智能感知 开关电器的智能感知模块包含对电网的电压、电流信号的感知。电网电压、电流信号中蕴涵着丰富的诸如电流/电压幅值、相位等信息。在不同的短路电流条件（如近区故障、端

40、子短路故障、切空载长线等）下，智能感知模块都能通过电压/电流信号区分并判断，通过执行模块控制开关电器动作，从而安全、可靠地完成操作过程,2.2智能开关技术的应用,2)智能判断与执行 开关电器的智能判断与执行功能的实现，建立在智能感知的基础之上。通过智能感知获得暂态恢复电压特性曲线， 并与开关电器触头动作相配合，可实现开关电器的智能操作，从而实现开关电器操作过程的高可靠性、低操作过电压,高压开关电器智能操作原理框图,上图为高压开关电器智能操作原理框图，其中的操动机构可为永磁或斥力操动机构,2.2智能开关技术的应用,左图为斥力机构原理图。斥力机构线圈通电后，斥力盘因涡流斥力快速动作实现开关电器的操

41、作。通过对流过斥力机构线圈的电流进行智能调控，可以实现不同的开关电器动作特性，从而实现智能操作,2.2智能开关技术的应用,低压电器智能操作的实现可通过永磁操作机构和斥力分闸操作机构实现。上图为斥力分闸永磁操作机构工作原理图。串联线圈和静铁心构成U 型螺线管，根据永久磁铁和螺线管线圈的相互作用原理，分闸时向螺线管线圈通反向电流，螺线管和永久磁铁因磁极同性在一定条件下而产生出电磁斥力。通过对电磁斥力的调控，可达到提高触头分闸速度、降低触头材料损耗的目的；在分闸末期时，工作气隙达到最大，电磁力降到最低，机械碰撞强度也达到最小，从而提高了操作机构的可靠性,2.2智能开关技术的应用,3）状态监测与寿命评

42、估 智能开关电器要能实时监测并评估设备本身的运行状态、劣化趋势、寿命等信息。智能开关电器的状态监测与寿命评估包括状态感知、故障诊断、寿命评估3 个层次,A.状态感知功能。 可实现智能开关电器各种状态信息的现场提取，如断路器位置信息，动触头行程曲线、分合闸振动、脱扣回路、储能回路等机械状态信息，支柱绝缘子等绝缘部件的绝缘状态信息（局部放电、交流泄漏电流等），载流部件的温度状态、环境状态信息等。右图为开关电器中的支柱绝缘子交流泄漏电流信息感知模块。该模块包括交流泄漏电流信号提取、隔离、I/V 转换、信号调理,2.2智能开关技术的应用,B.故障诊断功能。可实现对开关电器当前运行状态是否健康的判断。根

43、据实际需求，可以采用简单的阈值判断，例如母线温升是否超标的判断；也可以采用人工智能与数据库相结合的方法实现复杂运行参数的识别，比如机械状态的综合识别（可识别出故障类型）。 C.寿命评估功能。可实现开关电器将来一段时间内运行状态是否健康的预判。参照各种状态参数对开关电器寿命的影响研究结果，对不同特征参量的故障诊断与寿命评估方法设定其置信度，研究多参量（局部放电、触头侵蚀、触头行程、脱扣回路、气体参数等） 综合诊断的开关电器寿命评估方法及理论。综合各种诊断方法（包括在线及离线测量方法）的有效性评估结果，考虑整体经济性及可靠性等因素，结合数据库技术、专家系统等技术，获得最优的开关电器寿命评估专家系统

44、,2.2智能开关技术的应用,开关电器智能故障诊断与寿命评估结构框图,2.2智能开关技术的应用,5.智能开关的优点 （1）在不同斜率电压增量启动时电动机能得到预设定的初始转矩。在加速期间，输出给电动机的电压是无须递增的，当智能开关的控制器检测到电动机已达到额定转速时，输出电压自动切换为全电压。 （2）智能开关的保护系统不仅能提供过载保护，而且可提供各种操作故障状态下的保护，如输入输出缺相、电动机堵转、可控硅短路及失压过压或短路智能开关的保护系统不仅能提供过载保护，而且可提供各种操作故障状态下的保护，如输入输出缺相、电动机堵转、可控硅短路及失压过压或短路等。 （3）智能开关技术应用于电动机的启动，

45、能使电动机平稳启动或停机，使机械和电应力降至最小，同时可以提供各种故障保护，减少对传动元件的机械冲击，提高设备利用率、生产率，降低成本,2.2智能开关技术的应用,6.智能开关现阶段存在的问题 （1）智能开关的功能一体化程度较低 每个状态监测的监测量都配有一个独立的智能电子装置，如SF6气体检测、局部放电监测、断路器操作机构机械特性监测都有独立的IED(智能电子设备，Intelligent Electronic Device)，最后再汇入开关设备主IED，通过IEC61850规约上传至远方监控主机。为数众多的IED不仅造成设备的重复配置，浪费大量资源，增加智能开关设备的投资，同时大量的电子元件布

46、置于就地智能柜内也使得就地智能柜的体积增大，智能柜内的发热严重，严重影响设备的安全稳定运行,2.2智能开关技术的应用,2）SF6微水状态监测设置问题 目前关于开关设备是否装设SF6微水状态监测存在两种不同的意见，一方面，开关制造公司认为现在开关设备的制造工艺水平相比以前有了很大的提高，开关设备的密封性较好，SF6泄露的几率极低，而微水传感器的价格虚高，SF6微水监测的必要性较小。另一方面，运行单位认为开关设备SF6气室内微水对开关设备的危害严重，通过离线式露点仪进行定期检测的工作量较大，应装设SF6微水状态监测设备。 （3）随设备智能化水平的提高，大量的电子元件下放到就地智能柜内，而就地智能柜

47、通常采用户外露天布置，外界温度、湿度、日照、雨水等大气环境对电子元件的正常稳定工作的影响较大，同时由于靠近高压开关设备本地安装，开关设备运行时，特别是在开关操作时的电磁干扰强度较大，如何保护就地布置的智能柜的可靠性，是亟待解决的问题,2.2智能开关技术的应用,7.智能开关在配电网络自动化中的应用实例 (1)基于智能开关设备的配电网线路故障处理,该方案采用简单实用的故障处理方法, 可实现对线路相间短路故障特别是单相接地故障区域定位、故障区域隔离和非故障区域恢复供电。该线路自动化方案采用两种类型带测控单元的智能开关设备, 一种用于主干线路, 一种用于分支线路。这两种智能开关设备采用不同的故障处理方

48、式, 但其目的都是实现切除及隔离单相接地及相间短路故障。其主干线路分段开关的组成原理如下图所示,测试单元,ZPD,ZPS1,ZPS2,2.2智能开关技术的应用,2) 10kV 柱上开关无线控制系统 在现阶段, 传统的10 kV 配网设备存在以下不足: 首先10kV 柱上开关的操作都是工作人员登杆近距离操作, 对操作人员存在不安全隐患, 并且受气候、环境等因素的影响; 其次是个别线路线损居高不下, 窃电现象严重, 而且具有较高的隐蔽性, 给查找窃电带来很大困难, 没有实时数据为依据, 具有很大的盲目性, 需要检查人员常常在后半夜蹲点守候; 而且柱上开关FTU 的电池因得不到充放电, 在线路停电的

49、情况下不能保证工作电源及操作电源; 光纤通信遭外力破坏修复比较困难; 配电线路迁改比较频繁, 通信光缆、双绞线难以配合需要,10 kV 柱上开关无线控制系统，一方面可以不受地理环境的限制, 无需投入大量的通信资金; 另一方面能通过现有的10 kV 柱上开关(SF6、真空开关)的内置CT 进行电流实时采集、监控。数据采集、判别的模块加装在现有柱上开关操作机构内, 采用射频模块或GSM网络进行数据通信。 优点：该系统运行稳定可靠、抗干扰能力强、电量计量准确, 能实时准确地采集存储电力系统的主要参数并能根据设置的报警阀值发送短消息、实现了遥控、遥信、遥测、实时监测开关和变压器电源的状态,2.2智能开

50、关技术的应用,2.2智能开关技术的应用,8.智能开关应用展望 随着智能电网的大力发展，促进相关技术的发展进步，智能设备的技术水平进步必将突飞猛进，智能设备解决方案将逐步向方案二，即一次设备加上内嵌的包含状态检测单元的智能组件，再加上外置的一个或多个智能组件的方案发展。结合国外厂商经验以及国内生产运行需求，就智能开关设备而言，重点需要关注的状态检测内容涵盖速度、时间特性、分合闸线圈电流波形、SF6 气体状态、泄漏电流以及贮能机构状态（压、力、电动机等）。 随着技术不断进步，在不远的将来，将最终实现智能设备解决方案三，即一次设备加上内嵌的智能组件，完成包括测量、控制、状态监测、计量和保护等全部功能

51、,2.3智能变电站系统网络化的二次设备架构,1.IEC 61850的定义和必要性 在变电站自动化系统集成过程中面临的最大障碍是不同厂家的IED（智能电子设备，Intelligent Electronic Device），甚至同一厂家不同型号的IED 所采用的通信协议和用户界面的不相同，因而难以实现无缝集成和互操作。因为需要额外的硬件（如规约转换器）和软件来实现IED 互联，还要对用户进行培训，这在很大程度上削弱了变电站实现自动化的优点和意义。 为此，国际因此变电站自动化系统在实现功能之外，还应具备互操作性、可扩展性和高可靠性等性能。 （1）互操作性，即同一厂家或不同厂家的多个 IED要具有交换

52、信息并使用这些信息进行协同操作的能力。设备的互操作性可以最大限度地保护用户原来的软硬件投资，实现不同厂家产品集成,2.3智能变电站系统网络化的二次设备架构,电工委员会（IEC）制定了变电站内通信网络和系统标准体系IEC 61850。 它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的IED 实现互操作和系统无缝集成提供了途径,2）可扩展性，这就要求系统在设计时，软件系统和硬件系统都尽可能采用模块化设计方法，方便未来的系统扩展，同时要求通信接口标准化，系统具有开放性。 （3）高可靠性，系统应具有冗余结构，特别是作为系统数据通道的通信系统和人机界面的监控主站应具有

53、互相独立的冗余配置。在故障情况下，冗余的通信系统和监控主站应该可以在系统不停止工作的情况下进行热切换，以保证系统执行相应的保护和自动控制任务,2.3智能变电站系统网络化的二次设备架构,2. IEC 61850 标准的主要内容 在 20 世纪90 年代初，欧洲和美国同时开展了这方面的研究工作，并制定了相应标准。为了避免两个标准冲突，在IEEE 和IEC 的共同协调下，IEC 决定以UCA 2.0 数据模型和服务为基础，将UCA 的研究结果纳入IEC 标准，建立世界范围的统一标准IEC 61850，并于1999 年3 月提出了委员会草案版本。 IEC 61850 标准草案主要围绕以下4 个方面展开

54、： （1）功能建模从变电站自动化通信系统的通信性能（PICOM）要求出发，定义了变电站自动化系统的功能模型（Part 5）。 （2）数据建模采用面向对象的方法，定义了基于客户机/服务器结构的数据模型（Part 7-3/4,Part 8,IEC 61850标准草案包括的系列文档,3）通信协议定义了数据访问机制（通信服务）和向通信协议栈的映射，如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS（IEC 61850-8-1）。在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3 标准的过程总线（IEC 61850-9-

55、2）（Part 7-2，Part 8/9）。 （4）变电站自动化系统工程和一致性测试定义了基于XML（Extensible Make up Language）的结构化语言（Part 6），描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED 结构化数据。为了验证互操作性，Part10 描述了IEC 61850 标准一致性测试,2.3智能变电站系统网络化的二次设备架构,2.3智能变电站系统网络化的二次设备架构,3. IEC 61850 标准的主要特点 （1）信息分层,2.3智能变电站系统网络化的二次设备架构,变电站通信网络和系统协议 IEC 61850 标准草案提出了变电站内信息分层的概念，无论从逻辑概念上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分为3 个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口所示,79,79,方案一闻堰变整体配置方案图,80,80,闻堰220kV变电站合并单元(MU)配置图,82,常规变电站网络结构图,智能变电站网络结构图,84,常规变电站和智能变电站的优缺点比较,虹桥智能化改造,86,以国家电