电子式互感器在数字化变电站的应用

1、电子式互感器在数字化变电站的应用李九虎 1, 郑玉平 1, 古世东 2, 须 雷 1(1. 南京南瑞继保电气有限公司 , 江苏省南京市 211100; 2. 北京电力公司 , 北京市 100031摘要 :电子式互感器和合并单元作为数字化变电站的重要组成部分 , 与传统互感器相比具有绝缘简单 、 动态范围宽 、 抗饱和性能强 、 占地面积小 、 实现数据输出等优点 。 文中介绍了有源和无源电子 式互感器的构成 , 对这 2种方式进行了比较 , 介绍了合并单元的功能及其应用 , 互感器配置和功能应用的实施建议 。关键词 :电子式互感器 ; 数字化变电站 ; 过程层 ; 中图分类号 :TM45; T

2、M764收稿日期 :2006210213; 修回日期 :2006212218。0 引言设备 、 IEC 61850通信协议基础 上分层构建 , 能够实现智能设备间信息共享和互操 作的现代化变电站 。 IEC 61850将数字化变电站分 为过程层 、 间隔层和站控层 3层 , 各层内部及各层之 间采用高速网络通信 。与常规变电站相比 , 数字化 变电站间隔层和站控层的设备及网络连接只是接口 和通信模型发生了变化 , 而过程层却要进行较大的 改变 , 由传统的电流 、 电压互感器 、 一次设备以及一 次设备与二次设备之间的电缆连接 , 逐步改变为电 子式互感器 、 智能化一次设备 、 合并单元 (

3、MU 、 光 纤连接等内容 , 过程层各设备之间的数据交换遵循 IEC 618502921/2或 IEC 6004428标准的要求 。由 于目前一次设备普遍不具备数据接口 , 所以本文主 要介绍电子式互感器和 MU 的内容以及实际工程 配置方案 。1 电子式互感器电子式互感器与传统互感器相比 , 具有绝缘简 单 、 体积小 、 重量轻 、 电流互感器动态范围宽 、 无磁饱 和 、 电压互感器无谐振现象 、 电流互感器二次输出可 以开路等优点 , 受到普遍关注 , 并逐步在工程中应 用 。 电子式互感器根据构成原理的不同 , 可分为有 源式和无源式 。 有源电子式互感器是指高压平台的 传感头部分

4、需要供电电源的电子式互感器 , 无源电 子式互感器是指高压平台的传感头部分不需要供电 电源的电子式互感器 。 1. 1 有源电子式互感器有源电子式互感器利用电磁感应等原理感应被 测信号 , 对于电流互感器采用 Rogowski 线圈 , 对于、 电容或电感分压等方式 。有 源电子式互感器的高压平台传感头部分具有需电源 供电的电子电路 , 在一次平台上完成模拟量的数值 采样 (即远端模块 , 利用光纤传输将数字信号传送 到二次的保护 、 测控和计量系统 。有源电子式互感器又可分为封闭式气体绝缘组 合电器 (GIS 式和独立式 , GIS 式电子式互感器一 般为电流 、 电压组合式 , 其采集模块

5、安装在 GIS 的 接地外壳上 , 由于绝缘由 GIS 解决 , 远端采集模块 在地电位上 , 可直接采用变电站 220V/110V 直流 电源供电 。 独立式电子式互感器的采集单元安装在 绝缘瓷柱上 , 因绝缘要求 , 采集单元的供电电源有激 光 、 小电流互感器 、 分压器 、 光电池供电等多种方式 , 实际工程应用一般采取激光供电 , 或激光与小电流 互感器协同配合供电 , 即线路有流时由小电流互感 器供电 , 无流时由激光供电 。对于独立式电子式互 感器 , 为了降低成本 、 减少占地面积 , 一般采用组合 式 , 即将电流互感器 、 电压互感器安装在同一个复合 绝缘子上 , 远端模块

6、同时采集电流 、 电压信号 , 可合 用电源供电回路 。 1. 2 无源电子式互感器无源电子式互感器又称为光学互感器 。 无源电 子式电流互感器利用法拉第 (Faraday 磁光效应感 应被测信号 , 传感头部分分为块状玻璃和全光纤 2种方式 1。 无源电子式电压互感器利用 Pockels 电光效应或基于逆压电效应或电致仲缩效应感应被 测信号 , 现在研究的光学电压互感器大多是基于 Pockels 效应 2。 无源电子式互感器传感头部分不 需要复杂的供电装置 , 整个系统的线性度比较好 。 无源电子式互感器利用光纤传输一次电流 、 电压的 传感信号 , 至主控室或保护小室进行调制和解调 3,

7、输出数字信号至 MU , 供保护 、 测控 、 计量使用 。无源电子式互感器的传感头部分是较复杂的光49第 31卷 第 7期2007年 4月 10日 Vol. 31 No. 7Apr. 10, 2007学系统 , 容易受到多种环境因素的影响 , 例如温度 、 震动等 , 影响其实用化的进程 4。目前仅加拿大 Nxt Phase 公司推出了无源电子式电流 、 电压互感 器 , 电流互感器测量精度为 0. 2S 级 , 保护精度为 5P 级 , 电压互感器测量精度为 0. 2级 , 保护精度为 3P 级 , 能满足测量和保护的要求 。国内无源电子式互 感器尚未达到工程实用化的程度 。1. 3 有源

8、 、 无源电子式互感器的比较有源电子式互感器的关键技术在于电源供电技 术 、 远端电子模块的可靠性 、 采集单元的可维护性 。 基于传统互感器的运行经验 , 可不考虑 Rogowski 线圈和分压器 (电阻 、 电容或电感 故障的 维护 。 GIS 式电子式互感器直接接入变电站直流电源 , 不 需要额外供电 ,接地壳上 。 这种方式抗干扰能力强 , , 其使 用寿命远不如安装在主控室或保护小室的保护测控 装置 , 还需要积累实际工程经验 ; 另外 , 当电源或远 端模块发生异常 、 需要维护或更换时 , 需要一次系统 停电处理 。无源式电子式互感器的关键技术在于光学传感 材料的稳定性 、 传感

9、头的组装技术 、 微弱信号调制解 调 、 温度对精度的影响 、 震动对精度的影响 、 长期运 行的稳定性 。 但由于无源电子式互感器的电子电路 部分均安装在主控室或保护小室 , 运行条件优越 , 更 换维护方便 。有源或无源电子式互感器的应用 , 均大大降低 了占地面积 , 减少了传统互感器的二次电缆连线 , 是 互感器的发展方向 。无源电子式互感器可靠性高 、 维护方便 , 是独立安装的互感器的理想解决方案 。2 MUMU 作为电子式互感器 、 智能化一次设备 、 传统 互感器与智能化二次保护 、 测控和计量设备的中间 连接环节 , 其主要功能是接收一次设备的信号 5, 并 对采样的数据进行

10、汇总 , 根据二次接入设备的要求 , 输出相同或不同的数值和开关信号 , 同时可接收二 次设备的命令输出信号至智能化一次设备 6。 2. 1 接入信号MU 接入信号包括电子式互感器输出的数字采 样值 、 智能化一次设备的开关信号 、 传统互感器的模 拟信号等 。 当未在一个电压等级全部配置电子式互 感器 、 变压器各侧未同时配置电子式互感器时 , 可在 MU 同时接入数字信号和模拟信号 , 仅同步后输出 至母线保护或变压器保护 。当然 , 如需积累 MU 同 步 、 通信可靠性的运行经验 , 也可将所有的传统互感 器的模拟量接入 MU , 由 MU 输出数字信号给母线 保护或变压器保护 。2.

11、 2 数据同步MU 需接入多个电子式互感器或传统互感器的 信号 , 必须考虑各接入量的采样同步问题 , 以满足二 次设备的要求 , 例如 :三相电流 、 电压采样必须同步 ; 对于变压器保护 , 各侧的模拟量采样必须同步 ; 对于 母线保护 , 所有支路的电流量采集必须同步 ; 对于两 侧都是电子式互感器的线路保护 , 线路两侧的模拟 量采集必须同步 。采样同步的方法有 2种 : 依靠 全球定位系统 (GPS , 即全站及相邻站 GPS 秒脉冲信号来 , 经 MU 汇 , 这种方法的同 GPS 秒脉冲的精度及完整性 , GPS 秒 脉冲的丢失可能直接影响同步的精度 ; 采用角度 调整的插值法

12、, 这种方法不依赖于 GPS 信号而完成 采样数据的同步 , 较前一种方法有更高的可靠性 。 在实际工程中可同时使用上述 2种方法 , 即当有 GPS 秒脉冲信号且完整时 , 可达到很高的同步精 度 , 误差在 ns 级 ; 当 GPS 脉冲丢失时 , 同步精度略 低 , 误差在 s 级 , 仍可满足保护和计量的精度要求 。 2. 3 MU 与二次设备的连接MU 与二次设备之间一般通过光纤相连 , 按照 IEC 618502921/2或 IEC 6004428的 协 议 进 行 通 信 7。当 采 用 IEC 6004428协 议 通 信 时 , 采 用 Manchester 编 码 , 传

13、输 速 度 为 2. 5Mbit/s 或 10Mbit/s , 只 能 实 现 点 对 点 通 信 ; 当 采 用 IEC 618502921/2协议通信时 , 采用以太网接口 , 传输速 度为 10Mbit/s 或 100Mbit/s , 可实现点对点或网 络方式通信 , 保护装置对实时性要求较高的采用点 对点通信 , 测控 、 计量等实时性要求不高的采用网络 通信 。 在点对点通信方式中 , 采用 Manchester 编码 要比以太网简单得多 , 不仅硬件配置简单 , 软件编码 也很简单 , 在一片容量很小的现场可编程门阵列 (FP GA 中就能完成 , 而以太网方式其硬件接口和 软件驱

14、动都很复杂 。 在工程应用中可根据需要进行 选择 。2. 4 智能操作箱功能当 MU 与 保 护 、 测 控 设 备 之 间 按 照 IEC 618502922的协议进行双向通信时 , 可以在 MU 实现 智能操作箱的功能 。实际工程中 , 对于同一个断路 器会有多套保护装置 (例如线路保护 、 母线保护 、 断 路器保护 、 测控装置 向其发跳闸或合闸命令 , 传统 的做法是将各保护装置的命令通过继电器输出接点 进行并联 , 接至开关的跳合闸线圈 。采用 MU 后 , 各保护装置不仅可以通过以太网接口 , 按照 IEC 618502922的协议接收 MU 的模拟量数值信号 , 同 59 工程

15、应用 李九虎 , 等 电子式互感器在数字化变电站的应用时也可以将保护逻辑的计算结果通过以太网输送到 MU , 由 MU 统一控制一次开关 , 即完成智能操作箱 的功能 。 由于 MU 实现了智能操作箱的功能 , 各保 护装置也可以通过 MU 获知其他相关保护装置的 动作行为 , 原来需要通过硬接点交换的信息 , 例如母 线保护动作启动外部停信或远跳 、 线路保护装置跳 闸启动重合闸 (保护和重合闸分开配置时 、 保护跳 闸启动开关失灵 、 间隔层的相互闭锁信息等 , 可以由 网络或 MU 内部实现 。这种方式可以大大减少保 护装置 、 测控装置之间的连线 , 降低人工接线出错的 可能性 。 当

16、然 , 简化装置之间连线后 , 需要考虑设备 之间联调开关量变化的要求 。3 工程实现3. 1 总体要求求按需逐步实现缘 、 饱和 , 所 以在低电压等级实施没有经济价值 , 但随着电压等 级的提高 , 其性价比将相应提高 。为了积累工程运 行经验 , 首先在 110kV 系统实施最具可行性 , 因为 110kV 系统接线较为简单 , 且保护装置不需要双重 化配置 , 所以电子式互感器和 MU 除主要采集模块 采用冗余配置外 , 其他可以不考虑双重化配置 。对 于 220kV 及以上系统 , 电子式互感器和 MU 需要 考虑冗余配置 , 对双重化的 2套保护 , 需考虑在电子 电路上完成独立的

17、 2套系统 , 任何一套系统异常不 会影响另外一套系统的正常运行 , 而且每套系统的 模拟量采集部分还需冗余配置 , 并在所有通信模块 加强通信数据的检测 , 防止无效数据导致保护装置 的误动或拒动 。对于计量设备 , 由于电子式互感器的电流线圈 和电压分压均考虑计量的要求 , 其采样范围独立于 继电保护的采样回路 , 数据输出满足计量 0. 2S 级的 要求 , 可 以 直 接 接 入 具 有 光 纤 接 口 、 满 足 IEC 6004428或 IEC 618502921/2通信协议的专用计量仪 表 。 为了节省成本 , 且电子式互感器不会出现维护 人员窃电情况 , 一般计量设备不需配置独

18、立的 MU , 直接从共用的 MU 引入信号 。在功能上 ,MU 可以首先实现数据汇总分发功 能 , 考虑 到各 装置的 实时 性要 求 , 分 别 采 用 IEC 6004428或 IEC 618502921/2的通信协议 , 长期考验 2种协议方式在电子式互感器 、 MU 和智能二次设 备之间数据交换和数据处理的可靠性 。 积累一定运 行经验且掌握了设备之间数据交换的试验方法后 , 逐步实现智能操作箱功能 , 最终改变现有一次 、 二次 设备之间电缆连线的方式 , 取而代之的是光纤网络 方式 。 3. 2 配置方案以双母线为例 , 电子式互感器和 MU 推荐按以 下 2种方案配置 。方案

19、1:参照传统互感器的配置方案 , 见图 1 。 图 1 电子式互感器 、 MU 的配置方案 1Fig. 1 Conf iguration 1of electronic instrument transformers and merging units组合式电流电压电子式互感器 (ECV T 内置 2个相互独立的空心线圈以满足双重化的要求 , ECV T 和电子式电压互感器 (EV T 均内置 2个独 立的远端模块 。 ECV T 配置在开关的外侧 。对于 有双重化要求的 220kV 系统 , 每个互感器配置 2组 相互独立的 MU , 分别与远端模块相连 ; 对于没有双 重化要求的 110kV

20、 系统 , 每个互感器只需配置 1个 MU 。 为了满足线路保护重合闸 、 母线保护电压闭 锁等应用 , 双母线配置 2个 EV T 。 2个 MU (MU7, MU8 同时接收 2个 EV T 的信号 , 再与其他 MU (MU1,MU2,MU5,MU6 进行数据整合后送到不 同的具有光纤接口的保护装置 8, 由保护装置根据 各自的状态选取电压 。 对于线路保护 、 测控装置 、 计69 2007, 31(7 量设备等只需本间隔的数据 , 从单个 MU 就能得到所有数据 ; 对于变压器保护 , 除了接入本间隔 MU 的数据 , 还需接入中 、 低压侧的模拟或数字信号 ; 对 于母差保护 ,

21、则需接入双母线所有支路 MU 的数据 (电压只需从其中任一个 MU 获得 , 这就要求母差 保护装置具有多个光纤接口 , 满足实际工程中支路 较多的要求 , 并具有采样同步的功能 , 或将各支路 MU 的数据再接入一个 MU , 由该 MU 完成采样同 步后将数据发送至母差保护 。 该方案由于每个间隔 的保护均需使用母线电压 , 则母线电压互感器及其 MU 的可靠性关系到整个电压等级的设备的可靠 性 , 所以推荐该方案应用在母线出线不多的场合 。方案 2:与方案 1相比 , 取消了母线的电压互感 器 , 而在开关的两侧均配置 ECV T (见图 2 。图 2 电子式互感器 、 MU 的配置方案

22、 2Fig. 2 Conf iguration 2of electronic instrumenttransformers and merging units对于 GIS 开关 , 在电子式互感器中集成电流互 感器和电压互感器与单独的电子 式电流 互感 器(EC T 、 EV T 相比 , 成本并不会增加很多 ; 对于独立 式开关 , 在 EV T 上集成 EC T 成本增加不多 , 在 ECT 上集成 EV T 成本增加较多 , 因此 , 对于独立式 开关母线侧可配置一相 ECV T 、 两相 ECT , 以节省成本 。 该方案每个间隔内的保护 、 测控和计量设备 仅需接入本间隔 MU 的信

23、息 , 本间隔的异常不会影 响其他间隔 , 可靠性更高 , 但与方案 1相比 , 一次投 入成本偏高 。4 结语, 在绝缘 、 动态 、 110kV 系统 T12252型 220kV GIS 用 ECV T , 在安徽铜陵 供电公司 220kV 周冲变电站成功投入试运行 , 至 今运行良好 。 作为数字化变电站的发展方向 , 电子 式互感器在不断积累运行经验后 , 将会在电力系统 中推广应用 。由于智能一次设备的监测和控制接口方面尚不 具备工程应用的条件 , 目前正在进行直接与一次设 备接口的智能操作箱的研究 。 随着数字化变电站的 不断发展 , 智能一次设备与网络二次设备之间将逐 步取消电缆

24、连接 , 而是通过光纤传递数字信号 , 这大 大简化了现场的接线 , 减少了现场施工的工作量 , 并 且对二次设备的电磁兼容能力要求大大降低 。参 考 文 献1王政平 , 康崇 , 张雪原 , 等 . 光学电流互感器的问题与解决对策 .传感器技术 ,2005,24(5 :527.WAN G Zhengping ,KAN GChong ,ZHAN GXueyuan.Problems and strategies of elect ronic current transformers. Journal of Transducer Technology , 2005, 24(5 :527.2程云国

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27、pplicationresearch of phase compensation in electronic photoelectric integrated current/voltage transformer. Automation of Electric Power Systems , 2004, 26(24 :40244.79 工程应用 李九虎 , 等 电子式互感器在数字化变电站的应用5黄智宇 , 段雄英 , 张可畏 , 等 . 电子式高压互感器数字接口的设计 及实现 . 电力系统自动化 ,2005,29(11 :87290.HUAN G Zhiyu , DUAN Xiongying

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29、od for implementing t he synchronization of merging unit according to t he IEC 61850standard. Automation of Elect ric Power Systems , 2004, 28(11 :57261.7李萌 , 李红斌 , 冯凯 , 等 . 基于嵌入式以太网的电子式互感器数字 输出口 . 电力系统自动化 ,2004,28(13 :93296.L I Meng , L I Hongbin , FEN G Kai. Digital output for electronic instrumen

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31、ower Systems , 2004, 28(23 :65270.李九虎 (1971 , 男 , 硕士 , 高级工程师 , 主要研究方向 为电力系统自动化及数字化变电站的应用 。 E 2mail :lijh nari 2relays. com郑玉平 (1964 , 男 , 博士 , 高级工程师 , 主要研究方向 。古世东 ( , , 主要从事电网自动化Application of in Digital Substation1H G 1, GU S hi dong 2, X U L ei 1NARI 2relays Electric Co Ltd , Nanjing 211100, China

32、 (2. Beijing Electric Power Company , Beijing 100031, China Abstract :Electronic instrument transformers and merging units are important components of a digital substation. Compared with conventional instrument transformers , electronic instrument transformers have many advantages such as simplified

33、 insulation structure , wide dynamic range , excellent transient characteristic , reductions in size and weight , and digital output etc. The structures and characteristics of an active electronic transformer and a passive electronic transformer , and the f unction and application of a merging unit

34、are introduced. A new opinion of how to dispose electronic transformers and merging units in a digital substation is put forward.K ey w ords :electronic instrument transformer ; digital substation ; process level ; merging unit(上接第 84页 continued f rom page 84王保义 (1964 , 男 , 教授 , 主要研究方向为电力系统自 动化和信息系统

35、安全 。 E 2mail :wangbaoyi 126. com王蓝婧 (1982 , 女 , 硕士研究生 , 主要研究方向为 Web 服务安全 。 E 2mail :wanglanjing0218126. comDesign of Attribute 2based Access Control Model for Pow er Information SystemsW A N G B aoy i , W A N G L anj ing(North China Electric Power University , Baoding 071003, China Abstract :The power information system constitutes a comple