电子式互感器及其在智能变电站中的应用

1、电子式互感器及其在智能变电站中的应用田韶昱i,洪鹏1,罗四倍2,贺智涛$(1.伊川县电业局，河南洛阳471300; 2.河南科技大学车辆与动力工程学院，河南洛阳471003)electronic transformer and its application in smart substationtian shao-yu1, hong yuan1, luo si-bei2, he zhi-tao2(1. yichuan power supply company, luoyang 471300. china;2. school of vehicle & motive power engi

2、neering, henan university of science & technology, luoyang 471003, china)abstract: electronic transformer is one of the key technologies of smart substation. the types and basic principles of electronic transformer are summarized the schemes that electronic tninsformers interface to protection,

3、measurement and control devices through merging units are emphatically introduced the application characteristics of electronic transformer in smart substation are studied, and an engineering application instance is demonstratedkey words: smart substation; electronic transformer; merging unit; proce

4、ss level; iec 61850摘要：电子式互感器是智能变电站的关键技术之一。阐述了 电子式互感器的分类和基本原理，重点介绍了作为过程层的 电子式互感器通过合并单元与作为间隔层的二次保护测控 设备互联的方案，研究r电子式互感器在智能变电站屮的应 用特点，并给出了工程应用实例。关键词：智能变电站；电子式互感器；合并单元；过程层； iec 618500引言变电站自动化技术的发展是一个不断深化的 数字化过程。近年来，随着电子式互感器技术的逐 渐成熟，智能开关设备的出现，同时为了保证设备 z间的互操作，真正实现信息共享和系统无缝集 成,国际电工委员会iec制定了 iec 61850标准。 这些新

5、技术的应用给传统变电站带来全面的数字 化革新，智能变电站应运而生，成为未来变电站技 术的发展方向。我国近期相继建成投产了四川110rv北川智 能变电站、青需220kv午山智能变电站等7座智能 变电站，实现了从数字化变电站到智能变电站的重 大突破。电子式互感器成功应用于这些智能变电 站，使电压、电流等电气量的采集实现了数字化， 为全站统一的信息采集、传输、分析、处理平台的 建立提供了基础。本文在概述电子式互感器的分类 和基本原理的基础上，重点介绍了作为过程层的电 子式互感器与作为间隔层的二次保护测控设备之 间的互联方案。1电子式互感器根据iec制定的关于电子式电压互感器(evt, electro

6、nic voltage transformer )的标准 iec 60044-72)和电子式电流互感器(ect, electronic current transformer)的标准 iec 60044-8，所有 的有别于传统的电磁式电流、电压互感器的新型互 感器都可称为电子式互感器。按一次传感器的工作 方式，即互感器的高压侧是否需要供电电源，电子 式互感器可划分为有源型和无源型两种。有源电子式互感器的电流检测原理包括低功 耗铁芯线圈(lpct)和罗氏线圈(rogowski coil)。 lpct多用在测量级，往往采用传统的电流互感器 铁芯线圈结构，只是二次负荷较小，用一标准电阻 进行电流电压

7、转换，以输出电压信号的模式釆集、 处理和传输电流量。罗氏线圈多用于保护级，它 是空心线圈结构，经积分电路，以电压量反映一次 电流暈。有源电子式互感器的电压检测原理包括电 容分压、电阻分压和电感分压等，然后在低电压下 进行数据釆集与处理。有源电子式电流互感器的原 理示意图如图1所示。rogowskittm高压侧光纤低压侧光源 二次处理系统图1有源电子式电流互感器原理示意图fig. 1 schematic diagram of active electronic currenttransformer有源电子式互感器的最大特点是高压侧的电子 元器件(即采集模块)需要由电源供电才能工作一一 在高压侧完

8、成模拟量的采样。因此，供电技术成为 有源电子式互感器的一项关键技术，目前可行的技 术方案主要有：小ta从母线取电、高压电容分压器 供电、激光供能和蓄电池供能等。为保证供电的可 靠性，也有同时采用两种供电方式，例如，正常情 况下通过小ta从母线取电的方式供电，在线路投运 之前和故障状态下使用激光器作为辅助电源供电。釆集模块由电子元器件组成且长期运行在室外 的高电压环境，工作环境温度变化大、电磁干扰强, 给元器件的寿命和工作稳定性带来严重挑战，这也 是有源电子式互感器必须解决的问题。无源电子式互感器又称光学互感器，其传感头 部分不需要供电电源。无源电子式电流互感器多釆 用法拉第磁光效应：光束通过磁

9、场作用下的晶体产 生旋转，测量光线旋转角度来量测电流。根据传感 元件的不同，无源电子式电流互感器又可分为两类: 一类是全光纤式，传光部分、传感部分都采用光纤, 光纤本身就是传感元件；另一类是混合式，传感部 分采用磁光玻璃，光纤只起传输光信号的作用。目 前，全光纤电流互感器是纯光学互感器的主流发展 方向。无源电子式电压互感器多采用普克尔电光效 应，利用电光晶体的普克尔效应测量电场强度來量 测导线的对地电压。无源磁光玻璃型电子式电流互 感器的原理示意图如图2所示。图2无源磁光玻璃型电子式电流互感器原理示意图fig. 2 schematic diagram of passive electronic

10、 currenttransformer(type: magneto optical glass)无源电子式互感器高压侧不需要电源供电，可 靠性相对较高，结构简单，维护方便，无器件寿命 问题，但它也存在光学传感材料的稳定性、温度和 振动对测量精度的影响以及长期运行的稳定性等 问题。总体來看，与传统的电磁式互感器相比，电子 式互感器具有如下优点： 不含铁芯，解决了 ct 饱和、铁磁谐振等问题；动态范i韦i大，测暈精 度高；频率响应范围宽，可达到1mhz：采 用光纤传输二次信号，实现高、低压间彻底的电气 隔离，低压侧无开路高压的危险； 干式浇注绝 缘，没有因充油而导致易燃、易爆等危险；体 积小，重量

11、轻； 提供采样值数字量输出，以光 缆代替常规的电缆，节约了大量资源，简化了现场 接线，使变电站自动化系统的可靠性得到进一步提 高，并减少了变电站建设用地。目前国内电子式互感器的主要生产厂家有南 京新宁、西安华伟、南瑞继保、西安同维、北京许 继、国电南瑞和广州伟饪等。其中，南京新宁、西 安华伟和南瑞继保主推罗氏线圈互感器；西安同 维、北京许继生产磁光玻璃型电子式互感器；国电 南瑞、广州伟饪提供光纤电子式互感器。不同类型 的电子式互感器在最近儿年的数字化变电站和智 能变电站示范工程中都有应用。综合來看，现在技 术较成熟、运行经验较多的是有源电子式互感器。2电子式互感器接入智能变电站的方案变电站通信

12、网络和系统的国际标准iec 61850 将变电站自动化系统的功能划分为3个功能层一一 变电站层、间隔层和过程层。电子式互感器位于过 程层，向位于间隔层的二次保护测控设备提供周期 性采样值数据。同时，iec 60044-8和iec 61850规 范了一种联系电子式电流/电压互感器和保护测控 装置的关键物理设备一一合并单元。合并单元是对来自电子式互感器的电流和/或 电压采样值数据进行时间相关组合的物理单元。合 并单元接入了多个电子式互感器分散采样并用数 字量输出的信号，因此它需要完成电子式互感器同 步采样的功能。电子式互感器同步采样是指在不同 的釆样地点同时开始釆样，使不同互感器采样点的 采样结果

13、在时间上具有同步性。采样同步的方法 主要有2种：秒脉冲信号同步采样；角度调 整的插值法。上述2种方法可结合使用，以达到较 高的精度和可靠性。合并单元可以是互感器的一个 组件，也可以是一个分立单元，安装在控制室内， 目前的应用多为分立单元形式。合并单元为变电站过程层数据的共享和集成 应用提供了解决方案，也是智能变电站的重要组成 部分2。电子式互感器、合并单元和二次保护测 控设备之间的连接关系如图3所示。进行标准化的地方，以满足电力系统互操作性的要 求。例如，西安同维的磁光玻璃型无源电子式电流 互感器（ect）与国电南瑞的合并单元（mu）之 间采用以下数据通信方式冈：物理链路：釆用1对2根850

14、u m多模光纤， 物理接头方式为fc接头，其中1根由mu至ect, 发送同步采样脉冲，另1根由ect至mu,发送 ect数据。物理层：采用异步数据流（不采用manchester 码），遵从uart方式进行通信，釆用典型的11 位（1个起始位、8位数据、1个奇偶校验位和1个 停止位，起始位为0,停止位为1）。空位是二进 制1,两帧z间应传输填充空位bit。链路层帧格式：起始符（2字节）+数据（4字 节）+状态（1字节）+帧校验（1字节）,合计8 字节。帧校验采用简单crc奇校验和。合并单元与二次保护测控设备之间的采样值 传输与传感器特性无关，采用通用的国际标准，即 iec61850-9-1 （与

15、iec60044-8相一致的单向多路点 对点串行通信链路）和iec61850-9-2 （基于以太网 的过程总线）。图3电子式互感器、合并单元和二次保护测控设备的连接fig. 3 connections among electric transformer, merging unit and protection & bay controller电子式互感器与合并单元之间的采样值数字 信号传输依赖于传感器特性，采用专用光纤通信链路，没有统一的公用通信标准，是以各厂家约定的 私有通信协议来进行的。这也是电子式互感器需要目前应用较广的是iec61850-9-1,它通过独立 的点对点链路单向传

16、输采样值，采样值报文不会出 现碰撞等不确定因素，适合现有网络技术的发展状 况，但不便于采样值的数据共享，给信息集成化应 用带来困难，而且需耍使用较多的合并单元，导致 成本增加。采用iec61850-9-1通信方式的智能变电 站系统网络结构如图4所示。图4采用iec61850-9-1的智能变电站系统网络结构fig. 4 network architecture of smart substation systemusing iec61850-9-1随着网络技术的快速发展，传输速率可达千兆 乃至更高的网络的工业化推广应用，未来的发展趋 势是采用iec61850-9-2,采样值信息在过程总线上 网络

17、化传输，可以充分发挥变电站过程层数字化的 优越性。此外，相对于iec61850-9-1固定的釆样值 数据集（12个采样值），iec61850-9-2可以对采样 值数据集的内容进行灵活配置，而且能够通过采样 值控制块对采样值传输进行管理，极人地增强了应 用的灵活性。釆用1ec61850-9-2通信方式的智能变 电站系统网络结构如图5所示。保护_护1测控装置a装咒b装置合并单元iec61850-9-2基于以太网的过程总线ect. evt图5采用iec61850-9-2的智能变电站系统网络结构fig. 5 network architecture of smart substation system

18、using iec61850-9-22010年国家电网公司发布的智能变电站继电 保护技术规范屮，对于保护装置，规定采用“直 接采样”，即智能电子设备间不经过以太网交换机 以采样值点对点连接方式直接进行采样值传输，这 也就是上文提到的iec61850-9l通信方式，目的是 保证采样值快速可靠地传输，不影响保护装置的动 作性能。对于测控、故障录波等装置，采用“采样 值网络传输方式”，这也就是上文提到的 iec61850-9-2通信方式，目的是充分实现采样值的 数据共享，便于信息集成化应用。从这里对以看出, 现阶段两种通信方式相结合、各取所长，是比较合 适的电子式互感器接入智能变电站的方案。3工程应

19、用实例2010年9月，南方电网首个智能变电站hokv 文冲口变电站在广东茂名正式投运。该智能变电 站110kv主接线为单母线分段，使用hg1s设备分 段；10kv主接线为单母线分段带旁路，共有31个 间隔。文冲口变电站建设规模为：主变压器 2 40mva, 110kv 线路 3 回，10kv 出线 20 回， 10kv电容器2组，10kv站用变压器2台。uokv电子式互感器采用如下配置方案： hokv线路每回进线装设1组全光纤无源 ect, 1台电容分压式有源evt （a相）。 110rv分段采用1组罗氏线圈做保护和 lpct线圈做测量的有源ect, 2组110kv电容分 压式母线evto h

20、okv主变压器进线均釆用罗氏线圈做保 护和lpct线圈做测量的ecto 主变压器零序ta采用1组全光纤ect, 独立安装。上述电子式互感器封装于hgis中。互感器的 釆样数字输出，通过光纤提供给相应合并单元，以 满足间隔层设备的需要。10kv电子式互感器的配置方案如下： 10kv馈线、站用变压器、接地变压器和电 容器采用电流、电压一体化电子式互感器（ecvt）, 其数字输出通过光纤接入10kv保护测控装置，由 装置内的合并单元实现数据的iec61850转换。 主变压器10kv侧进线采用独立的ect和 evt,通过光纤接入主变压器保护测控柜屮的低压 侧合并单元，供主变压器差动、低压侧后备保护及

21、部分测控功能的实现。 站用电容器因需要测量不平衡电压和不平 衡电流，采用了常规的电磁式ta、tv,以满足电 容器保护装置的要求。 10kv分段采用独立的ect、evt,通过光 纤接入保护测控装置（含合并单元功能），以实现 保护、测控和备自投功能。该智能变电站按照电压等级分别组建了 110rv 和10kv过程层网络，合并单元遵循iec61850-9-2 标准（即采用图5所示通信方式）向间隔层设备发 布电流、电压采样值数据。网络结构为双星型，双 网配置，过程层各设备使用100mbps光端口接入网 络，交换机级联端口使用1000mbps光口。文冲口变电站的过程层网络除了传输各合并 单元发布的釆样值数

22、据外，述传输设备状态信息、 控制命令以及联锁判断的goose数据。这种采样 值与goose网络合二为一的共网模式，极大地减 少了网络交换设备和连接光纤，简化了网络，降低 了智能变电站的建设成本。同时为了解决数据量太 大导致网络堵塞的问题，采用vlan技术对网络进 行了优化配置。文冲口智能变电站通过电子式互感器的广泛 使用，实现了电气量数据采集环节的数字化应用， 通过采用iec61850-9-2基于以太网的过程层网络， 实现了信息的充分共亨，为智能变电站各种高级应 用功能的实现提供了基础。4结论以电子式互感器为代表的智能变电站技术正在 快速发展，真正实现一次设备智能化、二次设备网络 化、运行管理

23、口动化和变电站全寿命周期成本最小化 的智能变电站将逐步推广。本文在概述电子式互感器 的分类、基本原理和优势的基础上，重点介绍了作为 过程层的电子式互感器通过合并单元与作为间隔层 的二次保护测控设备互联的方案，有助于电子式互感 器更好地应用于智能变电站。参考文献1 lec 1ec 61850: communication networks and systems in substations(s). 2004(21 iec. iec 60044： instrument transformers-part 7： electronic voltage (ransformerssj 1999 13 i

24、 ec iec 60044： instrument transformers-part 8： electronic current transformers! s 2002 14 王均梅，吴春风，王晓琪.我国电力互感器的发展概况及应用现 状j电力设备,2007, 8(1)： 5-10.wang junmci, wu chunfcng, wang xiaoqi the developing and present application manner of the instrument transformers for power system in our countryjj. electrical equipments 2007» 8(1)： 5-10.|5|罗承沐，张