数字化变电站的建设

1、数字化变电站的建设数字化变电站的建设南瑞继保电气有限公司南瑞继保电气有限公司20062006年年1212月月数字化变电站的概念数字化变电站的概念 数字化变电站是由智能化一次设备和网络化数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在二次设备分层构建，建立在IEC61850IEC61850通信规范基通信规范基础之上，能够实现变电站内智能电气设备间信息础之上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。共享和互操作的现代化变电站。 组成：组成： 1 1、电子式互感器、电子式互感器 2 2、智能化开关设备、智能化开关设备3 3、网络化的二次设备、网络化的二次设备 4

2、4、IEC61850IEC61850的应用的应用与传统变电站的比较与传统变电站的比较电子式互感器的概念电子式互感器的概念电子式互感器发展背景 -常规互感器的缺陷 绝缘、饱和、爆炸、谐振、精度、接口等 -材料技术、微电子技术及通信技术的发展电子式互感器的概念电子式互感器的概念 电子式互感器 电子式电流、电压互感器是一种绝缘结构简单可靠、体积小、重量轻、线性度好、无饱和现象且输出信号可直接与微机化计量、保护设备接口的新型电力互感器。 电子式互感器发展简史 国外：ABB、ALSTHOM、 SIEMENS、 MITSUBISHI 国内电子式互感器的特性电子式互感器的特性 优点 1、高低压完全隔离，安全

3、性高，具有优良的绝缘性能和优越的性价比；2、不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题；3、无CT开路、PT短路的危险，互感器的精度与负载无关4、动态范围大，测量精度高； 5、暂态特性好6、没有因充油而潜在的易燃、易爆炸等危险7、 体积小、重量轻8、适应了电力系统数字化、智能化和网络化发展的需要 缺点 可靠性不如常规互感器电子式互感器的标准电子式互感器的标准 国际标准 IEC60044-7 IEC60044-8 国家标准与常规互感器标准的比较-共同点：绝缘要求、误差定义等-不同点：结构、输出信号、试验方法、温度试验、电磁兼容试验、频率特性试验等电子式互感器的构成电子式互感器的构成 电子式互感器通常

4、由传感器、一次转换器、电子式互感器通常由传感器、一次转换器、二次转换器及合并单元等部分构成。一次转二次转换器及合并单元等部分构成。一次转换器又称远端模块换器又称远端模块, ,安装在高压一次侧，负责安装在高压一次侧，负责采集、调理一次侧电压电流并转换成数字信采集、调理一次侧电压电流并转换成数字信号。号。 合并单元安装在二次侧，负责对各相远端合并单元安装在二次侧，负责对各相远端模块传来的信号做同步合并处理。模块传来的信号做同步合并处理。电子式互感器的构成电子式互感器的构成一次电流传感器P2P1MR IVMR EFS1S2一次转换器二次电源传输系统二次转换器供合并单元用二次转换器模拟量电压输出一次电

5、源电子式互感器的原理和分类电子式互感器的原理和分类 按远端模块是否需要供电划分按远端模块是否需要供电划分: :1 1、有源式电子互感器、有源式电子互感器2 2、无源式电子互感器、无源式电子互感器 按应用场合划分：按应用场合划分：1 1、GISGIS结构的电子互感器结构的电子互感器2 2、AISAIS结构结构( (独立式独立式) )电子互感器电子互感器3 3、直流用电子式互感器、直流用电子式互感器有源式电子互感器有源式电子互感器根据空芯线圈和低功率线圈原理测量电流根据空芯线圈和低功率线圈原理测量电流根据分压原理（电阻、电感、电容）测量电压根据分压原理（电阻、电感、电容）测量电压远端模块由电子电路

6、构成，需要供电，因此称为远端模块由电子电路构成，需要供电，因此称为有源式电子互感器。有源式电子互感器。相对来说，有源式电子互感器技术较为成熟，在相对来说，有源式电子互感器技术较为成熟，在国内外已有一定的应用。国内外已有一定的应用。有源式电流互感器的原理有源式电流互感器的原理iuo dtdinsu00激光器驱动电路PIN数据处理合并单元保护测控计量LPCT空芯线圈远端模块复合绝缘子光纤光缆IEC60044-8IEC61850-9-1/2保护、测控、计量有源式电流电压组合式互感器有源式电流电压组合式互感器激光器驱动电路PIN数据处理合并单元保护测控计量LPCT空芯线圈远端模块复合绝缘子光纤光缆电容

7、分压器油或介质胶IEC60044-8IEC61850-9-1/2保护、测控、计量GISGIS用用电流电压组合式互感器电流电压组合式互感器RSF6中间电极高压导体C1C2uodtduRCu10)1(2CR独立有源式独立有源式ECVTECVT的供电技术的供电技术1、母线取电（原理和特点）+5V独立有源式独立有源式ECVTECVT的供电技术的供电技术2、低压侧激光供电技术(原理和特点)LED光电池稳压信号处理电压监视LD驱动PIN信号处理有源式电子互感器的关键技术有源式电子互感器的关键技术1 1、远端传感模块的稳定性和可靠性（安置在室、远端传感模块的稳定性和可靠性（安置在室外时温度、电磁干扰等）外时

8、温度、电磁干扰等）2 2、空芯线圈结构的稳定性对测量精度的影响。、空芯线圈结构的稳定性对测量精度的影响。3 3、对独立结构的有源式电子互感器的远端模块、对独立结构的有源式电子互感器的远端模块取电技术。取电技术。无源式电子互感器无源式电子互感器与有源式电子互感器相比，无源式电子互感器的与有源式电子互感器相比，无源式电子互感器的传感模块利用光学原理，由纯光学器件构成。不传感模块利用光学原理，由纯光学器件构成。不再含有电子电路，其有着有源式无法比拟的电磁再含有电子电路，其有着有源式无法比拟的电磁兼容性能。兼容性能。 FaradayFaraday磁光效应（电流互感器）磁光效应（电流互感器） Pocke

9、lsPockels电光效应（电压互感器）电光效应（电压互感器）FaradayFaraday磁光效应（电流互感器）磁光效应（电流互感器）FaradayFaraday磁光效应（电流互感器）磁光效应（电流互感器）PockelsPockels电光效应（电压互感器）电光效应（电压互感器）PockelsPockels电光效应（电压互感器）电光效应（电压互感器）全光纤电流互感器全光纤电流互感器光纤电流互感器是一种实用化的电流传感器光纤电流互感器是一种实用化的电流传感器 couplerLock-inamplifier无源电子式电流互感器结构无源电子式电流互感器结构 载流导体光纤电流传感器复合绝缘子光纤光缆光纤

10、耦合器光纤偏振器光纤调制器光源驱动及信号解调保护测控计量合并单元IEC60044-8IEC61850-9-1/2保护、测控、计量无源式电子互感器的技术难点无源式电子互感器的技术难点光学传感材料的选择光学传感材料的选择温度对精度的影响温度对精度的影响应力对精度的影响应力对精度的影响传感头的封装技术传感头的封装技术( (一致性要求一致性要求) )电源的稳定性电源的稳定性( (对纹波的要求极高对纹波的要求极高) )研制情况研制情况 20042004年开始进行研发，组建了光学试验室年开始进行研发，组建了光学试验室 关键器件已经实现，申请专利并已获批准关键器件已经实现，申请专利并已获批准 自主开发出了信

11、号处理算法，已经申请专利自主开发出了信号处理算法，已经申请专利 利用现有的仪器设备搭建起了整机调试系统利用现有的仪器设备搭建起了整机调试系统 今年有望完成试验样机今年有望完成试验样机电子式互感器远端模块的配置电子式互感器远端模块的配置合并单元的概念合并单元的概念 合并单元是对远端模块传来的三相电气量进行合并单元是对远端模块传来的三相电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按特定合并和同步处理，并将处理后的数字信号按特定的格式提供给间隔级设备使用的装置。的格式提供给间隔级设备使用的装置。 合并单元的输出格式：合并单元的输出格式：IEC-60044-8IEC-60044-8IEC-61850

12、-9-1IEC-61850-9-1IEC-61850-9-2IEC-61850-9-2合并单元的结构合并单元的结构电子式互感器与合并单元接口电子式互感器与合并单元接口合并单元的特点合并单元的特点PCS-22xPCS-22x系列合并单元系列合并单元 支持南瑞继保支持南瑞继保GISGIS方式的有源电子式互感器方式的有源电子式互感器 支持南瑞继保支持南瑞继保AISAIS方式的有源电子式互感器方式的有源电子式互感器 支持支持ABB GISABB GIS方式的电子式互感器方式的电子式互感器 支持三菱支持三菱GISGIS方式的电子式互感器方式的电子式互感器 支持模拟信号的采集支持模拟信号的采集合并单元的特

13、点合并单元的特点 PCS-22xPCS-22x系列合并单元具有很多特色的功能系列合并单元具有很多特色的功能方便现场调试和使用方便现场调试和使用 具有完善的监测功能，能够检测出各个插件、远端电具有完善的监测功能，能够检测出各个插件、远端电子模块的工作状态，能够检查光纤信号的强弱，在信子模块的工作状态，能够检查光纤信号的强弱，在信号偏弱时给出告警信息号偏弱时给出告警信息 具有模拟数据输出功能，便于现场与保护的联调具有模拟数据输出功能，便于现场与保护的联调 具有测量功能能够实时显示电压电流功率等测量值，具有测量功能能够实时显示电压电流功率等测量值，方便现场的调试和测试方便现场的调试和测试合并单元的配

14、置原则合并单元的配置原则 配置方案将决定系统的安全性与可靠性，配置方案将决定系统的安全性与可靠性，配置原则是保证一套系统出问题不会导致配置原则是保证一套系统出问题不会导致保护误动，也不会导致保护拒动保护误动，也不会导致保护拒动 电子式互感器或就地采集单元的二次转换电子式互感器或就地采集单元的二次转换模块需要冗余配置模块需要冗余配置 数据合并单元冗余配置并分别连接冗余的数据合并单元冗余配置并分别连接冗余的电子式互感器模块，合并单元可以安装在电子式互感器模块，合并单元可以安装在开关附近或保护小室开关附近或保护小室合并单元配置的同步采样问题合并单元配置的同步采样问题 同一间隔三相电压、电流之间需考虑

15、同步同一间隔三相电压、电流之间需考虑同步采样采样 变压器差动保护从不同电压等级的多个间变压器差动保护从不同电压等级的多个间隔获取数据存在同步问题隔获取数据存在同步问题 母线差动保护从多个间隔获取数据也存在母线差动保护从多个间隔获取数据也存在同步问题同步问题 线路纵差保护线路两端数据采样也存在同线路纵差保护线路两端数据采样也存在同步问题步问题同步采样问题的解决方法同步采样问题的解决方法 基于基于GPSGPS秒脉冲同步的同步采样秒脉冲同步的同步采样 同步方法简单同步方法简单 秒脉冲丢失时存在危险秒脉冲丢失时存在危险 二次设备通过再采样技术二次设备通过再采样技术( (插值算法插值算法) )对就对就地

16、采集单元额定延时进行补偿地采集单元额定延时进行补偿 采样率要求高采样率要求高 硬件软件要求高，实现难度较大硬件软件要求高，实现难度较大 但不依赖于但不依赖于GPSGPS和秒脉冲传输系统和秒脉冲传输系统 采样数据传送标准（采样数据传送标准（1 1） IEC60044-8IEC60044-8：点对点光纤串行数据接口：点对点光纤串行数据接口 传输延时确定传输延时确定 可以采用再采样技术实现同步采样可以采用再采样技术实现同步采样 硬件和软件实现简单硬件和软件实现简单 适合保护要求适合保护要求合并单元数据分发合并单元数据分发 采样数据传送标准（采样数据传送标准（2 2） IEC61850-9-1/2IE

17、C61850-9-1/2：网络数据接口：网络数据接口 传输延时不确定（传输延时不确定（400us-3ms400us-3ms） 无法准确采用再采样技术无法准确采用再采样技术 硬件软件比较通用，但对交换机要求极高硬件软件比较通用，但对交换机要求极高 硬件和软件实现都将困难硬件和软件实现都将困难 不同间隔间数据到达时间不确定，不利于母差、变压不同间隔间数据到达时间不确定，不利于母差、变压器等保护的数据处理器等保护的数据处理 比较适合测控、电能仪表一类比较适合测控、电能仪表一类合并单元数据分发合并单元数据分发ECVTECVT与合并单元的配置与合并单元的配置ECVTECVT与合并单元的配置与合并单元的配

18、置1 1、GISGIS电子式电流电压互感器电子式电流电压互感器 330330kVkV、220kV220kV、110kV110kV 2 2、独立型电子式电流电压互感器、独立型电子式电流电压互感器 500500kVkV、220kV220kV3 3、直流电子式电流互感器、直流电子式电流互感器4 4、35kV35kV电子式电流电压互感器电子式电流电压互感器5 5、10kV10kV电子式电流电压互感器电子式电流电压互感器我公司电子式互感器我公司电子式互感器我公司电子式互感器的应用我公司电子式互感器的应用安徽铜陵周冲安徽铜陵周冲220KV220KV变电站变电站: :ECVT-252 GIS ECVT-25

19、2 GIS 用电子式电流电压互感器用电子式电流电压互感器PCSPCS221221合并单元合并单元PCSPCS902AF902AF线路保护线路保护（对侧为传统互感器和常规保护）（对侧为传统互感器和常规保护）已于已于20062006年年5 5月投运月投运我公司电子式互感器的应用我公司电子式互感器的应用我公司电子式互感器的应用我公司电子式互感器的应用 我公司电子式互感器的应用我公司电子式互感器的应用 智能化开关的概念智能化开关的概念配有电子设备、数字通讯接口、传感器和执行器，不但具有分合闸基本功能，而且在监测和诊断方面具有附加功能的开关设备。开关设备(包括断路器和刀闸)的智能化是过程层数字化的重要组

20、成部分。IEC 62271-3 High voltage switchgear and assemblies with digital interfaces based on IEC 61850 (制订中) 智能化开关设备的现状智能化开关设备的现状高压开关的发展方向是小型化、智能化高压开关的发展方向是小型化、智能化* *ABBABB：PASS(Plug&Switch System)PASS(Plug&Switch System)* *Mitsubishi:MITS(Mitsubishi Information Technology Mitsubishi:MITS(Mitsubi

21、shi Information Technology Switchgear)Switchgear)* *SIEMENSSIEMENS：HIS (Highly Integrated Switchgear)HIS (Highly Integrated Switchgear)都具有结构小型化和控制智能化的趋势。都具有结构小型化和控制智能化的趋势。国内的高压开关设备厂家也急于提升开关设备的智能化水平。国内的高压开关设备厂家也急于提升开关设备的智能化水平。一、二次厂家的整合和合作是国内开关智能化的必然趋势。一、二次厂家的整合和合作是国内开关智能化的必然趋势。智能化开关的发展方向智能化开关的发展方向 智能

22、控制功能智能控制功能 在线监视功能在线监视功能 数字化的接口数字化的接口 机构的电子操动机构的电子操动智能控制功能智能控制功能保护测控一体化、一、二次功能一体化保护测控一体化、一、二次功能一体化* * 传统二次功能传统二次功能 保护功能保护功能 测量功能测量功能* * 一次设备本体的控制一次设备本体的控制 控制联锁控制联锁 储能电机和机构电机的保护储能电机和机构电机的保护 顺序控制顺序控制 受控分合闸受控分合闸在线监测功能在线监测功能 断路器灭弧室的局放和介损监测断路器灭弧室的局放和介损监测 机构动作特性的监测机构动作特性的监测, ,断路器触头和刀闸的行程、速度断路器触头和刀闸的行程、速度 控

23、制回路断线监视控制回路断线监视- - 弹簧储能时间弹簧储能时间- - 开关工作时间、开关动作次数、切断电流累积开关工作时间、开关动作次数、切断电流累积 开关柜内温度、触头接触部位的温度监测开关柜内温度、触头接触部位的温度监测 分合闸线圈的电流、电压分合闸线圈的电流、电压 在线监测的主要目的：状态检修在线监测的主要目的：状态检修 实施在线监测必须考虑可靠性、稳定性和经济性实施在线监测必须考虑可靠性、稳定性和经济性数字化接口数字化接口 PISA (Process Interface for Sensors and Actuators)PISA (Process Interface for Sens

24、ors and Actuators)位置信息、温度等状态信息、分合闸命令等机构的电子化操动机构的电子化操动 断路器各类故障（拒分拒合）中机械故障的比率最大断路器各类故障（拒分拒合）中机械故障的比率最大 各级传动齿轮增加了故障概率，也增加了机构体积各级传动齿轮增加了故障概率，也增加了机构体积实现：实现： 变机械储能为电容储能变机械储能为电容储能 变机械传动为变频器通过电机直接驱动变机械传动为变频器通过电机直接驱动 机械运动部件减少到一个机械运动部件减少到一个 电子电路的寿命、稳定性和可靠性成为关键电子电路的寿命、稳定性和可靠性成为关键目前实现开关智能化的方案目前实现开关智能化的方案方案方案1:1

25、:操动机构智能终端操动机构智能终端方案方案2:2:间隔级智能终端间隔级智能终端操动机构智能终端操动机构智能终端在断路器和刀闸机构中安置PISA接口与间隔级设备间通过数字信号传递信息。二次设备通过数字信号发分合闸命令给断路器和刀闸。可靠性和稳定性至关重要，数字通道必须冗余配置。间隔级智能终端间隔级智能终端间隔级智能终端的主要思想是把间隔级设备下放至过程层，由智能化的间隔级设备同时担负过程层设备的数字化功能。ABB的基于REF542、SIEMENS的基于SIPROTEC4的智能开关柜均基于此思想。这种方案的最大优点在于基于成熟的间隔层数字化技术，能在大量减少电缆、节约占地、提升数字化水平的同时，满

26、足可靠性和稳定性的要求。智能开关方案智能开关方案开发了保护控制一体化开关柜、通过开发了保护控制一体化开关柜、通过对原对原GISGIS开关的汇控柜做智能化改造，把保开关的汇控柜做智能化改造，把保护、测控和护、测控和GISGIS控制功能整合在一起，构控制功能整合在一起，构成智能开关功能。成智能开关功能。智能开关方案智能开关方案智能开关方案智能开关方案智能控制柜方案智能控制柜方案智能控制柜方案的优势智能控制柜方案的优势1、节约了电缆等设备投资以及相应的施工投资； 数字化变电站建设的一个主要现实目标是为了减少变电站内控制电缆的数量，一方面由于原材料的涨价，电缆成本越来越高，一方面，光缆电磁兼容性能远好

27、于电缆，能显著提高变电站内信号传输的可靠性。另外，变模拟信号为数字信号能大大增加传输的带宽和信息量。2、节约了保护小室及主控室等的占地面积和投资； 应用智能化GIS控制柜使得保护控制下放成为可能，从而能够显著减少保护小室和主控室的占地面积，这对一些需要尽量减少变电站土地的城市变电站和地下变电站来说有明显的效益。智能控制柜方案的优势智能控制柜方案的优势3、GIS智能控制柜优化了二次回路和结构； 原来由于一次和二次的专业细分，使得原传统汇控柜内的许多功能与保护控制二次中的功能相重复，例如防跳、压力闭锁、三相不一致等等。基于一二次整合的GIS智能控制柜能够有效地取消和简化冗余回路，提高了整个二次回路

28、的可靠性。4、智能控制装置提供了系统的交互性；引入智能控制装置以后，友好的中文液晶人机界面以及丰富的自检和就地操作报告功能，使得运行维护人员无论在就地还是远方都能及时了解GIS的运行情况。智能控制柜方案的优势智能控制柜方案的优势5、联调在出厂前完成，现场调试工作量减少； 传统方案中，一次设备和二次设备的电缆连接和调试只能到现场后完成，调试周期比较长，新方案中一二次设备联调在厂内完成，到现场后调试工作量极小。能够显著地缩短投运周期。6、一次二次联合设计，减轻了设计院的负担； 原来一次和二次设备分别有双方厂家分别出图，中间的电缆信号连接由设计院完成，应用一二次结合的新方案后，由两个厂家联合出图并对

29、图纸的正确性负责。智能控制柜方案的优势智能控制柜方案的优势7、基于通讯和组态软件的联锁功能比传统硬接点联锁方便； 智能控制装置能够采集到间隔内所有刀闸位置，且间隔间也有光缆连接，所以可以方便地实现基于软件和通讯的联锁，能显著减少机构辅助接点数量，提高系统的可靠性。8、缩小了与互感器的电气距离，减轻了互感器的负载； 新方案下互感器与保护控制设备的电气距离大大缩短，使得互感器的容量选择更为容易，也为小功率互感器（LPCT）的应用创造了条件。IEC61850IEC61850IEC61850IEC61850是国际电工委员会是国际电工委员会(IEC)TC57(IEC)TC57工作工作组制定的组制定的变电

30、站通信网络和系统变电站通信网络和系统系列系列标准，是基于标准，是基于网络通信平台网络通信平台的变电站自动的变电站自动化系统唯一的国际标准。化系统唯一的国际标准。IEC61850IEC61850规范了数据的命名、数据定义、规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言。使不同智能电气设备间的信息共享语言。使不同智能电气设备间的信息共享和互操作成为可能。和互操作成为可能。IEC61850IEC61850与传统规约的比较与传统规约的比较目前实施的变电站自动化系统缺乏统一的系统规目前实施的变电站自动化系统缺乏统一的系统规范，广泛应用的范，广泛应

31、用的IEC60870-5-103IEC60870-5-103规约只是变电站规约只是变电站内传输规约，缺乏对变电站系统模型、二次功能内传输规约，缺乏对变电站系统模型、二次功能模型的描述，没有将系统应用与通信技术进行分模型的描述，没有将系统应用与通信技术进行分层处理，其应用受到通信技术的限制，缺乏一致层处理，其应用受到通信技术的限制，缺乏一致性测试标准，因此性测试标准，因此103103规约不适合作为未来数字规约不适合作为未来数字化变电站的统一信息平台。化变电站的统一信息平台。IEC61850IEC61850简介简介 对变电站自动化系统中的对象统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接。 定义了数字式CT、PT、智能式开关等一次设备的模型和通信接口，实现数字化变电站分层的概念分层的概念站控层间隔层过程层过程层的数字化是构建基于IEC61850的数字化变电站的重要组成部分。面向对象的统一建模面向对象的统一建