数字化变电站

数字化变电站南京南瑞继保电气有限公司20101智能电网23智能电网的战略框架一个目标两条主线三个阶段四个体系五个内涵六个环节构建以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展统一坚强智能电网。包括“三华”（华北—华中—华东）同步电网、西北和东北电网，涵盖全部电压等级。一个目标两条主线三个阶段四个体系五个内涵六个环节智能电网的战略框架

技术上体现信息化、自动化、互动化。

管理上体现集团化、集约化、精益化、标准化。一个目标两条主线三个阶段四个体系五个内涵六个环节智能电网的战略框架2009年至2010年为规划试点阶段：重点开展电网智能化发展规划工作，制订技术标准和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，开展各环节的试点工作；

2011年至2015年为全面建设阶段：加快特高压电网和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用；

2016年至2020年为引领提升阶段：全面建成统一坚强智能电网，使电网的资源配置能力、安全水平、运行效率，以及电网与电源、用户之间的互动性显著提高。一个目标两条主线三个阶段四个体系五个内涵六个环节智能电网的战略框架电网基础体系技术支撑体系智能应用体系标准规范体系

电网基础体系是坚强智能电网的物质载体，是实现“坚强”的重要基础；技术支撑体系是指先进的通信、信息、控制等应用技术，是实现“智能”的技术保障；智能应用体系是保障电网安全、经济、高效运行，提供用户增值服务的具体体现；标准规范体系是指技术、管理方面的标准、规范，以及试验、认证、评估体系，是建设坚强智能电网的制度依据。一个目标两条主线三个阶段四个体系五个内涵六个环节智能电网的战略框架坚强可靠经济高效清洁环保透明开放友好互动

坚强可靠是指具有坚强的网架结构、强大的电力输送能力和安全可靠的电力供应；经济高效是指提高电网运行和输送效率，降低运营成本，促进能源资源和电力资产的高效利用；清洁环保是指促进可再生能源发展与利用，降低能源消耗和污染物排放，提高清洁电能在终端能源消费中的比重；透明开放是指电网、电源和用户的信息透明共享，电网无歧视开放；友好互动是指实现电网运行方式的灵活调整，友好兼容各类电源和用户接入与退出，促进发电企业和用户主动参与电网运行调节。一个目标两条主线三个阶段四个体系五个内涵六个环节智能电网的战略框架发电环节输电环节变电环节配电环节用电环节调度环节

发电环节：引导电源集约化发展，协调推进大规模能源基地的开发；强化网厂协调，提高电网安全运行水平；优化电源结构和电网结构，促进新型能源的大规模科学利用。

输电环节：加快建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强国家电网；集成应用新技术、新材料、新工艺；全面实施输电线路状态检修和全寿命周期管理；广泛采用灵活交流输电技术，提高线路输送能力和电压、潮流控制的灵活性，技术和装备全面达到国际领先水平。一个目标两条主线三个阶段四个体系五个内涵六个环节智能电网的战略框架发电环节输电环节变电环节配电环节用电环节调度环节

变电环节：设备信息和运行维护策略与电力调度全面互动，实现基于状态的全寿命周期综合优化管理；枢纽及中心变电站全面建成或改造成为智能化变电站；实现电网运行数据的全面采集和实时共享，支撑电网实时控制、智能调节和各类高级应用，保障各级电网安全稳定运行。

配电环节：建成高效、灵活、合理的配电网络，具备灵活重构、潮流优化和可再生能源接纳能力，紧急状况时支撑主网安全稳定运行；实现集中/分散储能装置及分布式电源的兼容接入与统一控制；供电可靠性和电能质量显著提高；全面推广智能配电网示范工程应用成果，主要技术装备达到国际领先水平。一个目标两条主线三个阶段四个体系五个内涵六个环节智能电网的战略框架发电环节输电环节变电环节配电环节用电环节调度环节

用电环节：构建智能用电服务体系，实现营销管理的现代化运行和营销业务的智能化应用。全面推广应用智能电能表、智能用电管理终端等智能用电设备。开展双向互动服务，实现电网与用户的双向互动，提升用户服务质量。建设智能用电小区和电动汽车充放电站，推动智能家电和电动汽车等领域的技术创新和应用，改善终端用户用能模式，提高用电效率。

调度环节：以服务特高压大电网安全运行为目标，开发建设新一代智能调度技术支持系统，实现运行信息全景化、数据传输网络化、安全评估动态化、调度决策精细化、运行控制自动化、网厂协调最优化，形成一体化的智能调度体系，确保电网运行的安全可靠、灵活协调、优质高效、经济环保。

数字化变电站概述电子式互感器智能化开关网络化二次设备工程实例11数字化变电站概述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IEC61850通信规范基础上，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。

★智能化一次设备:电子式互感器、智能化开关等

★过程层、间隔层、站控层数字化变电站就是使变电站的所有信息采集、传输、处理、输出过程由过去的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和系统。12数字化变电站概述数字化变电站作为变电站的发展方向，要解决现有变电站可能存在的以下问题：

★传统互感器的绝缘、饱和、谐振等；

★长距离电缆、屏间电缆；

★通信标准等。13与传统变电站的比较14数字化变电站概述电子式互感器►与传统互感器的比较►电子式互感器的分类►电子式互感器的原理►合并单元►电子式互感器与合并单元的配置智能化开关网络化二次设备工程实例15传统电磁型互感器存在的一些问题：铁心造成的饱和与谐振问题。绝缘结构复杂，体积大，支撑结构复杂，占地面积大。电磁感应式互感器采用充油方法解决绝缘问题时，不可避免的存在易燃、易爆炸等危险。随着电力传输容量的增加及电压等级的提高、电力自动化信息化的发展，迫切需要新型的电子式互感器来解决上述问题。电子式互感器16电子式互感器（ElectronicInstrumentTransformers）——小电压模拟量输出或者数字量输出的互感器共性特征信号输出，无负载能力光纤是最理想的传输方式数字输出是终极输出方式

这种互感器包含电子部件，因此叫电子式互感器。为和传统电磁互感器区分，有些文献也叫非常规互感器。电子式互感器17电压等级越高电子式互感器优势越明显与传统互感器的比较数字量输出无开路危险PT无谐振现象范围宽、无磁饱和体积小、重量轻绝缘简单电子式互感器模拟量输出输出形式不能开路CT二次输出易产生铁磁谐振PT谐振范围小、有磁饱和CT动态范围体积大、重量重体积及重量绝缘复杂绝缘常规互感器比较项目精度精度易受负载影响精度与负载无关电子式互感器作为常规电磁式互感器的替代产品，两者的优缺点比较如下：18与传统互感器的比较19电子式互感器的分类按一次传感部分是否需要供电划分有源式电子式互感器无源式电子式互感器

目前广泛应用的是有源式电子式互感器按应用场合划分GIS结构的电子式互感器AIS结构(独立式)电子式互感器直流用电子式互感器中低压电子式互感器20有源电子式互感器利用电磁感应等原理感应被测信号CT：空心线圈(RC)；低功率线圈(LPCT)PT：分压原理：电容、电阻、电感传感头部分具有需用电源的电子电路利用光纤传输数字信号独立式、GIS式电子式互感器的原理21

电流互感器利用空芯线圈及低功率线圈传感被测一次电流。低功率线圈（LPCT）的工作原理与常规CT的原理相同，只是LPCT的输出功率要求很小，因此其铁芯截面就较小。空芯线圈是一种密绕于非磁性骨架上的螺线管，如图所示。空芯线圈不含铁芯，具有很好的线性度。空芯线圈的输出信号e与被测电流i有如下关系：

电子式电流互感器原理式中0为真空磁导率，n为线圈匝数密度，s为线圈截面积。据上式，利用电子电路对线圈的输出信号进行积分变换便可求得被测电流i。

22电压互感器利用电容分压器测量电压。为提高电压测量的精度，改善电压测量的暂态特性，在电容分压器的输出端并一精密小电阻。电容分压器的输出信号U0与被测电压Ui有如下关系：电子式电压互感器原理式中C1为高压电容，C2为低压电容。据上式，利用电子电路对电压传感器的输出信号进行积分变换便可求得被测电压。

23电子式互感器的输出数字信号输出

-电流测量：2D41H

-电流保护：01CFH

-电压：2D41H模拟信号输出

-电流互感器：150mV，225mV，4V

等

-电压互感器：2/

V，4/

V，6.5/

V等

24电子式互感器的构成电子式互感器通常由传感模块和合并单元两部分构成，传感模块又称远端模块,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号。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。25GIS电子式互感器主要由三部分构成：一次结构主体；一次传感器；远端模块。电子式互感器的构成61850标准：-9-1/-226AIS电子式互感器主要由四部分构成：一次传感器；远端模块。光纤绝缘子；合并单元。电子式互感器的构成27有源电子式互感器28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）绕制在陶瓷骨架上的空芯线圈结构的稳定性对测量精度的影响。对独立结构的有源式电子互感器的远端模块取电技术。（GIS由于结构特殊，可直接利用站内电源供电）有源式ECVT的关键问题29有源式ECVT的供电技术线路感应取电低压侧激光供电技术激光器-LD驱动源-光纤-光电池-DC/DC转换器+5V30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，不含有电子电路，其有着有源式无法比拟的电磁兼容性能利用光纤传输传感信号传感头部分不需电子电路及其电源独立安装的互感器的理想解决方案无源电子式互感器31

电流测量采用Faraday

磁光效应，即线偏振光的偏振方向在磁场中发生改变的效应：已知线偏振光在磁光材料(如重火石玻璃)中受磁场的作用其偏振面将发生旋转，线偏振光旋转的角度θ与被测电流I成正比普通光起偏器偏振光Faraday材料磁场B检偏器

光学电压传感器采用Pockels电光效应或Kerr电光效应，即晶体的折射率在电场的作用下发生物理变化的效应来测量电场的强度，并进而得到电压。Faraday旋光角光学互感器32无源电子式互感器结构33关键技术难点光学传感材料的选择传感头的组装技术温度对精度的影响振动对精度的影响长期稳定性无源电子式互感器34电子式互感器与二次设备的接口合并单元信号合并、数据同步、分配信号、供电35电子式互感器与合并单元接口36标准比较标准特性IEC60044－8IEC61850－9－1IEC61850－9－2通信方式光纤串行点对点以太网接口

点对点或交换机方式以太网网络方式对交换机要求高传输延时确定不确定不确定同步技术可以实现且不依赖于外部同步时钟可以实现且必须依赖于外部同步时钟可以实现且必须依赖于外部同步时钟实现差动保护的难易容易比较困难比较困难硬件和软件实现简单复杂复杂备注推荐使用37应用电子式互感器需要面对的几个问题配置方案同步采样问题采样数据传送标准电子式互感器配置38配置方案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电子式互感器的远端模块和合并单元需要冗余配置远端模块中电流需要冗余采样合并单元冗余配置并分别连接冗余的电子式互感器远端模块，合并单元可以安装在开关附近或保护小室电子式互感器配置39同步采样问题常规互感器与电子式互感器会并存，如电压、电流之间，变压器不同的电压等级之间三相电流、电压采样必须同步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母线差动保护从多个间隔获取数据也存在同步线路纵差保护线路两端数据采样也存在同步合并单元数据同步40解决同步采样的两种方案基于GPS秒脉冲同步的同步采样同步方法简单秒脉冲丢失时存在危险二次设备通过再采样技术(插值算法)实现同步采样率要求高硬件软件要求高，实现难度较大不依赖于GPS和秒脉冲传输系统合并单元数据同步41采样数据传送标准（1）IEC60044-8：点对点光纤串行数据接口传输延时确定可以采用再采样技术实现同步采样硬件和软件实现简单适合保护要求合并单元数据分发42采样数据传送标准（2）IEC61850-9-1/2：网络数据接口传输延时不确定（400us-3ms）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、变压器等保护的数据处理比较适合测控、电能仪表一类合并单元数据分发43GIS用电子式电流电压互感器电子式互感器应用情况44电子式互感器应用情况合并单元线路保护45电子式互感器应用情况46

智能终端及GOOSE交换机47电子式互感器合并单元配置220kV双母线方式1220kV双母线方式248220kV双母线方式149220kV双母线方式250数字化变电站概述电子式互感器智能化开关智能化开关的特点智能化开关的解决方案网络化二次设备工程实例51

智能化是开关设备的发展趋势，对提高运行的可靠性、减少维护的工作量、实现自动化和无人化具有重要意义。根据IEC62063:1999对智能开关设备的定义，它不但具有传统开关设备的基本功能，还具有在线监视、智能控制、数字化接口和电子操作等一系列的高智能化功能。完善的智能化开关设备必须具备以下功能：

1）设备的状态监测和自诊断功能;3）智能化操作控制功能;3）电网正常运行状态的自动监测;4）电网事故的识别功能。

智能化开关设备的特点52智能化开关的实施方案实施方案利用现有的成熟的二次技术，结合传统开关设备，提升智能化水平PCS-9820GIS智能汇控柜PCS-222智能操作箱53智能化开关设备

54基于保护及智能控制柜的变电站基本结构55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。56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(PCS-9821)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。57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图纸的正确性负责。58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。59

断路器操作功能1）

接收保护分相跳闸、三跳和重合闸GOOSE命令，对断路器实施跳合闸；2)

支持手分、手合硬接点输入；3）

具有分相或三相的跳合闸回路；4）

具有跳合闸电流保持功能；5）

具有跳合闸回路监视功能；6）具有跳合闸压力监视与闭锁功能；7）具有断路器防跳功能。

智能操作箱的主要功能60开入、开出功能

1）接收测控遥控分合及联锁GOOSE命令，完成对断路器和刀闸的分合操作；2）就地采集断路器、隔刀和地刀位置以及断路器本体的开关量信号；3）具有保护、测控所需的各种闭锁和状态信号的合成功能;4）通过GOOSE网络将各种开关量信息送给保护和测控装置。

智能操作箱的主要功能61IEC61850的应用IEC61850是国际电工委员会(IEC)TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。IEC61850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。不仅规范保护测控装置的模型和通信接口，而且还定义了电子式CT、PT、智能化开关等一次设备的模型和通信接口。62IEC61850的应用要解决的主要问题网络通信信息共享和互操作63互操作试验国调中心组织国内各大厂家进行了6次互操作试验。南瑞继保全程参与并通过了互操作试验国内第一家通过了KEMA试验(荷兰），承接海外工程IEC61850的应用64数字化变电站概述电子式互感器智能化开关网络化二次设备工程实例65网络化二次设备网络化二次设备要求具有数字化接口满足电子式互感器的要求满足智能开关的要求网络通信功能满足IEC61850的要求基于IEC61850的间隔层和站控层设备RCS-9700变电站自动化系统PCS-900系列保护装置PCS-9700系列测控装置RCS-9000C系列四合一保护测控装置RCS-9700系列通信设备6667保护测试手段可提供数字信号的新型测试设备（omicron、博电等）本公司：通过转换设备（HELP2000等）两种方案的优缺点比较68

GOOSE（GenericObjectOrientedSubstationEvent）是IEC-61850通讯规约中专门用于状态量信息的表示和传送的一种功能，其中文意思是“面向通用对象的变电站事件”。在数字化变电站中，为适应二次设备网络化的要求，对智能开关与二次设备之间状态量信息的传送要求很高，要确保实时性、可靠性和标准化，为此在智能开关与二次设备之间专门配置一层专用的以太网络用来传送GOOSE信息，这就是GOOSE网。换句话说，GOOSE网络就是数字化变电站系统中专门用于传送GOOSE信息的以太网络。

GOOSE网络69当系统发生任何状态变化或输出命令时，智能电子设备将通过GOOSE报告，多播一个状态信息。GOOSE网络传送的实时信息有：(1)

保护装置的跳、合闸命令(2)

测控装置的遥控命令(3)

保护装置间信息