数字式传感器在变电站自动化中的应用研究

数字式传感器

在变电站自动化中的应用研究本文的内容一课题的提出及意义二本文所做的工作三数字式传感器介绍四数字式传感器的应用实例五对数字式传感器的评价六数字式传感器与变电站自动化系统的接口七合并单元功能及其同步方案八结语传统的CT、PT的缺点电压等级越高，短路电流越大，为解决绝缘和传变特性，必然是体积增大，设备变得更加笨重，安装运输不便。暂态传变特性差，高压系统中要求保护动作速度快，改善暂态传变特性需增加投资。CT二次侧输出对负载有严格要求，超高压变电站占地面积大，从开关场到控制室的二次电缆可达200米，为保证传变精度，增加电缆截面也不一定能解决问题。传变大电流会造成铁芯饱和，成为差动类保护头痛的问题。CT二次不能开路，会产生数千伏的高压，危及人身设备的安全。一课题的提出及意义数字式互感器是必然出现的技术信息技术高速发展，传感器、通信、计算机式信息技术的三大基础，数字式传感器很自然的要渗透到电力工业领域。计算机化的保护、测量、计量设备给数字式互感器提供了配合使用的可能。光纤是最好的抗干扰、绝缘材料电力技术的发展，高电压大容量输电要求控制、保护设备响应速度更快，监测精度更高，传统的电流（压）变换器要满足要求，制造工艺复杂，体积更大，造价增加比电压等级增加快的多，有些缺陷是不可克服的。一课题的提出及意义本文主要任务是完成以下工作：1．对无源光电传感器和有源电子式传感器进行调研。2．研究ABB公司的PASS（PlugandSwitchSystem）系统和三菱公司的MITS(MitsubishiInformationTechnologySwitchgear)系统。3．研究IEC60044、IEC61850系列标准中关于数字式传感器与变电站自动化系统间隔层的接口。4．研究合并单元的功能及其实现，讨论一种合并单元同步的新方法。二本文所做的工作数字式传感器的研究状况在国内外研究比较活跃在国外：ABB的PASS已成功的应用于工程,三菱的MIST也宣称可以进行工程供货。ALSTON、SEMENS公司已将其产品列入供货范围。国内：华工、清华为首，各大院校电力和电子专业都积极的开展这方面的研究。国内的大型互感器生产厂家也在积极参与。二次设备生产厂家也在开发相应的二次设备。目前已有多家挂网试运行。尚未形成真正的产品。三数字式传感器介绍数字式传感器的分类目前大部分的研究可分成两类：利用光学材料的电光效应、磁光效应将电压电流信号转变成光信号，经光缆送到低压区，解调成电信号或数字信号。因高压区不需电源，称为无源光电传感器。基于罗果夫斯基线圈或电容（电阻）分压，先将高电压大电流变换成小信号，经A/D变换成数字信号后通过光缆送出给接收端，高压端电子设备需要供电，称为有源电子式传感器。还有一类可称为混合型，Rogowski线圈将电流转换成小信号，用激光和光纤将能量送入高压区给电子设备供电，低压区和高压区是隔离的，又避开了无源光纤传感器技术的难题，本质上是有源的。三数字式传感器介绍光学式电流传感器原理示意图法拉第旋光效应是指物质中传输光的偏振面因受到外加磁场的作用而产生旋转的现象.图中一线性偏振光通过置于磁场中的法拉第旋光材料后，若磁场方向与光的传播方向平行，则出射线性偏振光与入射线性偏振光的偏振平面将产生旋转角θ∝H,采用光纤或磁光玻璃使光路环绕通电导体闭合，则延环线的磁感应强度积分等于环线包围的电流，θ∝I三数字式传感器介绍磁光式无源OCT采用磁光玻璃的法拉第效应测量电流。传感头不需电源高压区无电子器件运行寿命易保证目前尚在开发中，测量精度不高，长期稳定性存在问题，光学器件制造难度大。ALSTHOM已有产品。三数字式传感器介绍全光纤型OCT全光纤型ECT的传感器由光纤制造，回避了磁光玻璃与光纤的连接问题。可以较任意的形成多个闭合光路，监测灵敏度要高。要采用特殊的光纤，

称为保偏光纤，造价昂贵，工艺尚不稳定电子部分与无源型一样三数字式传感器介绍光学式电压传感器原理示意图光纤电压传感器大多数是基于Pokels效应的。采用BGO（锗酸铋，Bi4Ge3O12）晶体。BGO晶体在没有外电场作用时各向同性，在外电场作用下，光率体由圆球体变为三轴椭球体，其主轴一般也不与原坐标重合，各向同性的晶体变成了各向异性的双折射晶体。若外加电场沿晶体的<110>方向（见图2-6），当光通过长为l的晶体时，出射的两光束产生了相移。

三数字式传感器介绍无源光电电压传感器POVT由高压部件、光电电压传感器和光纤电压测量回路组成，电压传感器是核心部件，如图示。借助于BGO晶体（锗酸铋Bi4Ge3O12）光电特性,当一单色平行光束投射到端面平行的双折射晶体上时,由于外加电场的存在,入射光束就会变成初相相同,而电位移矢量互相垂直的两束光,它们在晶体中的传播速度不同,出射时有一定的相位差,这相位差即正比于加在晶体上的电压。光的相角差测量困难，应用光干涉后的光强近似替代角差测量。三数字式传感器介绍有源ECT原理采用空心互感器（即Rogowski线圈）罗果夫斯基线圈输出端得到的电压信号与电流对时间的导数成比例，所以为了得到与电流成比例的信号，需要积分。

三数字式传感器介绍典型的有源ECT方案采用两个线圈，一个取信号，进行V/f变换后经光纤送出，另一个提供电源。高压区信号处理电路的电源用激光经光纤上送，经光功率转换模块提供。三数字式传感器介绍有源EVT原理采用电容式分压器被测高压经电容分压器分压后，经信号预处理、A/D变换及LED电光转换，以数字光信号的形式输出，以供微机保护和计量用。三数字式传感器介绍华中理工大学研制的POVT方案及实物图中1为起偏器;2为90°直角棱镜;3为1/4λ波片;4为BGO晶体;5为检偏器;6为自聚焦镜。四数字式传感器的应用实例ABB的PASS系统：PASS(PlugAndSwitchSystem)可称为智能插接式开关，是装在一公共气罐上的断路器、隔离开关、接地开关、电流和电压传感器,以及套管组成一气体绝缘金属密闭组合体。其电子CT采用了Rogowski线圈、PT采用电容分压的有源方案，目前已在澳大利亚某电力公司运行。四数字式传感器的应用实例安装在PASS中的过程处理单元（PISA），将电流、电压、刀闸位置、气体密度信号的经星型耦合器连接送入PISA处理后送出。PISA电源由100V电池变220V供给，容量约10瓦。四数字式传感器的应用实例BlackwallSubstation,Queensland,Australia（1999年11月投运）三菱公司MITS系统的电子CT/PT方案四数字式传感器的应用实例四数字式传感器的应用实例四数字式传感器的应用实例三菱公司I-AIS系统的电子CT四数字式传感器的应用实例华工研制的ECT四数字式传感器的应用实例数字式电流和电压互感器与传统CT、PT性能对比性能传统电流和电压互感器数字式电流和电压互感器信号5Ａ/100Ｖ150ｍＡ/2Ｖ次级负载1～50ＶＡ≥4光欧准确度测量:02%～1%多用途1%保护:5%～10%动态范围40×Ｉｎ/19×Ｕｎ无限制线性非线性完全线性饱和输出信号畸变不存在铁磁畸变破坏性(电压互感器)不存在温度系数无影响受补偿电磁兼容性无影响屏数短路的次级破坏性(电压互感器)无伤害开路的次级破坏性(电流互感器)无伤害重量/kg40(电流、电压互感器)8(组合互感器)寿命期成本高低与微机接口需高/低变换,成本高可通过分压直接应用,简单。所有应用的不种类繁多2种同型式五对数字式传感器的评价数字式传感器的优点体积小、重量轻，电压高时更是如此便于和数字设备连接，实现智能化多功能绝缘性能好，造价低不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题暂态特性好，测量精度高。频率响应范围宽五对数字式传感器的评价对无源光CT/PT的评价纯光学的电流、电压传感器测量原理有很多优点，传感头没有电子器件，体积小，绝缘性能不受结构的影响，不需要电源，抗EMC能力强。目前的OCT/PT测量精度不高，稳定性差有几个原因：1、光材料的温度特性差，直接影响精度。2、传感器设计者要求的加工工艺达不到要求3、光角的测量本身就是精密的电子技术。研制新的稳定的光学传感材料，采用电子技术或对已清楚的影响因素进行补偿。五对数字式传感器的评价对有源ECT/EPT的评价有源式ECT、EPT的运行稳定性好，制造精度高，线性范围宽、与传统的制造技术有继承性，缺点是：高压区有电子器件，要解决电磁干扰问题。要考虑便于电子单元的更换安全的供电电源通过加强屏蔽，改善绝缘，合理的设计装配结构可以解决上述的问题，目前这类产品的研究非常活跃已进入实用化的阶段。Rogowski线圈和分压式PT还成功的应用于低压领域，将微小的电信号直接送入装置，在装置内直接进行A/D变换，信号处理，完成保护、测量、控制、甚至计量计费功能。省去了变数字变光的中间环节。应当指出，高压区有电子元件和供电电源，并不是说供电电源和电子设备直接处于高压电位，实际上他们仅仅是处于高压区，这是有区别的。在光学传感器稳定性、测量精度没解决之前，这是另一条发展信息化的道路，光CT/PT的产品可能更适合超高压电网。五对数字式传感器的评价

变电站自动化系统接口模型

六数字式传感器与变电站自动化系统的接口IF1：在间隔层和变电站层之间交换保护数据IF3：在间隔层内交换数据IF4：在过程层和间隔层之间CT和PT瞬时数据交换（例如采样值）IF5：在过程层和间隔层之间交换控制数据IF6：在间隔层和变电站层之间交换控制数据IF7：在变电站层和远方工程师工作站之间交换数据IF8：在间隔层之间直接交换数据，特别是快速功能,例如互锁IF9：在变电站层之间交换数据

变电站自动化系统模式演化

基于IEC61850的变电站自动化系统结构

六数字式传感器与变电站自动化系统的接口第1步：基于IEC61850-9-1或IEC60044-7/8的点对多点连接控制中心人机接口技术服务交换机路由器站级总线保护1监控设备常规开关设备电子式CT/VT保护2保护1监控设备常规开关设备数字式CT/VT保护2IEC61850-9-1IEC60044-7/8六数字式传感器与变电站自动化系统的接口第2步：基于IEC61850-9-2的过程总线连接控制中心人机接口技术服务交换机路由器站级总线保护1监控设备智能开关设备数字式CT/VT保护2保护1监控设备智能开关设备数字式CT/VT保护2IEC61850-9-2过程总线交换机交换机六数字式传感器与变电站自动化系统的接口第3步：同一网络－基于IEC61850-9-X监控设备智能开关设备过程总线控制中心人机接口技术服务交换机路由器站级总线保护1数字式CT/VT保护2保护1监控设备智能开关设备数字式CT/VT保护2交换机交换机六数字式传感器与变