光纤数字变电站的应用

光纤数字变电站的应用1引言国家电网公司在《国家电网公司“十一五”科技发展规划》中提出了提高电网运行管理控制水平的六个重点技术领域，其中电网自动化技术已经成为电力生产的重要支撑。“十一五”期间，随着大量电厂和变电站投产、特高压电网初具规模，以及特大型交直流互联电网的形成，对电网的安全、稳定、经济运行提出了更高要求，需要研究和应用更加先进的变电站自动化技术，在数字化变电站技术研究方面实现突破。到“十一五”末，使得国网公司系统变电站自动化应用水平与电网的发展相适应，技术研究和应用水平达到国际先进。目前变电站内数字化技术的运用还存在着各种各样的局限性。一次电气设备和二次装置之间的信息交互还是依靠强电控制、模拟信号传送和硬节点输入，开关场一次电气设备和二次装置之间需要敷设大量的二次电缆，无论是对电力设计、电建施工还是运行维护都存在很大的工作量。一次电气设备模拟信号和状态信号的数字化处理还是依靠二次装置来完成，这样就无法做到一次电气设备(高压系统)和二次设备(弱电系统)的电气隔离。现有的二次设备(无论是测控装置还是保护装置)支持不同的、各种各样的通信协议和传输介质，且越来越多的智能电子设备应用于变电站，互操作性问题日益突出。在这样的形势下，实现变电站内一次设备信息处理的光电数字化，并在此基础上按照IEC61850标准建设数字化变电站，已经公认为技术发展方向。2发展趋势35kV光电数字化变电站系统，是面向农网按全新概念设计的变电站系统，是现代电子和光电技术相结合的产物，代表了当今变电站自动化发展的方向。这种全新系统的应用使变电站的施工更加简单，安全性能大大提高，设备防浪涌、防雷电效果更加显著，数据采集传输更加快捷准确。长期以来，我国电力系统一直沿用常规的电磁式电力互感器，为保护测控装置提供所需信号。其基本模式为：电磁式功率型互感器+二次信号电缆+测控保护装置。尽管随着电力电子技术、数字技术的迅速发展，变电站大量采用了微机测控保护装置，但为了配接传统的互感器，微机测控保护装置依然需要在前级增加变换电路，将互感器的大电流、高电压信号，转换成小电流、低电压。由于传统互感器是以强电方式输出模拟信号，其信号传输依赖铺设大量电缆，保护测控装置也需要复杂的电缆连接。又由于常规互感器存在暂态特性差，易产生铁磁谐振，二次开路会产生高压等缺陷，对电网的安全可靠运行带来了不稳定因素。随着微机保护的推广，保护和测控设备已不再需要功率输出的互感器。近十年来，发达国家已在大力研发和应用新型的光纤接口的电子式互感器。例如ABB在其PASS(Plug&SwitchSystem)系统，三菱公司在其MITS(MitsubishiInformationTechonlogySwitchgear)系统中都采用了光纤接口的电子式互感器，大大加强了系统的可靠性。这种集成了新型电子式互感器的智能化开关设备已在法国、德国、瑞典等国家投入运行。3光纤变电站发展现状目前国内许多电力公司、研究院所、制造厂家都在关注数字化变电站的发展，已经进行了数字化变电站的试点应用----据文献统计，已经有近百个110KV及以上电压等级的数字化变电站或数字化间隔投运。2003年国家电网公司制定的科技发展规划中明确提出了在重点技术领域中，“研究基于电子式电压，电流传感器的继电保护技术，研究电力电子设备对继电保护的影响及加强电力系统光电传感器技术研究，研制电力系统光电传感器”。4研究方向数字化变电站是一个系统方案，技术上涉及多个专业领域，在整体项目的实现上曾经先后讨论过多种方案。比如：采用就地保护方案。该方案的核心是将保护测控装置分别安装在不同间隔，但不能隔离一次系统故障对二次的影响：第二个是就地光化方案，该方案的核心是依然采用传统互感器，把传统互感器的输出信号就地数字化、光化，然后用光纤送至主控室。该方案依然没能摆脱传统互感器的缺点。第三个是采用数字式光电互感器，通过光纤介质传输二次信号，采用数字接口的保护测控装置。5光纤变电站的主要特点A.采用电压/电流组合式电子式互感器。B.不独立设置合并单元(MU)，而将合并单元置于保护测控装置内部。C.不设置同步采样时钟系统，各个互感器进行等间隔独立采样，相关电压、电流进行向量运算时采用插值法进行同步。D.采用智能汇控箱+传统开关方案，解决开关智能化。E.多个二次装置公用的信号，采用光转发器的方式扇出多路光信号。F.采用数字积分电度装置，作为考核计量。6光纤变电站系统图光电数字化变电站系统的整体结构是按IEC61850的通讯体系来设计的，整个系统分为变电站层、间隔层和过程层。过程层的设备包括带有光纤数字接口的电子式互感器和智能汇控箱，间隔层的设备包括主变差动、后备及线路等各保护装置，变电站层的设备指通讯工作站，完成整个变电站的通讯管理以及与调度的通讯。7一次设备的选用7.1电子式互感器的选用电子式互感器按传感原理可分为无源全光型电子式互感器和有源型电子式互感器。无源全光型电子式互感器是基于纯光学原理的互感器，光学电流互感器利用法拉第的磁光效应测量电流，光学电压互感器利用Pockels光电效应测量电压。无源全光型互感器基于光学传感技术，其一次侧光学电流、电压传感器无需工作电源，具有较大的技术优势;但光学传感器的制作工艺复杂，稳定性及一致性不容易控制，制造成本很高，在中压系统中应用性价比不合适，一般用于高压系统中。综合考虑到技术的可实施性、最终产品的性价比，本方案中电子式互感器采用是有源型电子式互感器。有源型电子式电流互感器的电流传感元件目前常用的有两种：1采用新型高饱和电流精密电流互感器，2采用空心线圈(罗氏线圈)。其中罗氏线圈以其良好的频率响应、高的测量准确度和结构简单、成本低廉等特性而成为首选。有源型电子式电压互感器的电压传感元件主要有三种：电容分压、电阻分压、感应分压结构。电阻分压结构的精度较高但绝缘是问题，感应分压结构的体积较大，综合考虑精度、绝缘、制作复杂性问题，本方案中选用电容分压的电子式电压互感器。7.2基于罗氏线圈结构的有源电子式CT的工作原理罗氏线圈的原理结构：将导线均匀地环绕在一个截面均匀的非磁性材料的骨架上，即可构成一个罗氏线圈，其原理如图：罗氏线圈的的输出电压e(t)与被测电流i(t)的时间导数成正比，将e(t)积分便可求得电流i(t)，e(t)经积分变换及A/D变换后，变成离散化的数字信号，编码后由LED转换为数字光信号经光缆输出。7.3电容分压结构的有源电子式PT的工作原理被测高压经电容分压器分压后变成弱电压信号，弱电压信号经A/D变换后，变成离散化的数字信号，编码后由LED转换为数字光信号经光缆输出。图中可见主绝缘电容C1实际上是由一个导线和一个充满绝缘介质的圆筒组成的，绝缘稳定可靠。7.4有源电子式互感器的供能方案有源型电子式互感器的电子元器件的供电电源大体上有三种方式即激光供电方式、线圈抽能方式和隔离供电方式。激光供电方式：完成测量的电子线路在高压侧，数据通过光纤传送到二次侧，同时从二次侧将电能转换成光能经光纤送至一次侧，再由光电池把光能还原为电能供高压侧电子线路工作。此种方式优点是电源稳定，不受母线电流变化的影响，通过光纤实现解决高低压侧的绝缘问题，但这种方式造价高，比较适用于高电压等级的系统。线圈抽能方式：完成测量的电子线路在高压侧，采用特制的线圈直接从高压线路上抽取电能，为光电器件供电。这种方式比较经济，不足的是这种方式由于母线电流变化范围非常大，为了保证一个稳定的电源输出，高压侧电子器件较多结构较复杂，并且在线路恢复送电的瞬间有一个电源建立时间，不能及时回传数据，影响保护动作时效性。隔离供电方式：完成测量的电子线路在低压二次侧，直接从二次侧提供电源。鉴于中压系统中绝缘成本低、绝缘性能可靠，采用这种方式性价比最高。供电部分原理如下：如上图所示：交流电源是变电站上经UPS加隔离变压器后送出的纯净的正弦波，送到各个电子式互感器间隔后，首先经过避雷器对高压浪涌进行滤除，然后经隔离变压器输入到滤波回路，经过上述两个环节后，一般的浪涌和共模干扰信号就已经被屏蔽，经高压滤波送到降压变压器的交流电为稳定电源，可以进行降压?〉整流?〉滤波?〉DC/DC处理后提供给A/D和E/O电路使用。这种供电方式充分解决了光电池成本过高和高压抽能不稳定的问题，在两端加入隔离变压器后可以完全隔离雷电浪涌的冲击，该方案性能价格比高，稳定可靠，适合于35kV电压等级的电子式互感器。7.5参考标准电子式互感器的国际标准有IEC60044-8《互感器第8部分：电子式电流互感器》和IEC60044-7《互感器第7部分：电子式电压互感器》。8信号同步方案根据IEC60044规定，各个电子式互感器同步采样有两种实现方案，一种是同步脉冲法，另一种为插值同步法。一般在高压系统中，间隔层需要设置独立的合并器，实现相关电信号的同步采集。合并器为各个独立的互感器提供同步采样脉冲，其他二次装置(保护、测控装置等)与合并器接口得到所需数据，与如下图：但是，将这种方式直接用于中/低压系统，造成系统复杂、造价较高。因此，本方案设计中省去了独立的合并器，将合并器的功能置于保护装置中，采用线性插值法实现相关信号的自同步，原理如下图：两路信号分别进行独立的等间隔自由采样，实际采样点为图中离散的黑点，而竖线时刻为保护算法所需的采样时刻。可见，实际采样点并不是保护算法需要的点。为得到保护算法需要的点，只需将相邻实际采样点用直线连接，计算此直线与图中竖线的交点，即为保护算法所需要的点。采用线性插值法进行相关信号自同步，不需要增加额外硬件开销，降低了成本。只要实际采样点足够密，就可以将两点间近似为直线，而不会引起很大误差。用Mathlab进行模拟计算，采用对标准50Hz信号进行128点采样时，这种插值法的最大理论误差小于千分之1.2;当采用256点采样时，这种插值法的最大理论误差小于万分之3。本方案采用128点采样，完全满足系统的运行的需求。采用高稳定晶体，各个电子式互感器分别进行各自的固定周期采样，采样结果立即以报文传送，并将采样启动时刻与报文第一个字节发出时刻的时间差作为报文内容一起传送。这个报文用光纤直接送入相应保护单元的报文解码电路。报文解码电路接收报文，同时用硬件方式纪录第一个字节的收到时刻。保护装置利用得到的采样数据实时计算电网当前频率，按自己的分频(目前是每周波32点)发出采样脉冲，解码电路根据此采样脉冲时刻，和相邻两个报文送到时刻，采用插值法算出采样脉冲时刻的信号估值。8.1公用信号分路方案针对象主变低压侧电流这类的公用信号(主变差动保护和后备保护等多个保护装置都需要，但主变低压侧电子式电流互感器只安装一组)的情况，由于未设独立的合并单元，本方案中采用了一个光电集线器解决。光纤信号进入光电集线器后，先进行光电转换，转换成电气信号以后就可以任意并出多路电气信号，每路电气信号分别进行电光转换，这样，1路光纤信号就可扇出多路光纤信号，整个过程完全由硬件实现，没有延时。在中压系统中，多个装置共用同一互感器信号的情况较少，所以采用光电集线器比设置独立合并单元方案更简洁、性价比高。光电集线器的工作原理如下图所示：9技术特征①以光电数字信号代替传统变电站中模拟信号。②一套测控系统满足所有监控、保护信号输入要求。③测量精度高于传统方案的精度。④采用自同步技术，合并器装置和保护装置合一，降低用户使用成本，提高可用性。⑤采用智能汇控箱，采集断路器开关量，执行分合闸操作，使保护装置与一次设备的的通信介质全部采用光纤。⑥全部通信介质采用光纤。⑦全部采用DSP数字信号处理器。10总体性能指标与国内外同类先进技术的比较性能指标具备了国内外光电数字化系统的同等水平。而综合造价大幅度降低，降低用户使用成本，提高可用性、有利于大面积推广应用。10.1从可靠性、安全性分析：10.1.1电子式互感器由于采用的电子式互感器无磁饱和现象，暂态特性好，避免了由于传统的电磁式互感器饱和问题而引起的保护误动、拒动问题，同时电子式互感器结构简洁，绝缘处理容易，没有传统互感器开路和短路及谐振的问题。其自身功耗大概只有传统互感器的