光电数字化变电站的研究与应用

摘要：本文给出一种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。

关键词：电子式互感器 智能汇控箱 光缆 IEC61850

1 概述

一般35kV变电站中都采用传统的电磁式电流、电压互感器，其原理和参数是按早期电磁式保护和测量设备设计的，采用模拟强电输出（5安培/1安培、100伏），输出容量大，传输距离短，容易被电磁干扰。电磁式电流互感器由于铁芯的磁滞和饱和特性，引起不可克服的暂态特性差，动态范围小、频带范围窄的缺点。电磁式互感器电压等级越高，制造工艺越复杂，可靠性越差，造价越高。另外电磁式互感器体积庞大，安装、维护不方便。信号传输还需使用大量的电缆。

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20多个110KV及以上电压等级的数字化变电站投运。

2 技术方案

面向中压系统的数字化变电站系统的技术方案，不能完全仿照高压系统的方案，必须综合考虑造价问题，本方案旨在提出一种适合中国目前35kV农网实际情况的，充分满足技术指标的，实用化的光电数字化系统解决方案。

2.1 方案主要特点

①采用电压/电流组合式电子式互感器。

②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。

③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。

④采用智能终端（智能汇控箱）+传统开关方案解决开关智能化问题。

⑤多个二次装置公用的信号，采用光电集线器的方式扇出多路光信号。

2.2 电子式互感器

2.2.1电子式互感器的选型

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。

2.2.2 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。

2.2.3 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。

2.3 信号的同步方案

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。

但是，同步脉冲法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。

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三。本方案采用128点采样，完全满足系统的运行的需求。

2.4 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。

2.5 智能汇控箱

为了最大限度的发挥光纤的优势，对开关的控制输出（分合闸）以及开关的各个信号量输入也采用光纤传送。为此，设置了智能汇控箱。传统开关的位置信号和控制信号就近接入智能汇控箱，智能汇控箱进行智能化处理后通过光纤与主控室内的保护装置通讯。保护装置的分合闸指令通过光纤送到智能汇控箱，智能汇控箱启动相应继电器动作断路器。断路器的状态信号由智能汇控箱采集，送到保护装置。

3 应用意义

3.1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1/20～1/30，又由于电子式互感器具有宽范围测量特点，在变电站线路增容时，无需更换互感器。上述优势，解决了长期以来传统互感器存在的诸多不足，其维护量也大大减少，操作人员的人身安全也进一步得到保证。

3.2 以光缆通信代替了电缆信号传输，按传统施工估算，平均一个变电站约需铜质电缆一千米，造价约在三万元左右。采用光纤通信后可降低造价约两万元，同时还节省一笔电缆施工费用。

3.3 采用光纤传输方式后，变电站一次回路和二次回路实现了有效的隔离，长期以来在变电站因电缆感应，传导的过流、过压现象得以消除，设备的安全性得到进一步提高。

3.4 数字化变电站在信息采集、传输、处理和输出过程全部数字化，数据精度高、保护动作准确可靠。

4 结束语

光电数字化变电站的应用，其意义不仅仅是在35kV变电站引进了一种新技术，采用了一套新系统。更重要的是为农网的安全、可靠运行提供了更加良好的技术保障，综合效益明显，通过数字化的优势，搭建了一个具有各种功能于一体的信息平台，避免了重复投入，降低了设备的生命周期成本，大大提高了变电站的可靠性。

参考文献：

[1]柴月春.浅谈数字化变电站.《数字技术与应用》2011年11期.

[2]田志国.许继电气股份有限公司.《电子式互感器技术交流》.

[3]申屠刚.智能化变电站架构及标准化.《信息平台研究》[D]浙江大学2010年.