数字化变电站的优点及技术应用

　　摘要：实现变电站内各种信息的有机整合，提高系统的智能化程度和信息化应用的效率，以交换式以太网技术和光缆为媒介的信息通信模式将为整个变电站的工程实施、运行、检修、更新模式带来巨大的变化，文章就数字化变电站的优点和技术应用进行了相关的叙述。
　　关键词：数字化变电站；应用
　　1概况
　　随着光电技术在传感器应用领域研究的突破、IEC61850标准的颁布、以太网通信技术的应用、计算机运算能力的提高以及智能断路器技术的发展，使变电站自动化技术迎来了一个崭新的发展机遇。
　　2数字变电站的定义 
　　数字化变电站是由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）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。
　　3数字变电站的优点
　　数字化变电站的主要优点有六个方面：
　　（1）各种功能共用统一的信息平台，避免设备重复投入；
　　（2）测量精度高、无饱和、无CT二次开路；
　　（3）二次接线简单；
　　（4）光纤取代电缆，电磁兼容性优越；
　　（5）信息传输通道都可自检，可靠性高；
　　（6）管理自动化。
　　4数字变电站的关键技术
　　4.1一次设备数字化与智能化
　　4.1.1电子式互感器
　　国际上将有别于传统的电磁型电压/电流互感器的新一代互感器统称为电子式互感器。电子式互感器依其变换原理可以分为有源和无源两大系列，有源电子式互感器又称为电子式电压/电流互感器（EVT/ECT）。无源电子式互感器主要指采用法拉第效应光学测量原理的电流互感器，又称为光电式电压/电流互感器（OVT/OCT）。
　　4.1.1.1有源式互感器系统
　　有源式互感器主要指罗柯夫斯基（Rogowski）线圈，又称为电子电压/电流互感器（EVT/ECT），其特点是需要向传感头提供电源，目前成熟产品均采用光纤供能方式。
　　罗柯夫斯基（Rogowski）线圈原理图4.1罗柯夫斯基线圈（简称罗氏线圈）实际上是一种特殊结构的空心线圈，将测量导线均匀地绕在截面均匀地非磁性材料的框架上，就构成了罗氏线圈，如图4.1所示。
　　从测量大电流的观点来看，罗氏线圈是一种较理想的敏感元件。由于它不与被测电路直接接触，可方便地对高压回路进行隔离测量，当被测电流从线圈中心通过时，在线圈两端将会产生一个感应电压，若线圈匝数密度n及线圈截面积s均匀，则线圈感应电压的大小为：
　　V=-。nsdi∕dt（4-1）
　　式中，。为真空磁导率。
　　式（4-1）表明空芯线圈的感应信号与被测电流的微分成正比，经积分变换等信号处理便可获知被测电流的大小。
　　4.1.1.2全光学互感器系统
　　全光学电流互感器主要指采用光学测量原理的电流互感器，又称为光电式电流互感器，其特点是无须向传感头提供电源。全光学电流互感器工作原理见图4.2。
　　图4.2
　　4.1.1.3全光学电流互感器工作原理
　　全光学电流互感器的本质是基于Faraday效应和两束光干涉的原理来测量电流，如上图所示，它由光路及检测电路两部分组成，光路部分采用全光纤结构,检测电路采用全数字闭环检测方案。
　　光路系统主要由光源、光纤分束器、光纤起偏器、光纤相位调制器、光纤波片和传感光纤组成，所有光学器件采用全光纤结构，通过保偏光纤连接。由光源发出的光经过一个分束器后由光纤起偏器起偏,光纤起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°角熔接。通过测量相干的两束偏振光非互易的相位差,就可以间接地测量出导线中的电流值。由于系统中传输的两束光通过了完全相同的光路，外界环境如温度及振动的变化对两束光有相同的影响，大小相等、方向相反，互相抵消，因而系统具有很好的环境抗干扰能力。
　　4.1.1.4有源电子式电压互感器
　　根据使用场合不同，有源电子式电压互感器一般采用电容分压或电阻分压技术，利用与有源电子式电流互感器类似的电子模块处理信号，使用光纤传输信号。
　　图4.3为电阻/电容型电压变换器原理图，与常规的电容式电压互感器相同，不同的是其额定容量在毫瓦级，输出电压不超过±5V。因此，R1(或Zc1)应达到数百兆欧以上，而R2(或Zc2)在数十千欧数量级，为使电压变比K2接近K2=R2/(R1+R2)或C2/(C1+C2),要求负载阻抗Z»R2（或Zc2）。同时分压所用电阻和电容在﹣40～+80℃的环境温度中应阻值稳定，并有屏蔽措施避免外界电磁干扰。
　　图4.3
　　4.1.1.5电子式互感器基本特点
　　随着计算机和数字技术的发展，数字式控制和保护装置已广泛用于电力系统，与传统电磁感应式电流互感器相比，电子式互感器具有如下一系列优点：
　　（1）高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能。
　　电磁式互感器的被测高压信号与二次线圈之间通过铁芯耦合，绝缘结构复杂。电子式互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化。电子式互感器利用光缆作为信号传输工具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。
　　（2）不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题。
　　电磁式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问题。电子式互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象。
　　（3）抗电磁干扰性能好。
　　电子式互感器的高压侧与低压侧之间只存在光纤联系，信号通过光纤传输，高压回路与二次回路在电气上完全隔离，互感器具有较好的抗电磁干扰能力。
　　（4）动态范围大，测量精度高。
　　电网正常运行时电流互感器流过的电流不大，但短路电流一般很大。电磁式电流互感器因存在磁饱和问题。电子式互感器有很宽的动态范围，可同时满足测量和继电保护的需要。
　　（5）频率响应范围宽。
　　电子式互感器可以测出高压电力线上的谐波，还可进行电网电流暂态，高频大电流与直流的测量，而电磁式互感器是难以进行这方面工作的。
　　（6）没有因充油而潜在的易燃、易爆炸等危险。
　　电子式互感器的绝缘结构相对简单，一般不采用油作为绝缘介质，不会引起火灾和爆炸等危险。
　　综上所述，电子式互感器具有明显的经济效益和社会效益，对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行并提高其自动化程度具有深远的意义。
　　4.2二次设备的数字化和网络化
　　4.2.1合并单元装置
　　合并装置是光电互感器的低压端信号处理部分，主要包括以下主要部份：机箱（CASE）、电源模块（POWER）、串并转换模块（SPC）、合并装置模块（MU）、激光模块（Laser）组成。其主要工作原理如图4.4：
　　图4.4
　　4.2.2以网络化方式实现变压器非电量保护
　　智能化工程中变压器非电量保护由非电量智能终端实现，有过程层网络跳闸和硬接点跳闸两种方式。能实现了以就地安装、网络化跳闸为特征的数字化变压器非电量保护。
　　4.2.3数字式计量表
　　采用数字式电能表，用光纤传输电流电压的数字信号，电流电压信号只在源头进行唯一的高精度模数转换，数字化的电流电压信号在传输到二次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，提升了计量系统的精度。另外，数字式计量表一根光纤的接入就完成了常规计量表全部电流电压二次回路的接线，彻底避免了二次误接线引起的计量错误。
　　4.2.410kV远程网络式保护装置
　　在10kV两段母线各装设一套基于IEC61850-9-2标准的10kV远程网络式保护装置，实现一套保护对应多套10kV馈线（含电容、接地变、站用变）保护。
　　4.2.5基于GOOSE的简易母差的应用
　　简易母差保护装置动作逻辑需要在多个装置之间传递启动闭锁信号，传统的应用需大量的电缆连接，导致二次回路接线比较复杂，可靠性不高，因此，简易母差保护装置在传统变电站的应用非常困难。
　　数字化变电站可将GOOSE应用于简易母线保护，解决了传统简易母线保护闭锁信号交互多，二次回路接线复杂的问题，并提出针对低压侧小电源出线的自适应解决方法，通过优先跳开发送闭锁信号的小电源，小电源动作切除后的加速跳闸来保证任何情况下都可以有选择的快速跳开低压侧母线故障。
　　4.3一次设备在线监测功能
　　开关设备智能化装置实现了对断路器、隔离刀闸控制设备及控制回路的在线检测功能。
　　4.4在智能化变电站条件下实现全站顺控
　　顺控是指顺序控制，也叫程序化操作，是指按照预先设定好的操作步骤由系统自动进行操作，以缩短倒闸操作时间。
　　5数字化变电站维护应注意问题
　　数字化变电站由于其设备的特殊性，维护方式与流程与常规变电站有很大区别。
　　5.1一次设备、二次设备预试定检。
　　数字化变电站设备预试定检内容应参考相关运行管理规定。
　　5.2日常维护。
　　5.2.1应根据变电站具体的设备配置编写详细的操作规程及巡视要求。
　　5.2.2完善数字化变电站设备台账，备品备件、测试仪器一定要准备充足。
　　5.2.3还要编写各种故障处理手册，以防止出现故障处理时，由于对各装置之间的联系不了解导致事故的发生。
　　5.2.4数字化变电站的装置定值也与常规装置的定值有较大区别，尤其是软压板，通常会含GOOSE软压板及功能软压板、SMV软压板等，需要参考装置说明书，详细了解各软压板的意义，整定时不错不漏。
　　5.2.5加强对维护人员的培训。加强运行人员对装置的了解，提高维护人员的自动化水平及保护原理的理解。
　　6结束语
　　建设以光电式互感器、智能化集成开关、智能变压器等数字化一次设备和其他智能电子设备为基础的新型变电站自动化系统，实现数字化变电站站内各层间的无缝通信，最大限度地满足信息共享和系统集成的要求，是数字化变电站技术的发展方向。可以预期。一个系统分布化、结构紧凑化、模型标准化、通信网络化、信息集成化、检修状态化、操作智能化的完全数字化变电站将作为未来“数字化电网”的功能和信息节点展示在人们面前。