智能變電站一次設(shè)備智能化技術(shù)探討

摘要根據(jù)烏魯木齊鐵路局烏拉泊水廠變電所改造工程的設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本文通過(guò)對(duì)智能變電站一次設(shè)備智能化技術(shù)的探討，說(shuō)明智能化一次設(shè)備在智能變電站技術(shù)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。

關(guān)鍵詞智能變電站電子式互感器智能斷路器合并單元智能終端

作為智能電網(wǎng)重要組成部分，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站將變革傳統(tǒng)的變電站運(yùn)行、檢修模式。由于其具有常規(guī)變電站無(wú)法比擬的一系列優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到人們的重視。智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一是一次設(shè)備智能化，即斷路器、互感器等設(shè)備的智能化。

一、智能變電站概念及其特點(diǎn)

1.智能變電站基本概念。智能變電站是指以變電站一、二次設(shè)備為數(shù)字化對(duì)象，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)外信息共享和互操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量監(jiān)視、控制保護(hù)、信息管理、智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能的變電站，它是常規(guī)變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的延伸和發(fā)展。智能變電站在邏輯上分為過(guò)程層（第一層）、間隔層（第二層）、站控層（第三層）三層體系架構(gòu)。過(guò)程層主要包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備；間隔層主要包括繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測(cè)控裝置、故障錄波器等二次設(shè)備；站控層由監(jiān)控主機(jī)、操作員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置和其他各種功能站構(gòu)成。

2.智能變電站主要特點(diǎn)。智能變電站基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，具有“一次設(shè)備智能化、全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、輔助系統(tǒng)智能化、高級(jí)應(yīng)用互動(dòng)化”等重要特征，其傳輸信息為數(shù)字光信號(hào)，而常規(guī)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)傳輸信息為模擬量信號(hào)，這是智能變電站與常規(guī)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)之間的顯著區(qū)別，所以智能變電站要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一是實(shí)現(xiàn)變電站過(guò)程層一次設(shè)備的智能化，即實(shí)現(xiàn)互感器采樣值的數(shù)字化及斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等設(shè)備開(kāi)入開(kāi)出命令和信號(hào)的數(shù)字化以及一次設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。智能化一次設(shè)備包括電子式互感器和智能斷路器等。

二、電子式互感器

電子式互感器依其變換原理分為兩大類，即采用線圈測(cè)量方式的有源電子式互感器和采用光學(xué)測(cè)量原理的無(wú)源電子式互感器。有源電子式互感器又稱為電子式電壓/電流互感器（EVT/ECT），其特點(diǎn)是需要向傳感頭提供電源。電子式電流互感器主要基于小功率輸出的傳統(tǒng)電磁感應(yīng)技術(shù)，電流變換即可用微型電流互感器，也可用羅式線圈，但由于后者具有更好的暫態(tài)響應(yīng)特性，故一般采用后者作為電流變換。電子式電壓互感器主要基于電容和電阻分壓技術(shù)。

無(wú)源電子式互感器又稱為光電式電壓/電流互感器（OVT/OCT），其特點(diǎn)是無(wú)須向傳感頭提供電源。光電式電流互感器主要是利用晶體的法拉第效應(yīng)，即光束通過(guò)磁場(chǎng)作用下的晶體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，測(cè)量光線旋轉(zhuǎn)角度來(lái)測(cè)量電流。光電式電壓互感器主要是利用晶體的普克爾效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量電壓。根據(jù)構(gòu)成材料，光電式電流互感器分為兩類，即磁光效應(yīng)互感器和純光纖互感器。

由于無(wú)源電子式互感器還存在一些難以突破的技術(shù)問(wèn)題，其穩(wěn)定性和可靠性還未達(dá)到實(shí)用化的要求，所以，目前智能變電站多采用有源電子式互感器。

1.電子式電流互感器（ECT）。ECT的結(jié)構(gòu)如下圖所示，其主要由以下四部分組成：

（1）一次傳感器。一次傳感器位于高壓側(cè)，包括一個(gè)低功耗線圈（LPCT）、兩個(gè)羅氏線圈、一個(gè)高壓電流取能線圈。低功耗線圈用于傳感測(cè)量級(jí)電流信號(hào)，羅氏線圈用于傳感保護(hù)級(jí)電流信號(hào)，取能線圈用于從一次側(cè)電流獲取電能供遠(yuǎn)端電子模塊工作。

羅氏線圈是一種較成熟的測(cè)量元件，它實(shí)際上是一種特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈，將測(cè)量導(dǎo)線均勻地繞在截面均勻的非磁性材料的框架上，線圈兩端接上采樣電阻組成。羅式線圈的感應(yīng)信號(hào)與被測(cè)電流的微分成正比，經(jīng)積分變換等信號(hào)處理便可獲知被測(cè)電流的大小。

（2）遠(yuǎn)端電子模塊。遠(yuǎn)端電子模塊包括一次轉(zhuǎn)換器和電光轉(zhuǎn)換器，遠(yuǎn)端電子模塊采集低功耗線圈及羅氏線圈的的輸出信號(hào)，經(jīng)濾波、積分變換及A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過(guò)電光轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號(hào)變?yōu)榇袛?shù)字光信號(hào)，然后通過(guò)光纖將數(shù)字光信號(hào)送至低壓側(cè)，供繼電保護(hù)和電能等設(shè)備使用。

（3）光纖絕緣子。絕緣子為內(nèi)嵌光纖的實(shí)芯支柱式復(fù)合絕緣子。絕緣子內(nèi)嵌8根62.5/ 125um的多模光纖，實(shí)際使用4根光纖（兩根傳輸激光，兩根傳輸數(shù)字信號(hào)），另外4根光纖備用。光纖絕緣子高壓端光纖以ST頭與遠(yuǎn)端電子模塊對(duì)接，低壓端光纖以熔接的方式與傳輸信號(hào)的光纜對(duì)接。

（4）合并單元。合并單元一方面為遠(yuǎn)端電子模塊提供供能激光；另一方面接收并處理遠(yuǎn)端電子模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)，對(duì)三相電流、電壓信號(hào)進(jìn)行同步，并將測(cè)量數(shù)據(jù)按規(guī)定的協(xié)議輸出供二次設(shè)備使用。合并單元的輸出信號(hào)采用62.5/125um多模光纖傳送，接頭為ST型。合并單元可以作為獨(dú)立設(shè)備單獨(dú)設(shè)置，也可以集成于電子式互感器。

2.電子式電壓互感器（EVT）。電子式電壓互感器（EVT） -般由一次側(cè)傳感器（分壓器）、遠(yuǎn)端電子模塊、光纖絕緣子與合并單元組成。分壓器低壓臂輸出的模擬信號(hào)通過(guò)遠(yuǎn)端電子模塊進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/光轉(zhuǎn)換，經(jīng)光纖將數(shù)字光信號(hào)傳送至合并單元。根據(jù)一次側(cè)傳感器的分壓原理的不同又可劃分為電容分壓或電阻分壓，利用與電子式電流互感器類似的電子模塊處理信號(hào)，使用光纖傳輸信號(hào)。

三、智能斷路器及智能終端

斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備的智能化實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一種是將智能控制模塊形成一個(gè)獨(dú)立裝置--智能終端，安裝在一次設(shè)備附近，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化；另一種方式是直接將智能控制模塊內(nèi)嵌在斷路器中，形成一個(gè)不可分割的整體，可直接提供網(wǎng)絡(luò)通信接口，稱之為智能斷路器。

在傳統(tǒng)斷路器等一次設(shè)備旁邊安裝智能終端，該裝置負(fù)責(zé)采集與斷路器、主變壓器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等設(shè)備相關(guān)的開(kāi)入信號(hào)，并負(fù)責(zé)控制斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀的操作。通過(guò)智能終端實(shí)現(xiàn)一個(gè)間隔內(nèi)相關(guān)一次設(shè)備的就地?cái)?shù)字化。智能終端作為過(guò)程層的一部分，為非智能的一次設(shè)備提供了外掛的智能接口。智能終端通過(guò)電纜與一次設(shè)備連接，通過(guò)光纖與間隔層的保護(hù)、控制裝置通信，將開(kāi)人信息上傳，并接收間隔層設(shè)備的控制命令。通過(guò)智能終端，完全取消了間隔層與過(guò)程層之間的電纜。目前，這種方式比較容易實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)智能化變電站建設(shè)基本采用常規(guī)斷路器+智能終端的方案。

將智能終端和斷路器一體化，可解決智能終端后期不便安裝及后期安裝影響開(kāi)關(guān)設(shè)備本體電氣或絕緣性能等問(wèn)題；同時(shí)將智能終端高度集成于斷路器本體，可實(shí)現(xiàn)信息資源共享，減少信號(hào)重復(fù)采集，并減少二次接線的工作量，使產(chǎn)品安裝調(diào)試簡(jiǎn)單方便；另外，就地信號(hào)就地處理，提高了設(shè)備響應(yīng)速度和抗干擾能力，并且真正實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。

四、結(jié)束語(yǔ)

電子式互感器和智能斷路器及智能化一次設(shè)備的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了互感器采樣值的數(shù)字化及開(kāi)關(guān)設(shè)備開(kāi)入開(kāi)出命令和信號(hào)的數(shù)字化，在智能變電站技術(shù)中發(fā)揮著十分重要的作用。也期待智能化一次設(shè)備變電站在新疆的鐵路行業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用，為新疆的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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