35kV數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)應(yīng)用

姜立憲 劉慶剛

摘要：35kV光電數(shù)字化變電站農(nóng)網(wǎng)作為一種現(xiàn)代電子和光電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是按全新的概念設(shè)計(jì)的變電站系統(tǒng)，使變電站的施工更加簡(jiǎn)單，安全性能大大提高，代表了當(dāng)今變電站自動(dòng)化發(fā)展的方向。本文提出一種光電數(shù)字化系統(tǒng)解決方案，進(jìn)一步適應(yīng)中國(guó)目前35kV農(nóng)網(wǎng)的實(shí)際需要，同時(shí)充分滿足技術(shù)指標(biāo)，并且重點(diǎn)介紹35kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)的組成、電子式互感器的選用、保護(hù)信號(hào)的同步、公用信號(hào)的分路使用方案等硬件原理。

關(guān)鍵詞：電子式互感器? 智能數(shù)字終端? 合并單元

近十年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家已在大力研發(fā)和應(yīng)用新型的光纖接口的電子式互感器。35kV光電數(shù)字化變電站系統(tǒng)[1]，是基于電子式互感器[2][3]的，面向農(nóng)網(wǎng)按全新概念設(shè)計(jì)的變電站系統(tǒng)，通過(guò)使用該變電站系統(tǒng)，使得變電站施工更加簡(jiǎn)單，同時(shí)大大提高安全性能，在防浪涌、防雷電等方面效果更加明顯，并且可以更加快捷準(zhǔn)確地采集傳輸數(shù)據(jù)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照IEC61850[4]體系設(shè)計(jì)光電數(shù)字化變電站整體結(jié)構(gòu)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以分為變電站層、間隔層和過(guò)程層。其中，過(guò)程層的設(shè)備包括電子式互感器和光纖數(shù)字終端，間隔層的設(shè)備包括主變差動(dòng)、后備及線路等各保護(hù)裝置，變電站層的設(shè)備指通訊工作站，同時(shí)對(duì)整個(gè)變電站的通訊實(shí)施管理和調(diào)度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1示。

2 電子式互感器

2.1 互感器選型 根據(jù)傳感原理，可以將電子式互感器分為兩種：①無(wú)源全光型電子式互感器。對(duì)于無(wú)源全光型電子式互感器來(lái)說(shuō)，是基于純光學(xué)原理的互感器，該類互感器利用法拉第的磁光效應(yīng)對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，而測(cè)量電壓光是通過(guò)Pockels光電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。②有源型電子式互感器。對(duì)于有源型電子式電流互感器來(lái)說(shuō)，其常用的電流傳感元件有兩類：一類是新型高飽和精密電流互感器，另一類是空心線圈（羅氏線圈）。其中，羅氏線圈憑借自身良好的頻率響應(yīng)、測(cè)量準(zhǔn)確度和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，而得到廣泛的使用。

2.2 電子式互感器供能方案 在供電電源方面，有源型電子式互感器的電子元器件可以分為激光供電方式、線圈抽能方式和隔離供電方式。本文選用了供電隔離方式，完成測(cè)量的電子線路在低壓二次側(cè)，直接從二次側(cè)提供電源。鑒于中壓系統(tǒng)中絕緣成本低、絕緣性能可靠，采用這種方式性價(jià)比最高。供電部分原理如圖2：

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圖2? 互感器供能原理

如上圖所示：在變電站上，交流電源經(jīng)UPS加隔離變壓器處理后，將純凈的正弦波送到各個(gè)電子式互感器，首先經(jīng)過(guò)避雷器濾除高壓浪涌，然后在隔離變壓器的作用下，將其輸入到濾波回路。一般的浪涌和共模干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)環(huán)節(jié)處理后已經(jīng)被屏蔽，交流電經(jīng)高壓濾波處理后被送到降壓變壓器，成為穩(wěn)定的電源。對(duì)于A/D和E/O電路來(lái)說(shuō)，其使用的電源一般經(jīng)過(guò)降壓→整流→濾波→DC/DC處理。對(duì)于光電池成本過(guò)高、高壓抽能不穩(wěn)定的問(wèn)題，通過(guò)這種供電方式可以有效地解決。在兩端加入隔離變壓器后可以對(duì)雷電浪涌的沖擊進(jìn)行完全的隔離，但是這種方案的性能價(jià)格比高，具有較高的穩(wěn)定性，通常情況下主要適用于35kV電壓等級(jí)的電子式互感器。

3 系統(tǒng)信號(hào)同步

在高壓系統(tǒng)中，需要對(duì)間隔層設(shè)置獨(dú)立的合并器，進(jìn)而在一定程度上同步采集相關(guān)電信號(hào)。通過(guò)合并器為各個(gè)獨(dú)立的互感器提供同步采樣脈沖，其他保護(hù)、測(cè)控裝置等二次裝置與合并器接口得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。但是，在中/低壓系統(tǒng)中，直接應(yīng)用這種方式，會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。本文在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，沒(méi)有使用獨(dú)立的合并器，而是將合并單元的功能置于保護(hù)裝置中，進(jìn)一步確保相關(guān)信號(hào)的同步性。對(duì)于各個(gè)電子式互感器來(lái)說(shuō)，按照各自的固定周期分別進(jìn)行采樣，同時(shí)以報(bào)文的方式傳送采樣結(jié)果，在發(fā)送的過(guò)程中，所發(fā)送的報(bào)文內(nèi)容中包括采樣啟動(dòng)時(shí)刻與報(bào)文第一個(gè)字節(jié)發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間差。利用光纖直接將這個(gè)報(bào)文送入相應(yīng)保護(hù)單元的報(bào)文解碼電路。接收到報(bào)文后，報(bào)文解碼電路通過(guò)硬件方式紀(jì)錄第一個(gè)字節(jié)的收到時(shí)刻。利用得到的采樣數(shù)據(jù)，保護(hù)裝置對(duì)電網(wǎng)當(dāng)前頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算，同時(shí)按照自己的分頻發(fā)出采樣脈沖，按照采樣脈沖時(shí)刻和相鄰兩個(gè)報(bào)文送到時(shí)刻，解碼電路采用插值法對(duì)采樣脈沖時(shí)刻的信號(hào)估值進(jìn)行計(jì)算。間隔層保護(hù)裝置原理如圖3所示。

4 公用信號(hào)分路方案

進(jìn)入光電集線器后，先對(duì)光纖信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換處理，將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)，然后可以并出多路電氣信號(hào)，對(duì)于每路電氣信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以分別進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換。在這種情況下，1路光纖信號(hào)可以扇出多路光纖信號(hào)，通過(guò)硬件可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程，并且不存在延時(shí)現(xiàn)象。在中壓系統(tǒng)中，很少存在多個(gè)裝置共用同一互感器信號(hào)的情況。與設(shè)置獨(dú)立合并單元相比，采用光電集線器更加簡(jiǎn)潔，并且性價(jià)比比較高。

對(duì)于光電集線器來(lái)說(shuō)，其工作原理如圖4所示：

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圖4? 光電集線器工作原理

5 光纖數(shù)字終端

為了充分發(fā)揮光纖的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于開關(guān)的控制輸出和開關(guān)的各個(gè)信號(hào)量輸入通常情況下可以采用光纖進(jìn)行傳送。這時(shí)需要設(shè)置相應(yīng)的光纖數(shù)字終端。在傳統(tǒng)模式下，都是按照就近的原則，將開關(guān)的位置信號(hào)和控制信號(hào)接入相應(yīng)的數(shù)字終端，數(shù)字終端經(jīng)過(guò)智能化處理，借助光纖與主控室內(nèi)的保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)通訊。

6 結(jié)論

采用羅氏線圈的結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)字式光電互感器進(jìn)行處理，這種互感器在安全性、可靠性等方面與傳統(tǒng)互感器相比具有一定的優(yōu)越性。對(duì)于控制電纜，通過(guò)光纖進(jìn)行取代，一方面起到環(huán)保的作用，可以大大節(jié)省有色金屬;另一方面可以有效地對(duì)一次、二次系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離處理。在這種情況下，可以大大減少變換環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)的精度。另外，施工周期可以大大縮短，方便接線。

本文所設(shè)計(jì)的35kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)已成功應(yīng)用在江西、河北等地，從調(diào)度端看歷史紀(jì)錄，各項(xiàng)線路的電流、功率等歷史曲線，符合電網(wǎng)潮流，系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃益莊.變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)互感器第7部分：電子式電壓互感器[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)互感器第8部分：電子式電流互感器[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.