35kV數字化變電站設計應用

姜立憲 劉慶剛

摘要：35kV光電數字化變電站農網作為一種現代電子和光電技術相結合的產物，是按全新的概念設計的變電站系統，使變電站的施工更加簡單，安全性能大大提高，代表了當今變電站自動化發展的方向。本文提出一種光電數字化系統解決方案，進一步適應中國目前35kV農網的實際需要，同時充分滿足技術指標，并且重點介紹35kV數字化變電站系統的組成、電子式互感器的選用、保護信號的同步、公用信號的分路使用方案等硬件原理。

關鍵詞：電子式互感器? 智能數字終端? 合并單元

近十年來，發達國家已在大力研發和應用新型的光纖接口的電子式互感器。35kV光電數字化變電站系統[1]，是基于電子式互感器[2][3]的，面向農網按全新概念設計的變電站系統，通過使用該變電站系統，使得變電站施工更加簡單，同時大大提高安全性能，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確地采集傳輸數據。

1系統結構

按照IEC61850[4]體系設計光電數字化變電站整體結構，對于整個系統來說，可以分為變電站層、間隔層和過程層。其中，過程層的設備包括電子式互感器和光纖數字終端，間隔層的設備包括主變差動、后備及線路等各保護裝置，變電站層的設備指通訊工作站，同時對整個變電站的通訊實施管理和調度，系統結構如圖1示。

2 電子式互感器

2.1 互感器選型 根據傳感原理，可以將電子式互感器分為兩種：①無源全光型電子式互感器。對于無源全光型電子式互感器來說，是基于純光學原理的互感器，該類互感器利用法拉第的磁光效應對電流進行測量，而測量電壓光是通過Pockels光電效應來實現。②有源型電子式互感器。對于有源型電子式電流互感器來說，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、測量準確度和結構簡單、成本低廉等優勢，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，完成測量的電子線路在低壓二次側，直接從二次側提供電源。鑒于中壓系統中絕緣成本低、絕緣性能可靠，采用這種方式性價比最高。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UPS加隔離變壓器處理后，將純凈的正弦波送到各個電子式互感器，首先經過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經過上述兩個環節處理后已經被屏蔽，交流電經高壓濾波處理后被送到降壓變壓器，成為穩定的電源。對于A/D和E/O電路來說，其使用的電源一般經過降壓→整流→濾波→DC/DC處理。對于光電池成本過高、高壓抽能不穩定的問題，通過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雷電浪涌的沖擊進行完全的隔離，但是這種方案的性能價格比高，具有較高的穩定性，通常情況下主要適用于35kV電壓等級的電子式互感器。

3 系統信號同步

在高壓系統中，需要對間隔層設置獨立的合并器，進而在一定程度上同步采集相關電信號。通過合并器為各個獨立的互感器提供同步采樣脈沖，其他保護、測控裝置等二次裝置與合并器接口得到相應的數據。但是，在中/低壓系統中，直接應用這種方式，會增加系統的復雜程度和成本。本文在設計的過程中，沒有使用獨立的合并器，而是將合并單元的功能置于保護裝置中，進一步確保相關信號的同步性。對于各個電子式互感器來說，按照各自的固定周期分別進行采樣，同時以報文的方式傳送采樣結果，在發送的過程中，所發送的報文內容中包括采樣啟動時刻與報文第一個字節發出時刻的時間差。利用光纖直接將這個報文送入相應保護單元的報文解碼電路。接收到報文后，報文解碼電路通過硬件方式紀錄第一個字節的收到時刻。利用得到的采樣數據，保護裝置對電網當前頻率進行實時的計算，同時按照自己的分頻發出采樣脈沖，按照采樣脈沖時刻和相鄰兩個報文送到時刻，解碼電路采用插值法對采樣脈沖時刻的信號估值進行計算。間隔層保護裝置原理如圖3所示。

4 公用信號分路方案

進入光電集線器后，先對光纖信號進行光電轉換處理，將光電信號轉換成電氣信號，然后可以并出多路電氣信號，對于每路電氣信號來說，可以分別進行電光轉換。在這種情況下，1路光纖信號可以扇出多路光纖信號，通過硬件可以實現整個過程，并且不存在延時現象。在中壓系統中，很少存在多個裝置共用同一互感器信號的情況。與設置獨立合并單元相比，采用光電集線器更加簡潔，并且性價比比較高。

對于光電集線器來說，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 光纖數字終端

為了充分發揮光纖的優勢，對于開關的控制輸出和開關的各個信號量輸入通常情況下可以采用光纖進行傳送。這時需要設置相應的光纖數字終端。在傳統模式下，都是按照就近的原則，將開關的位置信號和控制信號接入相應的數字終端，數字終端經過智能化處理，借助光纖與主控室內的保護裝置實現通訊。

6 結論

采用羅氏線圈的結構對數字式光電互感器進行處理，這種互感器在安全性、可靠性等方面與傳統互感器相比具有一定的優越性。對于控制電纜，通過光纖進行取代，一方面起到環保的作用，可以大大節省有色金屬;另一方面可以有效地對一次、二次系統進行電氣隔離處理。在這種情況下，可以大大減少變換環節，提高了數據的精度。另外，施工周期可以大大縮短，方便接線。

本文所設計的35kV數字化變電站系統已成功應用在江西、河北等地，從調度端看歷史紀錄，各項線路的電流、功率等歷史曲線，符合電網潮流，系統抗干擾能力較強，運行穩定。

參考文獻：

[1]黃益莊.變電站綜合自動化技術[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2]國家標準互感器第7部分：電子式電壓互感器[M].北京：中國標準出版社，2007.

[3]國家標準互感器第8部分：電子式電流互感器[M].北京：中國標準出版社，2007.