數字化水電站互感器解決方案研究

古樹平，吳明波，李天平

（1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214）

互感器是水電站信息采集的重要環節，其數字化問題關系到水電站能否實現基礎信息采集數字化。互感器數字化廣義上包括設備本體數字化和數據傳輸數字化，解決好這兩方面問題對數字化水電站至關重要。

水電行業一直致力于數字化水電站的理論和方案研究，并適時推進關聯設備的研發[1-4]。數字化水電站的定義尚未統一，作者所在單位聯合相關建設單位開展了專項研究，將其暫定義為：以主要機電設備為數字化對象，按照IEC61850（DL/T860）標準分為站控層、單元層、過程層構建；采用電子式互感器、智能終端、數字化自動化元件或者數字化采集單元等具有數字化接口的智能機電設備，以網絡通信平臺為基礎，采用IEC61850（DL/T860）數據建模和通信協議；實現水電站監測信號、控制命令、保護跳閘命令的數字化采集、傳輸、處理和數據共享，達到信息數字化、通信網絡化、集成標準化的水電站。

互感器的數字化需從數字化水電站關聯的設備需求入手，針對水電站的特點尋求滿足各系統接口要求的解決方案。

1 常規互感器存在的問題

常規互感器即電磁式電流、電壓互感器，其應用已非常成熟，電力行業的技術發展進步使常規互感器逐步顯現出局限性，主要表現為：

（1）電磁式電流互感器存在飽和問題，引起鐵心飽和原因諸多，例如一次電流過大、電流頻率過低、二次電纜過長等。鐵心一旦飽和，一、二次電流間失去線性關系，使得保護單元無法準確采集電流，可能導致差動等保護誤動。鐵心飽和還衍生出CT動態范圍存在局限性、精度易受負載影響等問題。電磁式電流互感器二次繞組不允許開路，否則會產生高電壓，對運維人員的人身安全造成威脅。此外，其二次輸出為小電流模擬量，容易受到干擾，在長距離傳輸時衰減程度較高。

（2）電磁式電壓互感器因鐵心的非線性易引起鐵磁諧振，產生諧振過電壓，將損壞設備，存在安全隱患，需要靠回路電阻去限制過電壓幅值，或在一次回路設置消諧器或二次回路加裝微機消諧裝置，存在不可控因素。電磁式電壓互感器二次側不允許短路運行，否則二次側電流迅速增大，將可能損壞互感器，同時危及運行操作人員的安全。

（3）常規互感器與一次系統直接聯系，在制造及實施過程中絕緣問題尤為重要，隨著電壓等級的提高，絕緣結構復雜、絕緣水平的要求也隨之提高。為提高絕緣水平，通常要犧牲對體積和重量的控制，高電壓等級的電磁式互感器，往往體積大、質量重，對安裝和運行維護帶來影響。

（4）為滿足測量、保護等系統的需求，電磁式互感器往往具有多個二次繞組，帶來大量電流、電壓量的重復采集以及大量電纜的使用，二次回路通常非常復雜，不利于二次系統的檢修維護，也容易產生電磁干擾。此外，對于電磁式電流互感器，還存在同一個二次繞組供多個裝置使用的情況，造成CT回路串接，靈活性差且容易產生安全問題。

2 電子互感器特點及應用現狀

（1）類型

根據一次轉換器部分是否需要工作電源，電子式互感器可分為有源式和無源式2大類。根據二次傳感器原理，有源電子式電流互感器包括基于電磁感應原理的羅氏線圈型和低功率線圈型2類，無源電子式互感器包括基于磁光效應的全光纖型和磁光玻璃型2類；有源電子式電壓互感器包括電容分壓型和電阻分壓型，無源電子式電壓互感器分為基于逆壓電效應的光線型和基于普克爾效應的電光晶體型[5-6]。

（2）信息采集及輸出

電子式互感器通過自身集成的傳感器及轉換模塊實現就地信息數字化，信息的輸出需借助配套設備合并單元。信息采集及輸出如圖1所示。

圖1 電子式互感器信息采集、輸出示意圖

合并單元是實現電子式互感器與保護、測控及錄波等二次設備接口的關鍵裝置，通過合并單元將電流電壓數據傳輸至網絡共享或直接送至其他智能裝置。合并單元可同時接受并處理三相電流和三相電壓信號，并按IEC60044-8或IEC61850-9-2標準輸出給二次設備使用，其接受外部公共時鐘同步信號的接口，實現獨立采樣的三相電流和三相電壓信號的同步[7]。合并單元接口如圖2所示。

圖2 合并單元接口示意圖

（3）優勢

電子式互感器是一種基于現代電子學、光學技術基礎上的新型互感器，其特點及與常規互感器的區別主要表現見表1。

表1 電子式互感器與常規互感器比較表

（4）應用現狀

電子式互感器從2010年啟動智能變電站、數字化變電站建設開始到現在已得到大量應用，其中有源電子式互感器技術較為成熟，在變電領域各種電壓等級（10～1000 kV）、各種應用場合（AIS、GIS等）均有應用[8-10]；而光學電流互感器總體還處于試點應用階段，光學電壓互感器多數廠家處于研制過程中，暫不具備使用條件。目前國內生產電子式互感器的設備廠家主要有南瑞繼保、許繼電氣、國電南自、長園深瑞等，各自產品均已在工程中得到應用。

在發電廠領域，也有工程嘗試采用了電子式互感器。比較有代表性的為沙河抽水蓄能電站、觀音巖水電站、諫壁火力發電站，上述項目在機組中性點試點使用了柔性光學電子式電流互感器，目前運行較為穩定，但長期可靠性還需時間檢驗。

水電站與變電站有類似的開關站結構，互感器的應用場景和關聯的二次系統設備均相似，將電子式互感器引入到水電站中具備理論基礎和現實經驗。有此基礎，數字化水電站信息采集環節可突破傳統限制，采用新的模式。

3 電子式互感器數據傳輸接口

互感器關聯的水電站二次系統設備主要包括監控、保護、調速、勵磁、同期等系統，數字化水電站中的上述設備均為數字化設備，因此，互感器需在數字化水電站自動化體系結構前提下，滿足各系統的數字化接口需求。

電子式互感器位于數字化水電站自動化體系結構的過程層，承擔為保護、測控、調速、勵磁及同期等智能裝置提供基礎數據的任務。電子式互感器數據傳輸方式，主要體現為其配套的合并單元與其他智能裝置之間的信息傳輸接口模式。

合并單元與其他智能裝置的接口存在2種方式，一種是合并單元與智能裝置之間點對點光纖通信，即“直采”模式；一種是合并單元接入SV網交換機，智能裝置通過SV網采集數據，即“網采”模式，2種采集實現方式如圖3、4所示。

圖4 網采模式示意圖

無論數字化水電站的保護、測控、調速、勵磁及同期等智能裝置要求采用“直采”還是“網采”模式，電子式互感器通過合并單元均能實現。數字化水電站各系統的智能裝置根據自身需求選擇合適的數據采集模式，本文主要論述網采模式。

4 數字化水電站互感器解決方案

根據水電站的物理條件以及數字化水電站的體系結構，選擇在合適部位裝設電子式互感器，以滿足各系統的數字化需求，下面分區域論述數字化水電站的互感器解決方案。

4.1 發變組互感器數字化

發變組部分的互感器配置方案為：機組機端、主變兩側、主變中性點均采用有源電子式電流、電壓互感器。對于機組中性點電流互感器，在安裝空間充足時可采用有源電子式互感器，安裝條件受限時可采用柔性光學電流互感器。

發變組部分的電子式互感器主要與機組勵磁、調速、保護及監控系統（機組LCU）存在接口聯系。需要特別說明的是，主變高壓側電子式電流互感器數據除需送至機組SV網外，還需同時送至開關站SV網，以滿足開關站母線保護及故障錄波裝置的需求。發變組部分的電子式互感器解決方案如圖5所示。

圖5 發變組電子式互感器配置及接口示意圖

4.2 開關站互感器數字化

開關站部分的互感器配置方案為：高壓母線、線路、3/2接線各間隔等均采用有源電子式互感器。開關站部分的電子式互感器主要與開關站保護、測控存在接口聯系。開關站部分的電子式互感器解決方案如下頁圖6所示。

對于保護、安穩等智能裝置對互感器數據源有雙重化要求時，電子式互感器從傳感線圈、轉換器到合并單元均需按雙套配置，合并單元和開關站SV網雙網之間采用單套對單網的連接方式，以保證采樣值數據源輸入具有獨立性。主變高壓側電流及高壓母線電壓數據同時送開關站、機組SV網，以滿足各自智能裝置所需。

開關站部分的電子式互感器通過合并單元接入SV網，其他智能裝置均通過SV網獲取電流、電壓數據，傳輸介質采用全光纖，實現了數據的網絡共享，避免了信息的重復采集，大大簡化了開關站的二次系統。對3/2接線的500 kV開關站，電子式互感器接口關系與圖6類似，不再贅述，只是在母線電壓的獲取環節稍有不同。

圖6220 kV開關站電子式互感器配置及接口示意圖

需要注意的是，開關站需配置母線電壓合并單元，根據開關站接線形式確定其是否應具備電壓并列功能，各間隔所需母線電壓量主要用于檢同期。

采用雙母線接線的220 kV開關站，其電壓并列、切換方式為：母線電壓合并單元通過GOOSE網絡接收斷路器及刀閘位置信息，并列后通過光纖點對點方式將并列后電壓輸送至各間隔合并單元。各間隔合并單元通過GOOSE網絡接受本間隔刀閘位置信息，經判斷后將并列后的I、II母電壓切換成一路母線電壓，進而再輸送給保護、測控裝置使用。

4.3 廠用電互感器數字化

目前水電站廠用電系統的電磁式互感器、廠用變保護裝置等設備均裝于高壓開關柜內。數字化水電站廠用電系統將采用保護測控一體化裝置，依然安裝于開關柜內，互感器數據無傳輸至柜外的需求。因此，互感器與保護測控裝置之間的連接屬于柜內接線，采用電子式互感器在節約電纜、簡化二次回路等方面優勢不明顯。

大中型水電站廠用電一般分為高、低壓兩級廠用變，高廠變需獨立配置差動、速斷、過流等保護功能，為保證差動保護性能，兩側電流互感器應同型配置。綜合以上考慮，廠用電部分互感器的配置方案為：保持傳統模式，采用電磁式互感器。互感器的接口聯系圖如圖7所示。

圖7 廠用電互感器配置及接口示意圖

5 結論

互感器采樣是數字化水電站的關鍵環節，電子式互感器的運用為采樣數字化、信息共享網絡化帶來可能。電子式互感器優點突出，將其推廣至數字化水電站不存在技術障礙，在水電站中開展電子式互感器的試點應用具有十分重要的意義。