35kV数字化变电站设计应用

姜立宪 刘庆刚

摘要：35kV光电数字化变电站农网作为一种现代电子和光电技术相结合的产物，是按全新的概念设计的变电站系统，使变电站的施工更加简单，安全性能大大提高，代表了当今变电站自动化发展的方向。本文提出一种光电数字化系统解决方案，进一步适应中国目前35kV农网的实际需要，同时充分满足技术指标，并且重点介绍35kV数字化变电站系统的组成、电子式互感器的选用、保护信号的同步、公用信号的分路使用方案等硬件原理。

关键词：电子式互感器  智能数字终端  合并单元

近十年来，发达国家已在大力研发和应用新型的光纤接口的电子式互感器。35kV光电数字化变电站系统[1]，是基于电子式互感器[2][3]的，面向农网按全新概念设计的变电站系统，通过使用该变电站系统，使得变电站施工更加简单，同时大大提高安全性能，在防浪涌、防雷电等方面效果更加明显，并且可以更加快捷准确地采集传输数据。

1系统结构

按照IEC61850[4]体系设计光电数字化变电站整体结构，对于整个系统来说，可以分为变电站层、间隔层和过程层。其中，过程层的设备包括电子式互感器和光纤数字终端，间隔层的设备包括主变差动、后备及线路等各保护装置，变电站层的设备指通讯工作站，同时对整个变电站的通讯实施管理和调度，系统结构如图1示。

2 电子式互感器

2.1 互感器选型 根据传感原理，可以将电子式互感器分为两种：①无源全光型电子式互感器。对于无源全光型电子式互感器来说，是基于纯光学原理的互感器，该类互感器利用法拉第的磁光效应对电流进行测量，而测量电压光是通过Pockels光电效应来实现。②有源型电子式互感器。对于有源型电子式电流互感器来说，其常用的电流传感元件有两类：一类是新型高饱和精密电流互感器，另一类是空心线圈（罗氏线圈）。其中，罗氏线圈凭借自身良好的频率响应、测量准确度和结构简单、成本低廉等优势，而得到广泛的使用。

2.2 电子式互感器供能方案 在供电电源方面，有源型电子式互感器的电子元器件可以分为激光供电方式、线圈抽能方式和隔离供电方式。本文选用了供电隔离方式，完成测量的电子线路在低压二次侧，直接从二次侧提供电源。鉴于中压系统中绝缘成本低、绝缘性能可靠，采用这种方式性价比最高。供电部分原理如图2：

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图2  互感器供能原理

如上图所示：在变电站上，交流电源经UPS加隔离变压器处理后，将纯净的正弦波送到各个电子式互感器，首先经过避雷器滤除高压浪涌，然后在隔离变压器的作用下，将其输入到滤波回路。一般的浪涌和共模干扰信号经过上述两个环节处理后已经被屏蔽，交流电经高压滤波处理后被送到降压变压器，成为稳定的电源。对于A/D和E/O电路来说，其使用的电源一般经过降压→整流→滤波→DC/DC处理。对于光电池成本过高、高压抽能不稳定的问题，通过这种供电方式可以有效地解决。在两端加入隔离变压器后可以对雷电浪涌的冲击进行完全的隔离，但是这种方案的性能价格比高，具有较高的稳定性，通常情况下主要适用于35kV电压等级的电子式互感器。

3 系统信号同步

在高压系统中，需要对间隔层设置独立的合并器，进而在一定程度上同步采集相关电信号。通过合并器为各个独立的互感器提供同步采样脉冲，其他保护、测控装置等二次装置与合并器接口得到相应的数据。但是，在中/低压系统中，直接应用这种方式，会增加系统的复杂程度和成本。本文在设计的过程中，没有使用独立的合并器，而是将合并单元的功能置于保护装置中，进一步确保相关信号的同步性。对于各个电子式互感器来说，按照各自的固定周期分别进行采样，同时以报文的方式传送采样结果，在发送的过程中，所发送的报文内容中包括采样启动时刻与报文第一个字节发出时刻的时间差。利用光纤直接将这个报文送入相应保护单元的报文解码电路。接收到报文后，报文解码电路通过硬件方式纪录第一个字节的收到时刻。利用得到的采样数据，保护装置对电网当前频率进行实时的计算，同时按照自己的分频发出采样脉冲，按照采样脉冲时刻和相邻两个报文送到时刻，解码电路采用插值法对采样脉冲时刻的信号估值进行计算。间隔层保护装置原理如图3所示。

4 公用信号分路方案

进入光电集线器后，先对光纤信号进行光电转换处理，将光电信号转换成电气信号，然后可以并出多路电气信号，对于每路电气信号来说，可以分别进行电光转换。在这种情况下，1路光纤信号可以扇出多路光纤信号，通过硬件可以实现整个过程，并且不存在延时现象。在中压系统中，很少存在多个装置共用同一互感器信号的情况。与设置独立合并单元相比，采用光电集线器更加简洁，并且性价比比较高。

对于光电集线器来说，其工作原理如图4所示：

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图4  光电集线器工作原理

5 光纤数字终端

为了充分发挥光纤的优势，对于开关的控制输出和开关的各个信号量输入通常情况下可以采用光纤进行传送。这时需要设置相应的光纤数字终端。在传统模式下，都是按照就近的原则，将开关的位置信号和控制信号接入相应的数字终端，数字终端经过智能化处理，借助光纤与主控室内的保护装置实现通讯。

6 结论

采用罗氏线圈的结构对数字式光电互感器进行处理，这种互感器在安全性、可靠性等方面与传统互感器相比具有一定的优越性。对于控制电缆，通过光纤进行取代，一方面起到环保的作用，可以大大节省有色金属;另一方面可以有效地对一次、二次系统进行电气隔离处理。在这种情况下，可以大大减少变换环节，提高了数据的精度。另外，施工周期可以大大缩短，方便接线。

本文所设计的35kV数字化变电站系统已成功应用在江西、河北等地，从调度端看历史纪录，各项线路的电流、功率等历史曲线，符合电网潮流，系统抗干扰能力较强，运行稳定。

参考文献：

[1]黄益庄.变电站综合自动化技术[M].北京：中国电力出版社，2000.

[2]国家标准互感器第7部分：电子式电压互感器[M].北京：中国标准出版社，2007.

[3]国家标准互感器第8部分：电子式电流互感器[M].北京：中国标准出版社，2007.