數字化變電站技術及電子互感器技術應用發展

摘要：本文主要論述了數字化變電站相比傳統數字化變電站的技術特征，技術優勢；以及數字化變電站中電子互感器相較傳統互感器的技術發展以及電子互感器的發展趨勢。

關鍵詞：數字化變電站；電子互感器

一、數字化變電站的主要技術特征

變電站一次設備和保護的連接主要從CT、PT引出的電纜，根據需要，在端子箱內重新組成對應各保護、測量等回路，二次設備引入測量量，進行A/D變換后，送入CPU處理判斷。CPU處理的結果，或合閘、跳閘、閉鎖（不允許其他的跳合閘起作用）通過開入開出板連接到開關端子箱。在過程總線中，保護裝置的功能被組合到一次設備到一次設備，形成新的接線模式。而數字化變電站一次設備的智能化改變了傳統變電站繼電保護設備的結構，A/D變換沒有了，代之以高速通信。開關量輸出DO、輸入DI移入智能化開關，保護裝置發布命令，由一次設備的執行器來執行操作。相比傳統的變電站，數字化變電站在一次、二次設備方面有了巨大的變化。

1.一次設備智能化

隨著技術的進步，一次設備出現了智能組合電器。其主要特征是：（1）模擬量就地采樣在一次設備內部，電子化TA/TV的二次側直接進行模擬量采樣，實現了模擬量到數字量的轉化，轉化結果通過通信接口光纖為介質傳輸給間隔層保護/測控等設備。替代現有的直接以二次電纜傳輸模擬量的方式。（2）使用智能傳感器通過智能傳感器獲得SF6氣體密度等信息并通過通信接口傳出。（3）使用智能操作機構以通過通信接口接受外部命令并執行，對執行情況進行記錄。替代現有的控制電纜方式。同時實現智能跳合閘。（4）實現狀態信息記錄能夠記錄開斷次數、開斷電路等與狀態檢修相關的信息，并能通過通信接口外傳。方便用戶及時掌握裝置狀況信息，實現按需檢修，替代現有的計劃檢修。2.二次設備網絡化

將傳統二次設備內部的小TA/TV（電流/電壓變換器）以及模數變換部分改為網絡通信方式[1]，裝置以通信方式直接獲得由一次設備采樣并傳出的數字量信息。對于支持網絡通信方式驅動斷路器操作機構及傳輸間隔狀態信息的一次設備，間隔層保護/測控等設備就可將現有的開出和開入插件轉換為通信接口插件。這些變化將使現有二次設備向通用化、網絡化方向發展。

二、電子互感器的主要技術表現

數字互感器在原理與傳統的互感器完全不同，數字互感器是利用光電子技術和光纖傳感技術來實現電力系統電壓、電流測量的新型互感器。與傳統互感器相比，數字互感器具有絕緣性能好，造價低；不含鐵心，不存在磁飽和、鐵磁諧振等問題；低壓側不存在開路高電壓危險；暫態響應范圍大，測量精度高；頻率響應范圍寬；無易燃、易爆炸等危險；體積小、重量輕[2]。抗電磁干擾能力強等優點。光纖互感器一般以弱功率數字量輸出，非常適合微機保護裝置的需要。這將最佳地適應日趨廣泛采用地微機保護、電力計量數字化及自動化發展的潮流。

電子式互感器包括四個不同的技術領域，即傳感器技術、數據采集變送技術、高壓絕緣技術和網絡通信技術[3]。由于電子式簡化了絕緣結構，而數據采集和網絡通信可以借用現有成熟技術，這些方面已不再是研發的核心，核心技術縮小為三個方面：傳感器技術、電源技術以及新增的特殊電磁防護技術。

這是基于以下考慮：①傳感器技術雖經多年研發，但期望將所有優點集于一身是不現實的，一些特定傳感器在具有優點的同時，總是帶有一定的缺憾，各種不同傳感器原理之間的相互配合互相滲透、優勢互補將是一個發展趨勢；一些基礎器件由國外壟斷、價值鏈留在國外、價格高出同功能互感器3～5倍、性能并不具備優勢的傳感器將會淡出市場。②電源技術仍作為核心技術，有兩層含義：其一是作為獨立式互感器，高壓側傳感的無源化或自源化，正常無故障壽命周期都寄望于發展和完善自供電模式；其二是克服VFTO現象也需要隔離度更高、抗擾頻譜更寬的新型電源系統，這種電源系統需要改變原有設計思路，進行技術創新。③常規的中低頻、小于3千伏峰值的EMI防護組件不能適應電站特殊干擾工況，需要研發可抵御數萬伏、跨越短波至微波波段的功率型集成濾波器件。

三、電子互感器發展趨勢

1.新趨勢1 - 結構組合化

利用電子式微功率、小型化優勢，互感器更多以組件方式組合于變壓器、GIS、HGIS、斷路器、隔離刀等組合電器中，減少占地，降低造價，還可以通過功能復用促進一次電器本身的小型化和智能化[4]。各種傳感方式，也會相互組合，優勢互補，發揮整體效能。國網公司近期也提出了結構組合的指導性意見，助推電子式互感器的組合化趨勢。

2.新趨勢2 - 功能復用化

充分利用數據共享優勢，單點配置的互感器，可供多點共享，這一優勢可以體現在以下幾個層面：①單點測量信息的本地共享，裝在一次電器上的互感器，除了通過合并器向間隔層和站控層傳遞信息外，可以配置本地輸出端口，為一次電器本體的智能化提供服務。一些國外開關電器，依靠本機集成的ECT實現故障開斷錄波和數理分析統計實現狀態監測、壽命預期、故障診斷等智能化功能的經驗值得借鑒。互感器可提供Goose、RS485等不同類型的數字接口，供多種測控設備共享，減少互感器多點重復安裝，使設備配置更加緊湊，功能集成度更高[5]。②在不增加傳感器的前提下，增配不同速率的采集器和接口方式，兼顧故障行波測距、光差保護、PMU監測專用。③合并器除了實時收集ECT/EVT測量信息外，稍作擴充，即可利用既有硬件資源收集一次狀態信息將原有分散的設備狀態監測網絡歸化到統一的以太網中，達到信息全站共享。

3.新趨勢3- 設計標準化

經過多年的試用實踐，電子式互感器技術優勢已在一些典型電站上得到驗證。但在技術進步效果明顯的同時，擴展應用也面臨新問題，最集中的表現是在應對惡劣電磁環境上，其深層原因是無論國內、國外，從標準體系、試驗方法到設計規范，尚未完全意識到電站特殊電磁干擾的嚴重性，至今還沒有專門針對高壓電站電磁干擾方面的系統試驗和理論研究，導致的結果是電子式互感器的工業標準中缺少與電站實際操作等效的試驗標準和評測方法。眾多制造廠家簡單地瞄準現行標準進行研發，即使達到最高級別，也不能完全適應現場應用條件。

互感器的四大部件應逐漸走向標準化，具有相互兼容的接口方式，以便具有通用性和互換性，可作為標準“插接”安裝于各種一次電器，達到不同廠家互感器可以更替和互換，也利于產品的維修、更換、版本升級換代。

參考文獻：

[1] 王濤，鄭薇，潘晨等.電子互感器在智能變電站中的應用研究[J].華章，2011，（28）：328.

[2] 馬偉，張曉春.數字化變電站的建設與研究[J].價值工程，2010，29（13）：164-165.

[3] 林江明.智能電網調度自動化技術研究[J].北京電力高等專科學校學報（自然科學版），2010，27（9）：1-1.

[4] 呂鵬，黃元亮，金卓昀等.光電互感器技術分析[J].軟件，2010，31（10）：27-32.DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2010.10.006.

[5] 袁珂.光數字化變電站綜合自動化控制系統的優化設計[D].南昌大學，2010.