变电站高压电气智能设备及接口设备的发展状况

1 电子式互感器

目前电力系统中广泛应用常规电磁式电流/电压互感器或电容式电压互感器, 随着系统电压的增高, 互感器的绝缘结构更加复杂、体积增加, 造价也随之大大提高, 同时电磁式互感器还有磁饱和、铁磁谐振、动态范围小等缺点, 难以满足电力系统应用的发展要求。光电子、光纤通信和数字信号处理技术的发展和应用, 推动了电子式电流/电压互感器技术的发展。目前, 电子式互感器已经逐步进入实用化阶段, 在实际工程应用中的电子式互感器分为有源和无源两大系列。

(1) 有源互感器。有源式互感器主要指罗柯夫斯基线圈, 其特点是需要向传感头提供电源, 目前成熟产品均采用光纤供能方式。罗氏线圈是一种较成熟的测量元件, 实际上是一种特殊结构的空心线圈, 将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上, 就构成了罗氏线圈, 在传感结构上根本解决了铁芯线圈电流互感器的磁路饱和问题。罗氏线圈是可根据被测电流的变化, 感应出被测电流变化的信号, 其特点在于被测电流几乎不受限制, 反映速度快, 可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流, 且精度高达0.1。从测量大电流的观点来看, 罗氏线圈是一种较理想的敏感元件。由于它不与被测电路直接接触, 可方便地对高压回路进行隔离测量, 当被测电流从线圈中心通过时, 在线圈两端将会产生一个感应电压, 若线圈匝数密度n及线圈截面积s均匀, 则线圈感应电压的大小为 (μ0为真空导磁率) :v=μ0nsdi/dt上式表明空芯线圈的感应信号与被测电流的微分成正比, 经积分变换等信号处理便可获知被测电流的大小。

(2) 无源互感器。无源型互感器主要指光学测量原理的互感器, 又称为光电式电流/电压互感器, 其特点是无须向传感头提供电源。光学电流互感器主要是利用Faraday磁光效应。法拉第效应的原理为线性偏振光通过在磁场环境下的介质时, 偏振的方向会发生旋转, 只要测量出法拉第旋转角, 就可以求得磁场强度的大小, 从而间接测出产生这个磁场的电流大小。一般可采用光功率振幅检测和光功率相位检测两种方法测出法拉第旋转角的大小。光学电压互感器主要是利用晶体的Pock-els效应 (即线性电光效应) 。能够稳定应用于高压测量的晶体并不多, 目前应用最多的电光晶体就是BGO晶体。光学电流、电压互感器的特点是:整个系统线性度好、灵敏度较高、绝缘性能好。其难点是精度和稳定性易受温度与振动的影响。由于温度对晶体和光纤的影响比较大, 对晶体加工的工艺要求很高, 因此, 长期运行中的稳定性问题是光学电流、电压互感器实用化和产品化的一个技术难点。

(3) 电子式互感器的特点。电子式互感器本身就是利用光电技术的数字化设备, 可直接与数字化的保护和测控设备接口。与传统电磁感应式电流互感器相比, 电子式互感器具有如下优点: (1) 高低压完全隔离, 安全性高, 具有优良的绝缘性能:电磁式互感器的被测高压信号与二次线圈之间通过铁芯藕合, 绝缘结构复杂, 其造价随电压等级呈指数关系上升。电子式互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备, 这使得其绝缘结构大大简化, 电压等级越高其性价比优势越明显。 (2) 电子式互感器利用光缆而不是电缆作为信号传输工具, 实现了高低压的彻底隔离, 不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害, 安全性和可靠性大大提高。不含铁芯, 消除了磁饱和和铁磁谐振等问题。电磁式电流互感器由于使用了铁芯, 不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问题, 电子式互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别, 一般不用铁芯做磁祸。因此, 消除了磁饱和及铁磁谐振现象, 从而使互感器运行暂态响应好, 稳定, 保证了系统运行的高可靠性。 (3) 动态范围大, 测量精度高:电网正常运行时, 电流互感器流过的电流并不大, 但短路电流一般很大, 而且随着电网容量的增加, 短路电流越来越大。电磁式电流互感器因存在磁饱和问题, 难以实现大范围测量, 一台互感器同个绕组很难同时满足测量和继电保护的需要。电子式互感器有很宽的动态范围, 一台电子式互感器中同一个数字量输出就可同时满足多个IED的需要。同时电子式互感器的频率响应范围较宽, 可以测量谐波和暂态电流等优点。互感器的无油化可以避免引起火灾和爆炸等危险, 体积和重量也较常规互感器小很多。因此采用电子式互感器可以带来显著的经济效益和社会效益, 而且电压等级越高效益越明显。

2 电子式互感器接口设备

IEC61850标准定义了电子式电流互感器和电子式电压互感器等逻辑节点, 合并单元是电子式电流/电压互感器 (ECT/E VT) 接口的重要组成部分, 其主要功能是同步采集多路E C T/E V T输出的数字信号后按照标准规定的格式发给保护、测控设备。它与二次设备的接口是串行单向多路点对点连接。合并单元所采集的12路电流、电压信号均有明确的定义并且以编码格式将这些信息帧发给二次保护、控制设备。合并单元一般具有以下模块。

(1) 同步功能控制模块, 合并单元同步不仅要求一个合并单元能够给其对应的多路A/D同时发送转换命令, 而且要求各个合并单元之间所发出的转换命令也保持高精度的同步, 后者对于需要多个测量点采样信息的变压器差动保护等十分重要。

(2) 多路数据采集和处理功能模块, 合并单元给采样值信号处理单元发送同步转换信号后, 将同时接收各个通道的输出数据, 对其有效值进行校验, 并对这些数据进行正确排序以输出给串口发送功能模块。此功能模块数据通信具有多任务并行处理、高可靠性、强实时性和通信速度高等特点。

(3) 串口发送功能模块, 遵循IEC61850-9-1的合并单元是单向多路传输 (只发送采样值信息而无需接收任何信息) , 但是其与交换机的接口必须工作在全双工方式, 原因是:交换机对组播包和广播包无地址过滤能力, 为防止过程总线下其它组播/广播包 (如来自于其它合并单元发送的数据包) 的影响, 必须让合并单元具备同时收发数据包能力。合并单元的精度要求由合并单元的输出决定。当它进入测量应用时就造成了一个很大的区别, 因为通过数字信号传输, 在测量中的A/D转换没有附加的误差, 因此数字式系统的整体精度也要比常规系统高得多。