數(shù)字式傳感器在變電站自動(dòng)化中的應(yīng)用研究

數(shù)字式傳感器

在變電站自動(dòng)化中的應(yīng)用研究本文的內(nèi)容一課題的提出及意義二本文所做的工作三數(shù)字式傳感器介紹四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例五對(duì)數(shù)字式傳感器的評(píng)價(jià)六數(shù)字式傳感器與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的接口七合并單元功能及其同步方案八結(jié)語傳統(tǒng)的CT、PT的缺點(diǎn)電壓等級(jí)越高，短路電流越大，為解決絕緣和傳變特性，必然是體積增大，設(shè)備變得更加笨重，安裝運(yùn)輸不便。暫態(tài)傳變特性差，高壓系統(tǒng)中要求保護(hù)動(dòng)作速度快，改善暫態(tài)傳變特性需增加投資。CT二次側(cè)輸出對(duì)負(fù)載有嚴(yán)格要求，超高壓變電站占地面積大，從開關(guān)場(chǎng)到控制室的二次電纜可達(dá)200米，為保證傳變精度，增加電纜截面也不一定能解決問題。傳變大電流會(huì)造成鐵芯飽和，成為差動(dòng)類保護(hù)頭痛的問題。CT二次不能開路，會(huì)產(chǎn)生數(shù)千伏的高壓，危及人身設(shè)備的安全。一課題的提出及意義數(shù)字式互感器是必然出現(xiàn)的技術(shù)信息技術(shù)高速發(fā)展，傳感器、通信、計(jì)算機(jī)式信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，數(shù)字式傳感器很自然的要滲透到電力工業(yè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)化的保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量設(shè)備給數(shù)字式互感器提供了配合使用的可能。光纖是最好的抗干擾、絕緣材料電力技術(shù)的發(fā)展，高電壓大容量輸電要求控制、保護(hù)設(shè)備響應(yīng)速度更快，監(jiān)測(cè)精度更高，傳統(tǒng)的電流（壓）變換器要滿足要求，制造工藝復(fù)雜，體積更大，造價(jià)增加比電壓等級(jí)增加快的多，有些缺陷是不可克服的。一課題的提出及意義本文主要任務(wù)是完成以下工作：1．對(duì)無源光電傳感器和有源電子式傳感器進(jìn)行調(diào)研。2．研究ABB公司的PASS（PlugandSwitchSystem）系統(tǒng)和三菱公司的MITS(MitsubishiInformationTechnologySwitchgear)系統(tǒng)。3．研究IEC60044、IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于數(shù)字式傳感器與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層的接口。4．研究合并單元的功能及其實(shí)現(xiàn)，討論一種合并單元同步的新方法。二本文所做的工作數(shù)字式傳感器的研究狀況在國內(nèi)外研究比較活躍在國外：ABB的PASS已成功的應(yīng)用于工程,三菱的MIST也宣稱可以進(jìn)行工程供貨。ALSTON、SEMENS公司已將其產(chǎn)品列入供貨范圍。國內(nèi)：華工、清華為首，各大院校電力和電子專業(yè)都積極的開展這方面的研究。國內(nèi)的大型互感器生產(chǎn)廠家也在積極參與。二次設(shè)備生產(chǎn)廠家也在開發(fā)相應(yīng)的二次設(shè)備。目前已有多家掛網(wǎng)試運(yùn)行。尚未形成真正的產(chǎn)品。三數(shù)字式傳感器介紹數(shù)字式傳感器的分類目前大部分的研究可分成兩類：利用光學(xué)材料的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)將電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，經(jīng)光纜送到低壓區(qū)，解調(diào)成電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。因高壓區(qū)不需電源，稱為無源光電傳感器?；诹_果夫斯基線圈或電容（電阻）分壓，先將高電壓大電流變換成小信號(hào)，經(jīng)A/D變換成數(shù)字信號(hào)后通過光纜送出給接收端，高壓端電子設(shè)備需要供電，稱為有源電子式傳感器。還有一類可稱為混合型，Rogowski線圈將電流轉(zhuǎn)換成小信號(hào)，用激光和光纖將能量送入高壓區(qū)給電子設(shè)備供電，低壓區(qū)和高壓區(qū)是隔離的，又避開了無源光纖傳感器技術(shù)的難題，本質(zhì)上是有源的。三數(shù)字式傳感器介紹光學(xué)式電流傳感器原理示意圖法拉第旋光效應(yīng)是指物質(zhì)中傳輸光的偏振面因受到外加磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象.圖中一線性偏振光通過置于磁場(chǎng)中的法拉第旋光材料后，若磁場(chǎng)方向與光的傳播方向平行，則出射線性偏振光與入射線性偏振光的偏振平面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角θ∝H,采用光纖或磁光玻璃使光路環(huán)繞通電導(dǎo)體閉合，則延環(huán)線的磁感應(yīng)強(qiáng)度積分等于環(huán)線包圍的電流，θ∝I三數(shù)字式傳感器介紹磁光式無源OCT采用磁光玻璃的法拉第效應(yīng)測(cè)量電流。傳感頭不需電源高壓區(qū)無電子器件運(yùn)行壽命易保證目前尚在開發(fā)中，測(cè)量精度不高，長期穩(wěn)定性存在問題，光學(xué)器件制造難度大。ALSTHOM已有產(chǎn)品。三數(shù)字式傳感器介紹全光纖型OCT全光纖型ECT的傳感器由光纖制造，回避了磁光玻璃與光纖的連接問題?？梢暂^任意的形成多個(gè)閉合光路，監(jiān)測(cè)靈敏度要高。要采用特殊的光纖，

稱為保偏光纖，造價(jià)昂貴，工藝尚不穩(wěn)定電子部分與無源型一樣三數(shù)字式傳感器介紹光學(xué)式電壓傳感器原理示意圖光纖電壓傳感器大多數(shù)是基于Pokels效應(yīng)的。采用BGO（鍺酸鉍，Bi4Ge3O12）晶體。BGO晶體在沒有外電場(chǎng)作用時(shí)各向同性，在外電場(chǎng)作用下，光率體由圓球體變?yōu)槿S橢球體，其主軸一般也不與原坐標(biāo)重合，各向同性的晶體變成了各向異性的雙折射晶體。若外加電場(chǎng)沿晶體的<110>方向（見圖2-6），當(dāng)光通過長為l的晶體時(shí)，出射的兩光束產(chǎn)生了相移。

三數(shù)字式傳感器介紹無源光電電壓傳感器POVT由高壓部件、光電電壓傳感器和光纖電壓測(cè)量回路組成，電壓傳感器是核心部件，如圖示。借助于BGO晶體（鍺酸鉍Bi4Ge3O12）光電特性,當(dāng)一單色平行光束投射到端面平行的雙折射晶體上時(shí),由于外加電場(chǎng)的存在,入射光束就會(huì)變成初相相同,而電位移矢量互相垂直的兩束光,它們?cè)诰w中的傳播速度不同,出射時(shí)有一定的相位差,這相位差即正比于加在晶體上的電壓。光的相角差測(cè)量困難，應(yīng)用光干涉后的光強(qiáng)近似替代角差測(cè)量。三數(shù)字式傳感器介紹有源ECT原理采用空心互感器（即Rogowski線圈）羅果夫斯基線圈輸出端得到的電壓信號(hào)與電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成比例，所以為了得到與電流成比例的信號(hào)，需要積分。

三數(shù)字式傳感器介紹典型的有源ECT方案采用兩個(gè)線圈，一個(gè)取信號(hào)，進(jìn)行V/f變換后經(jīng)光纖送出，另一個(gè)提供電源。高壓區(qū)信號(hào)處理電路的電源用激光經(jīng)光纖上送，經(jīng)光功率轉(zhuǎn)換模塊提供。三數(shù)字式傳感器介紹有源EVT原理采用電容式分壓器被測(cè)高壓經(jīng)電容分壓器分壓后，經(jīng)信號(hào)預(yù)處理、A/D變換及LED電光轉(zhuǎn)換，以數(shù)字光信號(hào)的形式輸出，以供微機(jī)保護(hù)和計(jì)量用。三數(shù)字式傳感器介紹華中理工大學(xué)研制的POVT方案及實(shí)物圖中1為起偏器;2為90°直角棱鏡;3為1/4λ波片;4為BGO晶體;5為檢偏器;6為自聚焦鏡。四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例ABB的PASS系統(tǒng)：PASS(PlugAndSwitchSystem)可稱為智能插接式開關(guān)，是裝在一公共氣罐上的斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流和電壓傳感器,以及套管組成一氣體絕緣金屬密閉組合體。其電子CT采用了Rogowski線圈、PT采用電容分壓的有源方案，目前已在澳大利亞某電力公司運(yùn)行。四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例安裝在PASS中的過程處理單元（PISA），將電流、電壓、刀閘位置、氣體密度信號(hào)的經(jīng)星型耦合器連接送入PISA處理后送出。PISA電源由100V電池變220V供給，容量約10瓦。四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例BlackwallSubstation,Queensland,Australia（1999年11月投運(yùn)）三菱公司MITS系統(tǒng)的電子CT/PT方案四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例三菱公司I-AIS系統(tǒng)的電子CT四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例華工研制的ECT四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實(shí)例數(shù)字式電流和電壓互感器與傳統(tǒng)CT、PT性能對(duì)比性能傳統(tǒng)電流和電壓互感器數(shù)字式電流和電壓互感器信號(hào)5Ａ/100Ｖ150ｍＡ/2Ｖ次級(jí)負(fù)載1～50ＶＡ≥4光歐準(zhǔn)確度測(cè)量:02%～1%多用途1%保護(hù):5%～10%動(dòng)態(tài)范圍40×Ｉｎ/19×Ｕｎ無限制線性非線性完全線性飽和輸出信號(hào)畸變不存在鐵磁畸變破壞性(電壓互感器)不存在溫度系數(shù)無影響受補(bǔ)償電磁兼容性無影響屏數(shù)短路的次級(jí)破壞性(電壓互感器)無傷害開路的次級(jí)破壞性(電流互感器)無傷害重量/kg40(電流、電壓互感器)8(組合互感器)壽命期成本高低與微機(jī)接口需高/低變換,成本高可通過分壓直接應(yīng)用,簡單。所有應(yīng)用的不種類繁多2種同型式五對(duì)數(shù)字式傳感器的評(píng)價(jià)數(shù)字式傳感器的優(yōu)點(diǎn)體積小、重量輕，電壓高時(shí)更是如此便于和數(shù)字設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)智能化多功能絕緣性能好，造價(jià)低不含鐵芯，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題暫態(tài)特性好，測(cè)量精度高。頻率響應(yīng)范圍寬五對(duì)數(shù)字式傳感器的評(píng)價(jià)對(duì)無源光CT/PT的評(píng)價(jià)純光學(xué)的電流、電壓傳感器測(cè)量原理有很多優(yōu)點(diǎn)，傳感頭沒有電子器件，體積小，絕緣性能不受結(jié)構(gòu)的影響，不需要電源，抗EMC能力強(qiáng)。目前的OCT/PT測(cè)量精度不高，穩(wěn)定性差有幾個(gè)原因：1、光材料的溫度特性差，直接影響精度。2、傳感器設(shè)計(jì)者要求的加工工藝達(dá)不到要求3、光角的測(cè)量本身就是精密的電子技術(shù)。研制新的穩(wěn)定的光學(xué)傳感材料，采用電子技術(shù)或?qū)σ亚宄挠绊懸蛩剡M(jìn)行補(bǔ)償。五對(duì)數(shù)字式傳感器的評(píng)價(jià)對(duì)有源ECT/EPT的評(píng)價(jià)有源式ECT、EPT的運(yùn)行穩(wěn)定性好，制造精度高，線性范圍寬、與傳統(tǒng)的制造技術(shù)有繼承性，缺點(diǎn)是：高壓區(qū)有電子器件，要解決電磁干擾問題。要考慮便于電子單元的更換安全的供電電源通過加強(qiáng)屏蔽，改善絕緣，合理的設(shè)計(jì)裝配結(jié)構(gòu)可以解決上述的問題，目前這類產(chǎn)品的研究非常活躍已進(jìn)入實(shí)用化的階段。Rogowski線圈和分壓式PT還成功的應(yīng)用于低壓領(lǐng)域，將微小的電信號(hào)直接送入裝置，在裝置內(nèi)直接進(jìn)行A/D變換，信號(hào)處理，完成保護(hù)、測(cè)量、控制、甚至計(jì)量計(jì)費(fèi)功能。省去了變數(shù)字變光的中間環(huán)節(jié)。應(yīng)當(dāng)指出，高壓區(qū)有電子元件和供電電源，并不是說供電電源和電子設(shè)備直接處于高壓電位，實(shí)際上他們僅僅是處于高壓區(qū)，這是有區(qū)別的。在光學(xué)傳感器穩(wěn)定性、測(cè)量精度沒解決之前，這是另一條發(fā)展信息化的道路，光CT/PT的產(chǎn)品可能更適合超高壓電網(wǎng)。五對(duì)數(shù)字式傳感器的評(píng)價(jià)

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)接口模型

六數(shù)字式傳感器與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的接口IF1：在間隔層和變電站層之間交換保護(hù)數(shù)據(jù)IF3：在間隔層內(nèi)交換數(shù)據(jù)IF4：在過程層和間隔層之間CT和PT瞬時(shí)數(shù)據(jù)交換（例如采樣值）IF5：在過程層和間隔層之間交換控制數(shù)據(jù)IF6：在間隔層和變電站層之間交換控制數(shù)據(jù)IF7：在變電站層和遠(yuǎn)方工程師工作站之間交換數(shù)據(jù)IF8：在間隔層之間直接交換數(shù)據(jù)，特別是快速功能,例如互鎖IF9：在變電站層之間交換數(shù)據(jù)

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)模式演化

基于IEC61850的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

六數(shù)字式傳感器與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的接口第1步：基于IEC61850-9-1或IEC60044-7/8的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接控制中心人機(jī)接口技術(shù)服務(wù)交換機(jī)路由器站級(jí)總線保護(hù)1監(jiān)控設(shè)備常規(guī)開關(guān)設(shè)備電子式CT/VT保護(hù)2保護(hù)1監(jiān)控設(shè)備常規(guī)開關(guān)設(shè)備數(shù)字式CT/VT保護(hù)2IEC61850-9-1IEC60044-7/8六數(shù)字式傳感器與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的接口第2步：基于IEC61850-9-2的過程總線連接控制中心人機(jī)接口技術(shù)服務(wù)交換機(jī)路由器站級(jí)總線保護(hù)1監(jiān)控設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備數(shù)字式CT/VT保護(hù)2保護(hù)1監(jiān)控設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備數(shù)字式CT/VT保護(hù)2IEC61850-9-2過程總線交換機(jī)交換機(jī)六數(shù)字式傳感器與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的接口第3步：同一網(wǎng)絡(luò)－基于IEC61850-9-X監(jiān)控設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備過程總線控制中心人機(jī)接口技術(shù)服務(wù)交換機(jī)路由器站級(jí)總線保護(hù)1數(shù)字式CT/VT保護(hù)2保護(hù)1監(jiān)控設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備數(shù)字式CT/VT保護(hù)2交換機(jī)交換機(jī)六數(shù)字式傳感器與變