數(shù)字式傳感器在變電站自動化中的應(yīng)用研究

數(shù)字式傳感器

在變電站自動化中的應(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)用實例五對數(shù)字式傳感器的評價六數(shù)字式傳感器與變電站自動化系統(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的缺點電壓等級越高，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，安裝運輸不便。暫態(tài)傳變特性差，高壓系統(tǒng)中要求保護動作速度快，改善暫態(tài)傳變特性需增加投資。CT二次側(cè)輸出對負載有嚴格要求，超高壓變電站占地面積大，從開關(guān)場到控制室的二次電纜可達200米，為保證傳變精度，增加電纜截面也不一定能解決問題。傳變大電流會造成鐵芯飽和，成為差動類保護頭痛的問題。CT二次不能開路，會產(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、計算機式信息技術(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。計算機化的保護、測量、計量設(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、保護設(shè)備響應(yīng)速度更快，監(jiān)測精度更高，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，造價增加比電壓等級增加快的多，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．對無源光電傳感器和有源電子式傳感器進行調(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)準中關(guān)于數(shù)字式傳感器與變電站自動化系統(tǒng)間隔層的接口。4．研究合并單元的功能及其實現(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)將電壓電流信號轉(zhuǎn)變成光信號，經(jīng)光纜送到低壓區(qū)，解調(diào)成電信號或數(shù)字信號。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，經(jīng)A/D變換成數(shù)字信號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，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中的法拉第旋光材料后，若磁場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)測量電流。傳感頭不需電源高壓區(qū)無電子器件運行壽命易保證目前尚在開發(fā)中，測量精度不高，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^任意的形成多個閉合光路，監(jiān)測靈敏度要高。要采用特殊的光纖，

稱為保偏光纖，造價昂貴，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晶體在沒有外電場作用時各向同性，在外電場作用下，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。若外加電場沿晶體的<110>方向（見圖2-6），當(dāng)光通過長為l的晶體時，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,由于外加電場的存在,入射光束就會變成初相相同,而電位移矢量互相垂直的兩束光,它們在晶體中的傳播速度不同,出射時有一定的相位差,這相位差即正比于加在晶體上的電壓。光的相角差測量困難，應(yīng)用光干涉后的光強近似替代角差測量。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與電流對時間的導(dǎo)數(shù)成比例，所以為了得到與電流成比例的信號，需要積分。

三數(shù)字式傳感器介紹典型的有源ECT方案采用兩個線圈，一個取信號，進行V/f變換后經(jīng)光纖送出，另一個提供電源。高壓區(qū)信號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高壓經(jīng)電容分壓器分壓后，經(jīng)信號預(yù)處理、A/D變換及LED電光轉(zhuǎn)換，以數(shù)字光信號的形式輸出，以供微機保護和計量用。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行。四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實例安裝在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)用實例BlackwallSubstation,Queensland,Australia（1999年11月投運）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)用實例四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實例四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實例三菱公司I-AIS系統(tǒng)的電子CT四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實例華工研制的ECT四數(shù)字式傳感器的應(yīng)用實例數(shù)字式電流和電壓互感器與傳統(tǒng)CT、PT性能對比性能傳統(tǒng)電流和電壓互感器數(shù)字式電流和電壓互感器信號5Ａ/100Ｖ150ｍＡ/2Ｖ次級負載1～50ＶＡ≥4光歐準確度測量:02%～1%多用途1%保護:5%～10%動態(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)無影響受補償電磁兼容性無影響屏數(shù)短路的次級破壞性(電壓互感器)無傷害開路的次級破壞性(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種同型式五對數(shù)字式傳感器的評價數(shù)字式傳感器的優(yōu)點體積小、重量輕，電壓高時更是如此便于和數(shù)字設(shè)備連接，實現(xiàn)智能化多功能絕緣性能好，造價低不含鐵芯，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題暫態(tài)特性好，測量精度高。頻率響應(yīng)范圍寬五對數(shù)字式傳感器的評價對無源光CT/PT的評價純光學(xué)的電流、電壓傳感器測量原理有很多優(yōu)點，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。目前的OCT/PT測量精度不高，穩(wěn)定性差有幾個原因：1、光材料的溫度特性差，直接影響精度。2、傳感器設(shè)計者要求的加工工藝達不到要求3、光角的測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行補償。五對數(shù)字式傳感器的評價對有源ECT/EPT的評價有源式ECT、EPT的運行穩(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屏蔽，改善絕緣，合理的設(shè)計裝配結(jié)構(gòu)可以解決上述的問題，目前這類產(chǎn)品的研究非?；钴S已進入實用化的階段。Rogowski線圈和分壓式PT還成功的應(yīng)用于低壓領(lǐng)域，將微小的電信號直接送入裝置，在裝置內(nèi)直接進行A/D變換，信號處理，完成保護、測量、控制、甚至計量計費功能。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)。五對數(shù)字式傳感器的評價

變電站自動化系統(tǒng)接口模型

六數(shù)字式傳感器與變電站自動化系統(tǒng)的接口IF1：在間隔層和變電站層之間交換保護數(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)

變電站自動化系統(tǒng)模式演化

基于IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

六數(shù)字式傳感器與變電站自動化系統(tǒng)的接口第1步：基于IEC61850-9-1或IEC60044-7/8的點對多點連接控制中心人機接口技術(shù)服務(wù)交換機路由器站級總線保護1監(jiān)控設(shè)備常規(guī)開關(guān)設(shè)備電子式CT/VT保護2保護1監(jiān)控設(shè)備常規(guī)開關(guān)設(shè)備數(shù)字式CT/VT保護2IEC61850-9-1IEC60044-7/8六數(shù)字式傳感器與變電站自動化系統(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接口技術(shù)服務(wù)交換機路由器站級總線保護1監(jiān)控設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備數(shù)字式CT/VT保護2保護1監(jiān)控設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備數(shù)字式CT/VT保護2IEC61850-9-2過程總線交換機交換機六數(shù)字式傳感器與變電站自動化系統(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接口技術(shù)服務(wù)交換機路由器站級總線保護1數(shù)字式CT/VT保護2保護1監(jiān)控設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備數(shù)字式CT/VT保護2交換機交換機六數(shù)字式傳感器與變