220kvgis電子式互感器在午山數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

220kvgis電子式互感器在午山數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

0電子式整體傳感技術(shù)及應(yīng)用2008年5月31日，青島220kv玉華數(shù)字能源站成功啟動(dòng)。該站數(shù)字化設(shè)備由青島供電公司和南京南瑞繼保電氣有限公司共同研究開(kāi)發(fā),全站采用了電子式互感器、新型的智能化GIS匯控柜、以及IEC61850規(guī)約等全新數(shù)字化技術(shù),在國(guó)內(nèi)220kV數(shù)字化變電站實(shí)踐中具備重要的應(yīng)用研究和示范價(jià)值。本文主要針對(duì)220kVGIS用電子式電流電壓互感器的應(yīng)用進(jìn)行分析。數(shù)字化變電站的主要標(biāo)志是采用數(shù)字化電氣量測(cè)系統(tǒng)(如電子式互感器)采集電流、電壓等電氣量,實(shí)現(xiàn)了一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離,增大了電氣量的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍,并提高了測(cè)量精度,從而為實(shí)現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變,以及信息集成化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。電子式互感器與傳統(tǒng)互感器相比,具有絕緣簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、電流互感器動(dòng)態(tài)范圍寬、無(wú)磁飽和、電壓互感器無(wú)諧振現(xiàn)象、電流互感器二次輸出可以開(kāi)路等優(yōu)點(diǎn),受到普遍關(guān)注,并逐步在工程中應(yīng)用。電子式互感器需要解決的是絕緣、電流互感器動(dòng)態(tài)范圍、飽和、占地面積等問(wèn)題,所以在低電壓等級(jí)實(shí)施沒(méi)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值,但隨著電壓等級(jí)的提高,其性價(jià)比將相應(yīng)提高。220kVGIS用電子式電流電壓互感器是與氣體絕緣開(kāi)關(guān)(GIS)配套使用的電流電壓組合為一體的有源電子式互感器。電流互感器采用空芯線圈傳感保護(hù)電流,采用低功率鐵芯線圈(LPCT)傳感測(cè)量電流,這樣可使電流互感器具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度、較大的動(dòng)態(tài)范圍及較好的暫態(tài)特性;電壓互感器采用電容分壓器傳感被測(cè)電壓;充分利用了GIS氣體絕緣結(jié)構(gòu)的特性,具有絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、體積較小、重量較輕、線性度好等特點(diǎn),能夠有效地減小GIS的體積。電子式互感器的遠(yuǎn)端電子模塊及合并單元均采用雙重化冗余配置,保證了互感器的可靠性;電子式互感器利用光纖傳送信號(hào),抗干擾能力強(qiáng),減少了變電站二次電纜,適應(yīng)了數(shù)字化變電站技術(shù)發(fā)展的要求。1u3000匯控柜中或保護(hù)小室配置原則是保證一套系統(tǒng)出了問(wèn)題不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng),也不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。電子式互感器的遠(yuǎn)端模塊和合并單元需要冗余,遠(yuǎn)端模塊中采集模塊需要冗余、合并單元需要冗余配置,合并單元可以安裝在開(kāi)關(guān)附近匯控柜中或保護(hù)小室。午山變電站兩臺(tái)主變分為220kV及35kV兩個(gè)電壓等級(jí),220kV主接線為雙母線接線,35kV側(cè)單母分段接線。220kV系統(tǒng)配置的是南京南瑞繼保公司生產(chǎn)的PCS-9250系列GIS有源式電子式電流電壓組合式互感器(ECVT),ECVT配置在開(kāi)關(guān)的外側(cè),內(nèi)含有雙重化的電流、電壓互感器及遠(yuǎn)端采集模塊,與之對(duì)應(yīng)配置雙重化的合并單元。圖1中MUA、MUB分別為220kVI、Ⅱ母線電壓互感器的合并單元,MU1A、MU1B為雙重化的合并單元,分別為雙重化的220kV線路保護(hù)及母線保護(hù)提供數(shù)字信號(hào),從而提高了可靠性。2電子式電流廣感技術(shù)電子式互感器在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和運(yùn)行,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合IEC1999年制訂的電子式電壓互感器的標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7《ElectronicVoltageTransformer》,IEC2002年制訂的電子式電流互感器的標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8《ElectronicCurrentTransformer》(第一版)、GB16847-1997《保護(hù)用電流互感器暫態(tài)特性技術(shù)要求》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。和常規(guī)互感器標(biāo)準(zhǔn)GB1207、GB1208相比,電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)的大部分內(nèi)容相同,增加了數(shù)字量的定義、原理、數(shù)學(xué)描述、試驗(yàn)規(guī)定等,則是較為明顯的不同。3電子式整體傳感關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際上將有別于傳統(tǒng)的電磁型電流/電壓互感器的新型互感器統(tǒng)稱為非常規(guī)互感器(NonconventionalInstrumentTransformer,NCIT),其中基于電光效應(yīng)的互感器稱為光學(xué)電流/電壓互感器(current/voltagetransformerwithopticalsensor,OCT/OVT)或無(wú)源式互感器;其余泛稱為電子式電流/電壓互感器(ElectronicCurrent/VoltageTransformer,ECT/EVT)或有源式互感器。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述,電子式互感器是具有模擬量電壓或數(shù)字量輸出,供頻率15~100Hz的電氣測(cè)量?jī)x器和繼電保護(hù)裝置使用的電流電壓互感器?？梢?jiàn)其功能、應(yīng)用范圍和常規(guī)互感器完全一致,區(qū)別在于輸出量是可供二次設(shè)備直接使用的模擬電壓信號(hào)或數(shù)字量,如電子式電流互感器模擬量輸出標(biāo)準(zhǔn)值為22.5,150,200,225mV(測(cè)量用)和4V(保護(hù)用),數(shù)字量輸出標(biāo)準(zhǔn)值2D41H(測(cè)量用)和01CFH(保護(hù)用),而常規(guī)電流互感器輸出為電流信號(hào),這直接導(dǎo)致了包括設(shè)備銘牌參數(shù)在內(nèi)的一系列不同,如電子式互感器可根據(jù)需要通過(guò)軟件設(shè)定變比,而不再使用常規(guī)形式如600/300/5來(lái)定義。電子式互感器的精度等級(jí)與常規(guī)的差別不大。以電流互感器為例,測(cè)量用的標(biāo)準(zhǔn)精度為0.1,0.2,0.5,1,3,5級(jí),供特殊用途的為0.2S和0.5S級(jí);保護(hù)用的標(biāo)準(zhǔn)精度為5P,10P,和5TPE,其中5TPE的特性考慮短路電流中有非周期分量的暫態(tài)情況,其穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)誤差限值分別與5P級(jí)、TPY級(jí)常規(guī)電流互感器相同。電子式互感器的原理和常規(guī)的有很大不同,電子式互感器的不同原理分類,見(jiàn)圖2。電子式互感器根據(jù)構(gòu)成原理的不同,可分為有源式和無(wú)源式。有源電子式互感器是指高壓平臺(tái)的傳感頭部分需要供電電源的電子式互感器,無(wú)源電子式互感器是指高壓平臺(tái)的傳感頭部分不需要供電電源的電子式互感器。有源電子式互感器利用電磁感應(yīng)等原理感應(yīng)被測(cè)信號(hào),對(duì)于電流互感器采用Rogowski線圈,對(duì)于電壓互感器采用電阻、電容或電感分壓等方式。有源電子式互感器的高壓平臺(tái)傳感頭部分具有需電源供電的電子電路,在一次平臺(tái)上完成模擬量的數(shù)值采樣(即遠(yuǎn)端模塊),利用光纖傳輸將數(shù)字信號(hào)傳送到二次的保護(hù)、測(cè)控和計(jì)量系統(tǒng)。有源電子式互感器又可分為封閉式氣體絕緣組合電器(GIS)式和獨(dú)立式,GIS式電子式互感器一般為電流、電壓組合式,其采集模塊安裝在GIS的接地外殼上,由于絕緣由GIS解決,遠(yuǎn)端采集模塊在地電位上,可直接采用變電站220/110V直流電源供電。電子式電流電壓互感器主要由兩部分組成,如圖3所示。(1)一次傳感器。包括兩套完全相同的傳感元件,每套傳感元件包括一個(gè)低功率CT、一個(gè)空芯線圈、一個(gè)電容分壓器。低功率CT用于傳感測(cè)量級(jí)電流信號(hào),空芯線圈用于傳感保護(hù)級(jí)電流信號(hào),電容分壓器用于傳感電壓信號(hào)。(2)遠(yuǎn)端模塊也稱一次轉(zhuǎn)換器?；ジ衅饔袃蓚€(gè)完全相同遠(yuǎn)端模塊,兩個(gè)遠(yuǎn)端模塊互為備用,保證電子式電流互感器具有較高的可靠性。遠(yuǎn)端模塊接收并處理低功率CT、空芯線圈及電容分壓器的輸出信號(hào),遠(yuǎn)端模塊的輸出為串行數(shù)字光信號(hào)。遠(yuǎn)端模塊的工作電源由GIS匯控柜內(nèi)的DC220V(或DC110V)提供。(3)合并單元。合并單元置于匯控柜內(nèi)或控制室,接收并處理三相電流電壓互感器遠(yuǎn)端模塊下發(fā)的數(shù)據(jù),對(duì)三相電流電壓信號(hào)進(jìn)行同步,并將測(cè)量數(shù)據(jù)按規(guī)定的協(xié)議(IEC60044-8或IEC61850-9-1/2)輸出供二次設(shè)備使用。合并單元的輸出信號(hào)采用62.5/125μm多模光纖傳送,接頭為ST型。電流傳感器(空芯線圈及LPCT)嵌在接地外殼內(nèi),感應(yīng)流過(guò)一次導(dǎo)桿中的被測(cè)電流,一次導(dǎo)桿、中間電極和接地外殼構(gòu)成電壓傳感器(電容分壓器),感應(yīng)一次導(dǎo)桿上的被測(cè)電壓,高低壓間以SF6氣體絕緣。(4)電流傳感器,利用空芯線圈及低功率CT傳感被測(cè)一次電流。低功率CT(LPCT)的工作原理與常規(guī)CT的原理相同,只是LPCT的輸出功率要求很小,因此其鐵芯截面就較小?？招揪€圈是一種密繞于非磁性骨架上的螺線管,如圖4所示。空芯線圈不含鐵芯,具有很好的線性度。空芯線圈的輸出信號(hào)e與被測(cè)電流i有如下關(guān)系:式中:μ0為真空磁導(dǎo)率;n為線圈匝數(shù)密度;s為線圈截面積。據(jù)式(1),利用電子電路對(duì)線圈的輸出信號(hào)進(jìn)行積分變換便可求得被測(cè)電流i。空芯線圈無(wú)鐵芯,其性能易受溫度及外磁場(chǎng)等干擾因素的影響。采取恰當(dāng)?shù)睦@制技術(shù)可減小干擾的影響。(5)電壓互感器利用電容分壓器測(cè)量電壓。如圖5所示。為提高電壓測(cè)量的精度,改善電壓測(cè)量的暫態(tài)特性,在電容分壓器的輸出端并一精密小電阻。電容分壓器的輸出信號(hào)uo(t)與被測(cè)電壓ui(t)有如式(2)所示的關(guān)系:式中:C1為高壓電容;C2為低壓電容。據(jù)式(2),利用電子電路對(duì)電壓傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分變換便可求得被測(cè)電壓。4電子表達(dá)器的關(guān)鍵4.1遠(yuǎn)端模塊組成有源電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于電源供電技術(shù)、遠(yuǎn)端電子模塊的可靠性及采集單元的可維護(hù)性。GIS式電子式互感器直接接入變電站直流電源,不需要額外供電,采集單元安裝在與大地緊密相連的接地殼上。這種方式抗干擾能力強(qiáng),更換維護(hù)方便,采集單元異常處理不需要一次系統(tǒng)停電?？招揪€圈和電壓傳感器的輸出信號(hào)均是被測(cè)量的微分。遠(yuǎn)端模塊的主要作用是同時(shí)采集電流傳感器和電壓傳感器的輸出信號(hào),轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),對(duì)空芯線圈和電壓傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分變換還原被測(cè)電流和被測(cè)電壓信號(hào),并按約定格式以串行數(shù)字光信號(hào)的形式輸出。遠(yuǎn)端模塊接有一根屏蔽電纜,用于供電。供電電壓DC220V或者DC110V。遠(yuǎn)端模塊接有一根光纜,用于傳送采集處理后的電流、電壓信號(hào)。遠(yuǎn)端模塊的設(shè)計(jì)及器件選用充分考慮了各種運(yùn)行的惡劣環(huán)境,具有較高的可靠性及穩(wěn)定性。同時(shí)遠(yuǎn)端模塊有故障告警功能,發(fā)生故障可以進(jìn)行帶電更換。4.2次輸出值的調(diào)整和傳統(tǒng)互感器的繞制方法不同,為了獲得高測(cè)量準(zhǔn)確度,空芯線圈須按以下原則繞制:線圈密度恒定;骨架截面積恒定;線圈橫截面與中心線垂直,否則將引入較大的測(cè)量誤差。實(shí)際半手工繞制時(shí)常不能完全滿足上述要求,批量生產(chǎn)時(shí)性能分散性大,所以一般空芯線圈的設(shè)計(jì)精度最高可達(dá)0.1%,實(shí)際應(yīng)用時(shí)常僅1%~3%。IEC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳感單元額定電流時(shí)的二次輸出有明確數(shù)值要求,所有輸出偏離值均計(jì)入測(cè)量誤差,為了解決空芯電流互感器生產(chǎn)時(shí)的分散性,IEC60044-8中特別允許采用一標(biāo)記Ra的電阻來(lái)調(diào)整二次輸出值。生產(chǎn)工藝成為阻礙空芯電流互感器產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。4.3全系統(tǒng)范圍內(nèi)采樣數(shù)據(jù)同步電子式互感器的同步問(wèn)題包含多個(gè)層面。(1)同一間隔內(nèi)的各電壓電流量的同步。本間隔的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電流電壓相位、各序分量、線路電壓與母線電壓的同期等問(wèn)題都依賴于對(duì)同步數(shù)據(jù)的測(cè)量計(jì)算。IEC60044標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,每間隔最多可有12路的測(cè)量量經(jīng)同一合并單元處理后送出,這送出的12路測(cè)量量首先必須是同步的。(2)關(guān)聯(lián)多間隔之間的同步。變電站內(nèi)存在某些二次設(shè)備需要多個(gè)間隔的電壓電流量,典型的如集中式母線保護(hù)、集中式小電流接地選線裝置、主設(shè)備縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置、平行雙回線橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置、AVQC(自動(dòng)電壓無(wú)功調(diào)節(jié))裝置等,相關(guān)間隔的合并單元送出的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)該是同步的。(3)關(guān)聯(lián)變電站間的同步。輸電線路保護(hù)采用數(shù)字式縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)如光纖縱差保護(hù)時(shí),差動(dòng)保護(hù)需要線路各側(cè)的同步數(shù)據(jù),這有可能將數(shù)據(jù)同步問(wèn)題擴(kuò)展到多個(gè)變電站之間。(4)廣域同步。大電網(wǎng)廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(WAMS)需要全系統(tǒng)范圍內(nèi)的同步相角測(cè)量,在未來(lái)大規(guī)模使用電子式互感器的情況下,可能導(dǎo)致出現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)采樣數(shù)據(jù)同步。IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電子式互感器數(shù)據(jù)同步的兩種方法:脈沖同步法與插值法。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每個(gè)合并單元必須具備1個(gè)1PPS秒脈沖時(shí)鐘接口,以接收全站統(tǒng)一的采樣同步信號(hào)?？看送叫盘?hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)變電站級(jí)的數(shù)據(jù)同步,這是所謂的脈沖同步法。同一合并單元內(nèi),可以參照1PPS脈沖信號(hào),將其作K倍倍頻后產(chǎn)生同步采樣啟動(dòng)信號(hào),K即為每秒采樣點(diǎn)數(shù)(采樣率)。對(duì)于在低壓側(cè)作A/D變換的無(wú)源式ECT/EPT,實(shí)施起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單;對(duì)于在高壓側(cè)作A/D變換的有源式ECT/EPT,同步脈沖信號(hào)需變換成光信號(hào)經(jīng)光纖傳送到高壓端。若想避免低壓端向高壓端傳送信號(hào)的復(fù)雜過(guò)程,可以采用插值法。各路測(cè)量環(huán)節(jié)A/D變換部分只管進(jìn)行非同步采樣,而在合并單元中用插值法計(jì)算出各路電流電壓量在同一時(shí)刻的采樣值。各間隔的合并單元中如果沒(méi)有進(jìn)行過(guò)站級(jí)同步,其數(shù)據(jù)也可以用插值法同步。脈沖同步法可以解決同間隔內(nèi)各路測(cè)量量之同步采樣問(wèn)題、各關(guān)聯(lián)合并單元之間的數(shù)據(jù)同步,對(duì)關(guān)聯(lián)變電站之間的同步乃至廣域的同步也都可以適應(yīng),當(dāng)然這時(shí)它需要更大范圍內(nèi)的統(tǒng)一基準(zhǔn)同步信號(hào),如GPS、北斗1號(hào)或伽利略衛(wèi)星對(duì)時(shí)等。如上文所述,這種方法用在合并單元內(nèi)部時(shí),需要將同步采樣啟動(dòng)信號(hào)反送到高壓端,給實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)增加了困難。GPS秒脈沖信號(hào)完整時(shí),可達(dá)到很高的同步精度,誤差在ns級(jí);插值法同步精度略低,誤差在μs級(jí),仍可滿足保護(hù)和計(jì)量的精度要求。脈沖同步方法簡(jiǎn)單、但秒脈沖丟失時(shí)存在危險(xiǎn)、二次設(shè)備通過(guò)再采樣技術(shù)(插值算法)實(shí)現(xiàn)同步、采樣率要求高、硬件軟件要求高,實(shí)現(xiàn)難度較大,午山站不依賴于GPS和秒脈沖傳輸系統(tǒng)。另外,采用光纖縱差保護(hù)的輸電線路兩端,傳統(tǒng)的靠調(diào)整采樣時(shí)刻來(lái)保持?jǐn)?shù)據(jù)同步的方法將不再適用(站內(nèi)已經(jīng)統(tǒng)一同步采樣而站間未同步時(shí))或沒(méi)有必要(站間已同步時(shí))。對(duì)專用一對(duì)差動(dòng)ECT的情況,由于IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)對(duì)二次設(shè)備到合并單元方向的報(bào)文不提倡,也會(huì)遇到困難。這在未來(lái)的應(yīng)用中需要引起關(guān)注。再一個(gè)問(wèn)題,保護(hù)裝置依賴于GPS時(shí)的可靠性也需要研究和探討。應(yīng)用插值法時(shí),合并單元僅單方向接收測(cè)量部分發(fā)送的采樣值,而利用數(shù)值插值計(jì)算得到同時(shí)刻測(cè)量值。數(shù)值法同步機(jī)制簡(jiǎn)單,但必然引來(lái)方法誤差。不同的插值方法有不同的精度、計(jì)算量、可靠性與應(yīng)用范圍。為獲得最佳的插值效果,有必要對(duì)各種方法作定量的數(shù)學(xué)分析?？疾爝m用的插值法,主要包括:Lagrange插值、Newton等距節(jié)點(diǎn)插值、分段樣條插值、最小二乘法等。午山站采用了分段線性插值。合并單元收到每路測(cè)量量的每個(gè)采樣值時(shí),記下相應(yīng)的時(shí)刻,在進(jìn)入循環(huán)的第一個(gè)起始參考時(shí)刻點(diǎn)上,每一路的測(cè)量量在其前后都會(huì)有一個(gè)采樣值,根據(jù)前后點(diǎn)與此時(shí)刻的時(shí)間差的比,利用線性插值法可以得到一個(gè)“近似值”,所有路的測(cè)量量“近似值”都是此參考時(shí)刻的。參考時(shí)刻按固定間隔時(shí)間后移,計(jì)算不斷循環(huán),于是輸出端得到連續(xù)的“同步采樣值”。4.4設(shè)計(jì)方差動(dòng)電流的自適應(yīng)變化模式線路一側(cè)是常規(guī)互感器,另一側(cè)是電子式互感器。常規(guī)互感器和電子式互感器兩個(gè)采樣回路路由的延時(shí)是不一致的。(1)常規(guī)互感器:電流電壓經(jīng)CT、PT轉(zhuǎn)換為二次模擬值,再經(jīng)保護(hù)交流插件、AD采樣回路進(jìn)入保護(hù)裝置;(2)電子式互感器:電流電壓經(jīng)電子式互感器、遠(yuǎn)端模塊、合并單元進(jìn)入保護(hù)裝置。如果不進(jìn)行任何處理,相當(dāng)于兩側(cè)采樣時(shí)刻不一致,必