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数字化变电站的设计方案研究 摘要 目前我国的变电站己基本普及变电站自动化系统，监控、继电保护、 安全自动装置等设备已经基本采用数字技术。随着网络通讯技术的发展， 适应传感器、开关等设备恶劣运行环境的电子技术也已基本成熟。在此基 础上，应用智能化开关、光电式传感器一次设备在线检测等设备，可进一 步发展为全数字化变电站。 数字化变电站按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和保护三 大功能提出了变电站内功能分层的概念，变电站的功能分为三层，即变电 站层、间隔层和过程层。过程层主要完成开关量i o 、模拟采样和控制命 令的发送等功能；间隔层是利用本间隔的数据对一次设备进行控制；变电 站层是利用各间隔或全站的信息对多个间隔或全站的一次设备进行控制、 管理，以及完成与各级调度、站内其他智能设备之间接口相关的功能。 数字化变电站是以i e c 6 1 8 5 0 为通信标准的信息采集、传输、处理、 输出过程完全数字化的变电站，基本特征为设备智能化、建模标准化、通 讯网络化、运行管理自动化。 本文从数字化变电站基本组网结构进行了分析和探讨，提出了典型的 设计方案，促进了数字化变电站的推广应用。 关键词：数字化变电站、光电传感器、i e c 6 1 8 5 0 、统一信息平台 t h es t u d yo f d i g i t a l s u b s t a t i o n d e s i g n a b s t r a c t t o d a y ，a u t o m a t i o ns y s t e m ，m o n i t o r i n g ，r e l a yp r o t e c t i o na n ds e c u r i t y a u t o m a t i o nd e v i c eh a sb e e na p p l i e di no u rc o u n t r y ss u b s t a t i o n a n dt h e d i g i t a lt e c h n o l o g yh a sa l s o b e e n a d o p t e d i nt h e s ed e v i c e s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e e l e c t r o n i c t e c h n o l o g yw h i c hc a nb ea p p l i c a b l et ot h e s ed e v i c e ss u c ha ss e n s o ra n ds w i t c h i na d v e r s eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n th a sb e e nn e a r l ym a t u r e o nt h i sb a s i s ，t h e a p p l i c a t i o no ft h e s ed e v i c e ss u c ha si n t e l l i g e n ts w i t c ha n dp h o t o e l e c t r i cs e n s o r c a na d v a n c et oa l l - d i g i t a ls u b s t a t i o n d i g i t a ls u b s t a t i o np r o p o s e st h ec o n c e p to fs u b s t a t i o ns t r a t i f i e df u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h et h r e ef u n c t i o na sc o n f o r m i t y ，s u r v e i l l a n c ea n dp r o t e c t i o n t h e s t r a t i f i e df u n c t i o nh a st h r e el a y e r s ，t h a ti ss u b s t a t i o n ，i n t e r v a la n dp r o c e s s t h ep r o c e s sl a y e ra c c o m p l i s h e st h ef u n c t i o no ft h es w i t c hi n p u ta n do u t p u t ， s i m u l a t i o no fs a m p l i n g t r a n s m i t t i n go fc o n t r o lo r d e r t h ei n t e r v a l l a y e r c o n t r o lt h e s ed e v i c e su s i n gt h ed a t ao fi t s e l f t h es u b s t a t i o na c c o m p l i s h e s t h e s ef u n c t i o n ss u c ha sc o n t r o l ，m a n a g e m e n t ，s c h e d u l i n ga n dr e l a t e df u n c t i o n s o fo t h e ri n t e l l i g e n td e v i c e s d i g i t a l s u b s t a t i o nt a k e si e c 618 5 0a sas t a n d a r dt or e a l i z ed a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n do u t p u t i n t e l l i g e n td e v i c e s ， s t a n d a r d i z e dm o d e l i n g ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa n da u t o m a t e do p e r a t i o na n d m a n a g e m e n th a v eb e c o m et h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a ls u b s t a t i o n t h i sa r t i c l ep r o p o s e st y p i c a ld e s i g nt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n o fd i g i t a ls u b s t a t i o n sb a s i cs t r u c t u r e s i ta l s oc a np r o m o t et h ea p p l i c a t i o no f t h ed i g i t a ls u b s t a t i o n k e y w o r d s ：d i g i t a ls u b s t a t i o n ，o p t i c a lt r a n s d u c e r s ，i e c 6 18 5 0 ，u n i f i e d i n f o r m a t i o np l a t f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金月墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位做作者签名： 五俊 签字魄 叩年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金基垦王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒埋 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 互筐 签字日期：q 年1 1 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：了喵7 签字日期：d 7 年j 1 月7 日 电话： 邮编： 致谢 在论文即将完成之际，我首先要感谢合肥工业大学给了我这次学习和 提高的机会，并衷心地感谢导师温阳东教授在我学习和论文撰写过程中所 给予的指导和帮助，在论文从选题、写作以至到论文的最后定稿自始至终 都得到了导师温阳东教授的严格要求和悉心指导。温老师渊博的学识、严 谨的治学态度、一丝不苟的研究精神和高尚的人格都让我受益匪浅，并值 得我永远学习。此外温老师在工作和生活上也给予了我很大的支持和帮 助，在此学生表示衷心的感谢和崇高的敬意。 同时还要感谢自动化研究所的毕锐老师给予的大力支持和帮助，使我 的论文撰写工作得以顺利完成，在此深表谢意。 最后还要感谢我的家人和同事，在整个学习阶段，正是他们不断的支 持和鼓励，才使我顺利完成了学业，在此对他们表示诚挚的谢意和深深的 敬意! 作者：王俊 2 0 0 9 年1 1 月 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机技术和电子技术的发展，由微机保护、测控装置、远动 通信服务器和计算机监控系统构成的变电站自动化系统经过上世纪八九 十年代快速发展，现在已成为变电站建设的标准。变电站自动化系统实 现了站控层和间隔层设备数字化，以及两层间信息交换的数字化。 通讯系统已建成以光缆为媒介的网络，完全满足变电站自动化系统 对数据的实时性和可靠性要求，适应传感器、开关等过程层设备恶劣环 境的电子技术已基本成熟，实现间隔层信息交换数字化、过程层设备数 字化以及间隔层与过程间信息交换数字化的全数字化变电站成为变电站 技术发展的必然趋势。 1 2 数字化变电站的特点 数字化变电站指信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变 电站，基本特征为设备智能化、通信网络化、运行管理自动化等。 数字化变电站有以下主要特点： 口一次设备智能化 采用数字输出的电子式传感器、智能开关( 或配智能终端的传统开 关) 等智能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息 的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。 口二次设备网络化 二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取 消控制电缆。 口运行管理系统自动化 应包括自动故障分析系统、设备健康状态监测系统和程序化控制系 统等自动化系统，提升自动化水平，减少运行维护的难度和工作量。 1 3 数字化变电站的发展概况 1 3 1 国外数字化变电站的发展概况 国外几个大的电力设备公司，如a b b 、西门子等，已开发了全套的 数字化变电站一次设备和二次设备，并得到成功的应用。在i e c 6 18 5 0 标 准的制定过程中，进行了各厂家设备间的互操作试验并在示范变电站得 到应用。 国外厂商已经开发出符合i e c 6 18 5 0 要求的智能电子设备，不但有保 护装置，还有符合该标准的过程层设备，如智能断路器，带数字接口的 光电c t 、p t 等。a b b 公司开发的p a s s 系统将智能化的开关设备和 传感器集成在起，并融和了部分保护功能和测控功能。该系统在国外 已有一定范围的应用。 从19 9 8 年到2 0 0 0 年，a b b ，a l s t o m 和s i e m e n s 合作在德国进行了 o c i s ( o p e nc o m m u n i c a t i o ni ns u b s t a t i o n s ) 计划，完成了间隔层设备和 主控站之间的互操作试验。试验中由a b b 完成主控站通过在以太网上实 现i e c 6 18 5 0 8 1 来连接a b b 、a l s t o m 和s i e m e n s 的设备。2 0 0 1 年，在 加拿大，a b b 和s i e m e n s 进行了间隔层设备的互操作试验，由s i e m e n s 的保护装置向a b b 的开关模拟器发送跳闸信号，a b b 的开关模拟器收到 信号后将开关打开并将开关打开的g o o s e 信息发给其他设备，配置为 重合闸装置的a b b 保护向断路器发送重合命令。2 0 0 2 年1 月，a b b 和 s i e m e n s 在美国，进行了采样值传输互操作试验，同年9 月，这两个公 司又进行了跳闸和采样值互操作性试验，试验都很成功。2 0 0 2 年到2 0 0 4 年之间，a b b 、a l s t o m 和s i e m e n s 在德国柏林进行了间隔层设备的互 操作试验，这次成功的试验证明了互操作性和简化工程难度的可行性。 1 3 2 国内数字化变电站的发展概况 电科院和国内的各大电力设备制造厂商从2 0 0 1 年就开始关注 i e c 6 18 5 0 ，并且开始对该标准进行翻译。到目前i e c 6 18 5 0 的国产化工作 已基本完成。 国家电力公司积极推进互操作性试验检验和促进i e c6 18 5 0 系列产 品的开发和兼容情况。国内较有影响力的电力自动化设备供应商积极响 应并参与了此互操作性试验，参与厂商提供的各种设备能够完成 i e c 6 18 5 0 规约定义的所有功能，能达到标准规定的一致性测试和无缝互 操作要求。 多个国内厂家的电子式传感器通过鉴定和投运，电压等级涵盖 1 0 k v 5 0 0 k v ，部分产品的鉴定水平达到国际先进。现已有数十套国 产电子式传感器在多个变电站投入运行，最长有3 0 个月的连续稳定运行 经验。 由于国内一次设备厂家的电子技术能力相对较弱，尚没有开展智能 开关设备等其他智能一次设备的研究工作。为解决开关等其他一次设备 智能化的问题，一些二次设备厂家开发了用于一次设备智能化的智能终 端( 或称智能单元) 。智能终端安装在一次设备端子箱，采集设备状态 和控制设备，用光纤通信与二次设备交换信息。 2 传统二次设备与一次设备间用硬接线交换模拟信息，数字化变电站 的二次设备需具备能与智能一次设备用通信系统交换数字信息的能力。 国内主要二次设备厂家通过改造成熟二次设备，为其增加过程层通 信接口，现已能提供数字化变电站的全套二次设备。 国内许多电力公司都在跟踪数字化变电站的最新发展，加快发展数 字化变电站的步伐，并做了大量实际工作。一些省电力公司已经开始按 i e c 6 18 5 0 标准进行数字化变电站示范站的建设，已有多个数字化110 k v 及2 2 0 k v 变电站投入运行。 国际上数字化变电站的研究已从实验室阶段进入实际工程应用，我 国十一五规划中明确指出“大力推广数字化变电站 。建成一批数字化 变电站示范站。为大面积的推广数字化变电站技术奠定基础，可见数字 化变电站必将是我国变电站技术的发展方向。 1 4 本论文研究的意义和内容 数字化变电站就是使变电站的所有信息采集 传输处理输出过 程由过去的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网 络和系统。它的基本特征体现在设备智能化、通信网络化、模型和通信 协议统一化、运行管理自动化等方面。 数字化变电站无论是在产品结构形式上还是在系统体系结构上都与 现在的运行变电站模式存在较大的差异，本文针对现阶段的实际情况， 探讨数字化变电站系统的工程设计方案，为相关工程技术人员和管理人 员提供一个了解数字化变电站的参考。 本文的章节安排如下： 第一章：简要介绍数字化变电站的特点并对国内外对数字化变电站 的研究现状进行了分析，提出数字化变电站是今后变电站的发展方向。 第二章：对数字化变电站的硬件设备进行了详细地分析，对现阶段 研究较多的电子式电流传感器和电子式电压传感器进行了深入地探讨。 第三章：详细阐述了数字化变电站的系统网络构成体系，i e c 6 18 5 0 体系结构和体系功能以及如何在工程实践中的应用。 第四章：介绍了信息管理系统在数字化变电站的实现，以及设备在 线检测系统在数字变电化站的应用和网络安全技术。 第五章：对数字化变电站的优势，发展前景进行了展望，对数字化 变电站的工程推广进行了设想。 第二章数字化变电站硬件设备 2 1 硬件设备的基本构成 数字化变电站的硬件设备有：电子式电流传感器、电子式电压传感 器、智能开关、合并单元、数字保护及控制系统、通讯回路等。电子式 光电传感器按照原理不同可以分为无源和有源两种，按功能可以分为电 子式电流传感器和电子式电压传感器以及组合式传感器。 2 2 无源光电传感器 2 2 1 无源光电电流传感器 光学电流互感器可以采用多种物理效应，如：法拉第磁光效应、磁 致伸缩效应、压电效应和电光效应等，其中研究最为充分、最具有实用 化前景的是基于法拉第磁光效应的电流传感器。磁光式电流互感器的基 本工作原理是磁光效应。材料在外加磁场作用下呈现光学各向异性，使 通过材料的光波偏振性质发生改变的现象，称为磁光效应。磁光效应的 本质是材料在外加磁场和光波电场的共同作用下产生的非线性极化过 程。法拉第磁光效应是指光在磁光材料中传输时其偏振面因受到外加磁 场的作用而产生旋转的现象。如图2 1 所示，一束线偏振光通过置于磁 场中的磁光材料时，若磁场方向与光的传播方向平行，则出射线性偏振 光与入射线性偏振光的偏振平面将产生旋转，旋转角0 正比于磁场沿着 偏振光通过材料路径的线积分即： p = 矿? ( ) 以 ( 2 1 ) 式中：v 为v e r d e t 常数，它只与所选的光学材料有关，h 为磁场 强度，l 为通过法拉第磁光材料的光程长度。 注入光平面 法拉第传感器 图2 1法拉第磁光效应 无源型光电电流传感器系统如图2 2 所示， 4 图2 2无源电流传感器系统图 当磁场是由待测载流导体的电流i 产生，且光行进的路径围绕载流 导体闭合时，由安培环路定律可知： o = v n 弘( ) d - l = v n f ( 2 2 ) 其中，n 为光路与电流交链的匝数；i 为导体中流过的电流。 光路闭合后，旋转角0 只与闭路内的电流大小有关，而同外界电磁 场以及被测电流与光路的相对位置无关。因此，测出偏振光旋转角0 就 可以测出电流i 。 按传感头的结构不同，光学电流互感器可以分为全光纤式光学电流 互感器、块状光学电流互感器、集磁环式光学电流互感器。全光纤光学 电流互感器是将传感光纤缠绕在通电导体周围，利用光纤的偏振特性， 通过测量光纤中偏振光的旋转角来间接测量电流。全光纤式光学电流互 感器传光和传感部分都采用光纤，又称功能型光学电流互感器，其面临 的线性双折射和长期运行稳定性问题比块状光学电流互感器、集磁环式 光学电流互感器都要严重。由于需要采用特殊光纤作为传感元件，我国 开展这方面的研究工作较少。 无源型结构是近年来比较盛行的，其优点是结构简单，且完全消除 了传统的电磁感应元件，无磁饱和问题，充分发挥了光电互感器的特 点，尤其是在高压侧不需要电源器件，使高压侧设计简单化，互感器运 行寿命有保证。其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度不容易达 到。尤其是此种电流传感器受费尔德( v e r d e t ) 常数和线性双折射影响严 重。而目前尚没有更好的方法能解决v e r d e t 常数随温度变化而出现的非 线性变化即系统的线性双折射问题，所以很难在工业中得到实际应用， 目前这类互感器的研究都仅限于在实验室里实现。 2 2 2 无源光电电压传感器 现在，大多数研制的光纤电压传感器是利用p o c k e l s 线性电光效应。 其中，采用的晶体大多数是b g o ( 锗酸，b i 4 g e 3 0 12 ) 晶体。b g o 晶体在 没有外电场作用时，b i 4 g e 3 0 1 ：各向同性，其光率体为圆球体；在外电 蛋一爵卫 场作用下，光率体由圆球体变为三轴椭球体，其主轴一般也不与原坐标 重合，各向同性的晶体变成了各向异性的双折射晶体。若外加电场沿晶 体的垂直方向( 见图2 - 3 ) ，当光通过长为1 的晶体时，出射的两光束产 生了相移： 妒等魄砂，= 等喁。吉u ( 2 3 ) 其中，入为光波波长；n 为晶体的折射率；1 为晶体通光方向的长 度； d 为沿晶体施加电压方向的厚度；y 4 1 为晶体材料的电光系数；u 为被测电压；其半波电压u 。为 由式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可见， 的电场e 或电压u 的大小。 ( 2 - 4 ) 只要测出相移，就可以确定所要测量 图2 3 外加电场方向与晶体新主轴关系 这种传感头的优点是：结构简单、灵敏度可随光纤长度变化等特 点。但在实现挂网过程中遇到提高精确度与长期稳定性的理论与实践问 题很复杂，需在理论与工艺性能等方面开展深入的研究。 2 2 3 无源光电传感器特点 与传统的电磁感应式电压、电流互感器相比，光纤电压、电流传感 器有如下优点： 1 ) 优良的绝缘性能，造价低。电磁感应式互感器高压侧与二次侧 之间通过铁心耦合。它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指 数关系上升。在光纤传感器中，高压侧信息是通过由绝缘材料做成的玻 璃纤维而传输到低压侧的，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级升高 呈线性增加。 2 ) 不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。光纤传感器不用 铁心做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使传感器运行暂态 响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。 6 3 ) 低压侧无开路高压危险。电磁感应式电流互感器二次回路不能 开路，低压侧存在开路高压危险。由于光纤电流传感器的高压与低压之 间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，因此可保证高压回路 与二次回路在电气上完全隔离，低压侧没有因开路而产生高压的危险， 同时因没有磁耦合，消除了电磁干扰对传感器性能的影响。 4 ) 线性工作范围大，无饱和现象。电网正常运行时，电流互感器 流过的电流并不大，但短路电流越来越大。电磁感应式互感器因存在磁 饱和问题，难以实现大范围测量，并在一个通道同时满足高精度计量和 继电保护的需要。光纤传感器有很宽的动态范围，一个测量通道额定电 流可测到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培。因此既可同 时满足计量和继电保护的需要，又可免除电磁互感器多个测量通道的复 杂结构。 5 ) 频率响应范围宽。光纤传感器传感头部分的频率响应取决于光 纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要取决于电子线路 部分，其极限频带在几兆h z 以上。光纤传感器能很好地满足电力系统 故障录波的要求。现代光纤传感器已经可以测出高压电力线路上的谐 波，而电磁感应式互感器是难以进行这诸多方面工作的。 6 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。电磁感应式互感器 一般采用充油方法来解决绝缘问题，这样不可避免的存在易燃、易爆炸 等危险。而光纤传感器绝缘结构简单，在结构设计上就可避免这方面的 危险。 7 ) 体积小、重量轻，运输安装方便。光纤传感器的传感头本身的 重置一般小于i k g 。 8 ) 抗电磁干扰能力强。光纤传感器通过光信号传递信息，可抗电 磁干扰。电力系统存在着大量电磁场，且十分复杂，而利用电磁耦合原 理的互感器很难克服电磁干扰。 9 ) 由于信息载体是光，用光纤传输信号，因此具有光学敏感和光 纤传输的优点。例如耐腐蚀、耐老化等。 10 ) 适应了电力计量与保护数字化和变电站自动化发展的潮流。光 纤互感器一般以弱功率数字量输出，非常适合与各种变电站自动化设备 智能设备接口。 光纤传感器在原理上有着传统电磁式互感器无法比拟的优势，但是 在产品化进程中却遇到了极大的困难。安全可靠是电力系统的行业特 点，但是光纤传感器的主要问题是长期运行的可靠性与稳定性差。影响 光纤传感器运行稳定性的主要因素就是温度的影响。在恒温下，光纤传 感器的测量精度是很高的，但温度稍一变化精度就急剧下降，而电力系 统往往因功率关系总伴随有发热和振动，野外环境的昼夜温度变化也很 大。 温度的影响是多方面的。它不仅通过影响线性双折射、v e r d e t 常数 而改变系统的灵敏度，还对各光学部件的其他性能及其连接( 粘接) 都 产生影响，如引起光源光强、探测器响应度变化，改变光纤耦合效率、 光学材料的折射率，光纤传输常数等多方面，最终导致光纤传感器输出 具有不确定的变化。 光纤线性双折射问题是全光纤式光电电流传感器实用化的主要障 碍，虽然自1 9 7 9 年起各国科学家都进行了一些实用化的尝试，但到目前 为止还未有真正的商品化的产品问世。由于全光纤式电流传感器是最具 有发展前景的，其自身所拥有的诸多优点激励着人们寻求实用化的途 径。 另外，就是新传感材料的研究，即制造出能克服折射效应与提高光 纤的v e r d e t 常数相结合的特种传感材料是研究的热点。 2 3 有源光电传感器 随着现代电子技术的发展，综合传统传感器技术和现代电子技术出 现了一种新型的有源电子式传感器即采用r o g o w s k i 线圈的电流传感器和 采用电容分压原理的电压传感器。 2 3 1 有源光电电流传感器 作为从电磁式电流互感器向光电式电流传感器的过渡产物的混合式 电流传感器，其传感头的精度直接影响系统的测量精度。我们没有采用 传统的基于电磁感应原理的铁芯线圈传感头，而是采用空心互感器( 即 r o g o w s k i 线圈) 作为传感元件。 r o g o w s k i 线圈和传统的铁芯电流互感器的主要区别在于二者所用的 材料和阻抗特性不同。r o g o w s k i 线圈实质上是将一组导体线圈绕在一个 非磁性芯上，它的二次侧负载一般是大电阻；而铁芯电流互感器是将一 组导体线圈绕在一个磁性芯上，它的二次侧负载是一个很小的采样电 阻。与传统电流互感器相比，r o g o w s k i 线圈有以下优点： 1 ) 测量精度高：精度可设计到高于0 1 ，一般为0 1 0 3 ； 2 ) 测量范围宽：由于没有铁芯饱和的问题，同样的绕组可用来测 量的电流范围可从几安培到几千安培； 3 ) 频率范围宽：一般可设计到0 1 hz 到lmh z ，特殊的可设计到 2 0 0 m h z 的带宽； 4 ) 可以测量其它技术不能使用的受限制领域的小电流； 5 1 生产制造成本低。 r o g o w s k i 线圈可设计成圆形、方框形、钳形等各种形状。r o g o w s k i 线圈最初的一种结构是在一根截面细小而又均匀的柔软橡皮带上，均匀 密绕线圈。如图2 4 所示，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r o g o w s k i 线圈。 图2 - 4r o g o w s k i 线圈原理图 当线圈绕制非常均匀时，在线圈单位长度d l 上的线匝所交链的磁链 为 d 4 ：姜s b l 硼 ( 2 - 5 ) 式中：n 一线圈总匝数；1 一骨架的周长；s 一线匝的截面积；b i 一 磁感应强度在罗科夫斯基线圈轴线方向的切线分量。 考虑到r o g o w s k i 线圈所形成的大线匝为偶数( 线圈为两层，故大线 匝为2 ) ，其循行途径与图2 _ 4 相反，故大线匝所交链的磁链为0 ，因此 整个罗科夫斯基线圈所交链的磁链为： = 孚s 。叮蜀刃= 孚s 。p 。叮日刃 ( 2 6 ) 根据全电流定律： h d l = i 所以有： ：_ n s f 通过线圈的电磁感应产生的输出电压为： 砸卜警= 一盼瓦d im 等 亿7 ) 9 式中： m = 一导s p o肛。 为自由空间的导磁率。 比例系数m 代表电流路径和检测线圈之间的互感。它对主回路会引 起一种负载效应。因为在绝大多数的情况下，检测线圈的体积与总的磁 场的区域相比是很小的，所以这种效应可以被忽略。 结构一定时m 为常量，由此可知测量线圈所交链的磁链与罗科夫斯 基线圈限定面所穿过的电流成正比。值得注意的是，当制作的罗科夫斯 基线圈满足上述条件时，有如下特性：( 1 ) r o g o w s k i 线圈只与其限定面所 穿过的载流导体存在互感；( 2 ) r o g o w s k i 线圈与穿过其限定面的载流导 体之间的互感为一常量，与该载流导体穿过限定面的位置无关。 因为罗果夫斯基线圈输出端得到的电压信号与电流对时间的导数成 比例，所以为了得到与电流成比例的信号，需要积分。 由r o g o w s k i 线圈的工作原理可知，利用r o g o w s k i 线圈测量电流时， 在测量线圈两端感应产生的电压与电流的关系为 砸m 罢 ( 2 - 8 ) 因此，r o g o w s k i 线圈实际是一微分环节，为了得到原来的电流信 号，必须加一积分环节。依取样电阻r 。的取值选择的不同，r o g o w s k i 线圈有两种可能的工作状态，即自积分工作状态和微分工作状态。 2 3 1 1 自积分工作状态 lr 图2 5r o g o w s k i 线圈测量回路图 如图2 5 所示，图中r o g o w s k i 线圈的测量线圈与取样电阻r 。构成的 测量回路，本身就是一个r l 积分电路。在这种情况下，测量回路电压 方程为： m 罢乱鲁地) ( 2 9 ) 西出 、。“ r 7 9 、 式中，l 、r 分别表示r o g o w s k i 线圈的自感和内阻。当满足条件 l o h w ) 2 ，1 ) l d i 一j z ，兄+ ，d t ( 2 10 ) 回路电压方程可近似写成 ma g 三鱼 因此 2 ：li ( m 罢t ) d t = 了m f 1 ) u l ：r 1 i l ：等硝t l ( 2 - 1 2 ) 即测量回路的电路i l 和取样电阻r a 上的电压u l 与被测电流i 成 正比。为满足式( 2 1 0 ) 要求，取样电阻r a 应选择较小数值，一般为零 点几欧或几欧，且拿要足够大，因此，自积分工作状态适合于测量快 速变化、持续时间较段( 微秒级) 的脉 冲大电流，如应用在高压冲击电流的测量。 2 3 1 2 微分工作状态 若将测量回路本身作为纯电阻网络，为了反映被测电流的大小，必 须另外增加一个积分电路。在这种工作状态下，就测量回路电压方程 式，要求 l d i l 一j z 心+ ，d t 。 ( 2 1 3 ) 这样，式( 2 - 9 ) 可近似表示为 m 罢嘏+ r ) i t ( 2 - 1 4 ) md i 则 疋+ ，d t ( 2 - 1 5 ) 取样电上的电压 u 瑚2 鲁西d i ( 2 - 1 6 )取样电阻r 。上的电压 屯十厂硎 ( 2 1 6 ) 由上式可知，取样电阻上的电压降u l 与被测电流i 存在微分关系， 因此将这种工作状态称为微分工作状态。为满足这一微分关系，取样电 阻r 。应选择较大数值，一般为几百欧到几千欧。微分工作状态适应于测 量变化较缓慢、持续时间较长的脉冲大电流。因此对于电力系统测量和 继电保护的情况，r o g o w s k i 线圈应工作在微分工作状态。 2 3 2 有源光电电压传感器 有源电子式电压传感器多采用电容式分压器，原理图如下： u2 图2 - 6电容式分压器等效电路图 其中，c 为同轴、圆柱形电容器，其大小为 c ：兰坠兰! 垒 i n ( d d ) ( 2 1 7 ) 式中d 、d 一一圆柱体外、内半径；b 一一圆柱体高。 c e 包含电极对地电容和电缆电容，通过并联一个足够小的电阻r 使 得c e 对u 2 的影响可以忽略，那么，输出电压u 2 为 删瑶c 掣a t ( 2 1 8 ) r 1 殳、 由式( 2 18 ) 可以看出，u 2 与u l 的导数成正比。 高压母线 图2 7电容分压式传感器的结构图 图2 7 所示为有源电子式电压传感器的结构示意图。被测高压经电 容分压器分压后，经信号预处理、a d 变换及l e d 电光转换，以数字光 信号的形式送至控制室，控制室的p i n 及信号处理电路对其进行光电转 换及相应的信号处理，便可输出供微机保护的计量用的电信号。 2 3 3 有源光电传感器的特点 与传统电流电压互感器相比，有源电子式传感器具有诸多优点： 1 ) 线性工作范围大，可以同时满足保护和测量的要求。 2 ) 暂态特性好，测量精度高。 3 ) 频率响应范围宽。 4 ) 不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。 5 ) 便于和变电站自动化智能设备连接。实现智能化多功能。 1 2 6 ) 体积小、重量轻，应用电压水平越高时越明显。 7 ) 绝缘性能好，造价低，具有很高可靠性。 但它在应用也存在一些问题： 1 ) 高压区有电子器件，由于电压、电流传感器输出都是弱信号， 要解决电磁干扰问题。 2 ) 需要为高压区的电子电路提供安全、可靠的的供电电源。 3 ) 用于计量时，其测量精度不比电磁式互感器高。 2 4 合并单元模块部分 2 4 1 合并单元的功能 合并单元是电子式传感器与间隔层二次设备接口的重要组成部分。 合并单元功能模型如图2 8 所示，包含：多路数据采集、处理功能模块 和串口发送功能模块和同步功能模块。 接收多路 的电流、 格式自定 图2 8合并单元功能模型 1 ) 多路数据采集和处理功能模块 合并单元与电子式互感器进行接口的主要功能。在合并单元给多路 a d 发送同步转换信号后，将同时接收1 2 路通道的输出数据并对其有效 性进行校验。此外，合并单元还需对这些数据进行正确排序并输出给串 口发送功能模块。 2 1 串口发送功能模块 将各路采样值数据进行组帧并发送给保护和测控设备。此功能体现 了i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c 6 18 5 0 9 1 中合并单元功能实现的主要区别。前者 是基于f t 3 格式进行曼彻斯特编码发送，由于传输速率较慢( 编码前为 2 5 m b p s ) ，限制了采样率，不适用于对采样率要求较高的计量和差动保 护等。后者是基于i e e e 8 8 0 2 2 和i s o i e c 8 8 0 2 3 ，即通过以太网进行发 送，速度可达1 0 0 m 甚至更高，相对于i e c 6 0 0 4 4 7 8 ，其应用更为广 泛。 3 ) 同步功能模块 在正确识别外部输入的同步秒脉冲时钟信号( 一般来自于g p s 接收 机的输出) 后，合并单元给各路a d 转换器发送同步转换信号。同步转 换信号的频率应符合二次保护测控设备的采样率要求，例如对于距离保 护，一般要求一次电流电压需每周波2 4 点采样，即采样率为1 2 0 0 点每 秒，故同步转换信号的频率是1 2 0 0 h z ，其帧格式及传输速率可自定 义。 2 4 2 合并单元接口 合并单元的接口可以分为两种：1 与电子式电流、电压传感器的接 口；2 与保护、测量等设备的接口。第一种接口为专用连接，在规约里 没有进行统一规定，因为合并单元可能是一个独立的器件，也可能是电 子式传感器的一个组成部分，故各厂商可以自定义。对第二种接口，必 须严格遵循标准定义。 合并单元与e c t e v t 的数字输出接口通信具有以下几个重要特点： 1 1 同时处理任务多 合并单元需同时接收各自独立的多路数据，并对各路数据在传输过 程中是否发生错误进行检验，以防止提供错误数据给保护和测控设备。 2 ) 高靠性和强实时性 合并单元所接收的电流、电压信息是保护动作判据需要的信息，接 口通信处理时间的快慢将直接影响到保护的动作时间。此数据通信位于 开关附近，故对其抗干扰性要求很高，需保证数据安全可靠的传输给保 护等设备。 3 ) 通讯信息流量大 合并单元需要采集三相电流、电压信息，电流信息又分保护和测量 两种，这些信息均是周期性( 非突发性) 的，接口通信流量较大。在对 采样率要求较高的线路差动保护和计量等应用中，通信流量会更大。 4 ) 通讯速度较高 由于接口的通信环境恶劣，故合并单元与各路数据通道一般采用光 纤通信，选择串行通信的方式更为合理，这就对通信速度提出了较高的 要求。 对于合并单元与间隔层保护、测量设备的接口，应遵循 i e c 6 18 5 0 9 1 中的规范。通过以太网进行发送，速度可达10 0 m 甚至更 1 4 高，所以其采样速率可以很高，能够满足计量的要求。 由于合并单元供给的设备种类较多，比如保护、测量和计量，而且 这些设备对采样率要求不一致，如考虑到精度问题，计量一般要求采样 率高达数千点每秒，而简单的过电流保护则只需几百点每秒。从设计的 角度来看，合并单元应按满足最大要求进行采样，对采样值的重采样可 以交给后面相应的二次设备完成，合并单元需要给二次设备提供采样率 和采样计数等有用信息。 2 4 3 合并单元的同步 实际使用中许多保护和测量算法都要求各路模拟量的采样值是同一 时刻的。在电子式传感器的应用中，同一过程层通讯装置上通过光纤连 接有不同的数据采集板，实现这些数据采集板之间的采样同步有两种可 行的方法。 1 ) 在过程层通讯装置中采用线性插值法对各路模拟信号的采样值 进行同步处理。 2 )由过程层通讯装置向各路数据采集板发送同步采样命令。 下面分别介绍这两种同步法。 2 4 3 1 用线性插值法进行采样值同步处理 以两路模拟信号为例，用线性插值法对各路模拟信号的采样值进行 同步处理的原理如图2 - 9 所示。该方法不需要额外的硬件，只需对各路 采样值进行一定的软件算法就可以达到同步的目的。 f 1 i 欠 、 t s 模拟信号2 模拟信号1 采样点 图2 - 9 用线性插值法进行采样值同步处理原理图 上图中两路模拟信号以相同的采样率自由采样，采样值同步算法即 是以模拟信号2 的采样时刻为基准点，将模拟信号l 的采样值经过线性 插值计算换算到基准点的时刻上来。模拟信号1 的第i 个采样值记为v ( i ) ，该采样时刻与基准采样时刻相差t ，第i + 1 个采样值记为v ( i + 1 ) ， 那么经过线性插值法计算之后，模拟信号1 的第i 个采样值为： y ( f ) = ( y ( f ) 一y ( f + 1 ) ) 木( e 一j t ) l t s 式中，ts 是采样周期。 t 是一个未知量，获取方法如下：假设模拟信号1 和模拟信号2 的采样电路完全一样，而且它们的数据传输路径延时差异忽略不计。那 么它们从采样转换开始到过程层通讯装置接收到该点采样值所花的时间 是等长的，两者采样点时刻的不同反映到过程层通讯装置中就是接收到 两路采样数据的时刻不同。在过程层通讯装置中的f p g a 接收到第一路 模拟信号的采样值时，开始用本地晶振驱动计数器计数，收到第二路模 拟信号的采样值时停止计数，通过计数器中的值就可以算出来t 的数 值。用线性插值法对采样值进行同步处理，不需要额外的硬件开销，但 是要求采样点应该尽量密，这样才能将两个采样点之间的曲线近似作为 直线处理，而不致引入太大的误差。也就是说采用该算法对数据采集板 的采样速率提出了较高的要求，这也是我们在设计中采用f p g a 和高速 a d c 以求取得高采样率的原因。 2 4 3 2 用同步采样命令保证各路模拟量的同步采样 除了用线性插值法对各路采样值进行同步处理外，还可以直接用同 步采样命令去控制各路模拟量的采样。每一块数据采集板与过程层通讯 装置之间都有两条光纤通道，一条用来向过程层通讯装置传输数据，另 一条用来向数据采集板传输同步采样命令。为了保证同步采样的可靠执 行，设计中采用了一个脉冲序列作为同步采样命令，而不是一个单独的 脉冲。各数据采集板正确收到该脉冲序列后才向各自的a d c 发出采样命 令，避免了可能出现的干扰脉冲对同步采样的破坏。这种方法需要为每 一块数据采集板增加一条传输同步采样序列的光纤通道，增加了硬件开 销，但可以使同步做得较精确。 2 5 智能电子设备 智能电子设备应具有较高性能的开关设备和控制设备，配有电子设 备、传感器和执行器，不仅具有开关设备的基本功能，还具有附加功 能，尤其是在检测和诊断方面。智能开关应具备以下功能： 1 )在线监测功能 智能化一次开关具有在线监视功能，对设备内部的电、磁、温度、 开关机械、机构动作进行监测，通过分析这些检测数据，判断设备的运 行状况及趋势，安排检修及维护时间。实现设备的“状态检修 ，代替 传统的定期检查和预防性试验，这样既减少了设备检修的几率和时间， 减少了运行成本，也减少了人为因素造成的设备损坏。 2 )智能控制功能 智能化开关具有智能控制功能，根据检测到的开关开断一瞬间前的 各种工作状态信息，自动选择和调整操作机构，以及与灭弧室状态的预 1 6 定工作条件，以改变现有断路器的单一分闸特性。实现定相位合闸，降 低合闸操作中的过电压。实现定相位分闸，控制实际燃弧时间，是断路 器的起弧时间控制在燃弧的最佳相位角，不受系统燃弧时差要求的限 制，从而提高断路器的实际开断能力。 3 )数字化接口 智能开关设备具有数字化接口，可以通过网络接入变电站自动化系 统，其位置、s f 6 气体密度、储能等状态信息甚至跳合闸命令都可以通 过通信网络进行传递。 考虑l e d 本身的功能，以及可扩展性和可靠性的要求，l e d 硬件设 计采用可组态的模块化设计方法，按功能划分各个模块，主要包括模拟 量输入输出模块，开关量输入输出模块，人机接口模块( m m i ) ，通信 模块( c o m ) 和主控模块( c p u ) ，如图2 10 所示。 l 电源 l 开关量i o m micpu c 口mf 模拟量i o 图2 10 基于模块化设计思想的l e d 硬件结构 模块和模块之间的数据通信通过内部高速总线实现。由于各模块都 具有一定的智能化处理能力，可以对信号的输入输出进行一定的预处 理，减轻主控模块的负担，使其专注于数据处理、故障判断和任务调 度。同时，采用这种模块化的设计方法，使得l e d 具有可扩展性，可以 根据客户的要求添加相应模块，为l e d 的高可靠性提供了可能。而且这 种模块化的设计方法随技术的