（电力系统及其自动化专业论文）数字化保护动模测试系统研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 关键词：i e c6 1 8 5 0 ；数字化变电站：数字化保护装置；保护测试：动态模拟系统 i i 山东大学硕士学位论丈 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fi e c618 5 0a n dt h ep o p u l a r i t yo fe l e c t r o n i ct r a n s d u c e r s ， i n t e l l i g e n tb r e a k e r sa n do t h e ri e d s ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ) ，t h es u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mi s g o i n gt od i g i t a ls t a g e s t h e s en e wt e c h n o l o g yh a sb r o u g h t s i g n i f i c a n tr e f o r mt os u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，a n da l s on e wc h a l l e n g e r st or e l a y d e v i c e st e s t i n g t h ep r o t e c t i o ne q u i p m e n t sb a s e do ni e c618 5 0 ( t h i sp a p e rc a l l e d d i g i t a lp r o t e c t i o n ) g e td i g i t a l s i g i n a lo fc u r r e n t sa n dv o l t a g e sd i r e c t l yf r o me l e c t r o n i c t r a n s d u c e r sa n di s s u e d i g i t a lt r i p p i n gs i g n a l t oi n t e l l i g e n tb r e a k e r s s u c hd i g i t a l p r o t e c t i o nr e l a y sa r ed i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lm i c r - c o m p u t e rb a s e dr e l a y si nb o t h h a r d w a r ea n ds i g n a lp r o c e s s i n g t h et r a d i t i o n a lr e l a yt e s t i n gm e t h o d sa r en oe v e r a d a p t a b l et os u c hn e wt y p eo fr e l a y s s oi th a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n db i g a p p l i e dv a l u et o r e s e a r c hd i g t a lp r o t e c t i o nt e s t i n gm e t h o d sa n df o r m u l a t et e s t i n g s t a n d a r d s t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ea p p l i e dt e c h n o l o g yo fd i g i t a ls u b s t a t i o n ，i n c l u d et h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o np r o b l e m so fe l e c t r o n i ct r a n s d u c e r , m e r g i n gu n i t ， i n t e l l i g e n tb r e a k e r , t h ec o n t e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i co fi e c6 18 5 0 ，t h en e t w o r ks t r u c t u r e a n dd a t af o r m a to fd i g i t a ls u b s t a t i o n ，t h eo p e r m i o np r i n c i p l ea n di n t e r f a c et e c h n o l o g yo f d i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e s a n di ta l s od i s c u s s e dt h er e q u i r e m e n t sf o rt e s t i n gd i g i t a l p r o t e c t i o na n dt h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nt r a d i t i o n a l p r o t e c t i o nt e s t i n g a n dd i g i t a l p r o t e c t i o nt e s t i n g b a s e do nt h ea b o v ec o n t e n t s ，t h ep a p e rp r o p o s e da ni d e af o rh o wt oe s t a b l i s ha s u i t a b l et e s t i n gs y s t e mb yu p g r a d i n gc o n v e n t i o n a lp o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l m i o n s y s t e m t h em a i ni d e ai sp a r a l l e la d d i n ge l e c t r o n i ct r a n s d u c e r sa n dm e r g i n gu n i t sw i t h e x i t i n gt r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct r a n s d u c e r s a n dt h ef o r m a t t e dd a t a sa r es e n tt ot h e d i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e sw h i c ha let e s t e d m e a n w h i l e ，t h ed i g i t a lp r o t e c t i o n st r i p p i n g a n dc l o s i n gg o o s em e s s a g e sa r es u p p l i e dt oi n t e l l i g e n tc i r c u i tb e a k e rc o n t r o l l e r s ， d i g i t a lf a u l tr e c o r d e ra n do t h e ri e d sv i af i b e re t h e r n e t s ot h et e s t i n gs y s t e mc a n p e r f o r mc o m p l e t e dt e s tf o rd i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e t h e n ，t h ep a p e ra n a l y s i s e dt h er e q u i r e m e n t sa n dm e t h o d sf o ri e d si n t e r o p e r a b i l i t y 山东大学硕士学位论文 t e s t i n g ，a n dd i s c u s s e dt h et e s t i n ga r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lp r o t e c t i o nw h i c hw a sd i v i d e d i n t ou n i v e r s a lt e s t i n ga n df u n c t i o na n dp e r f o r m a n c et e s t i n g w i t hr e f e r r i n gt ot h ep r e s e n t p r o t e c t i o nt e s t i n gm e t h o d ，t h et h e s i sf o r m u l a t e dt h ed e t a i l e dt e s t i n gs c h e m ef o rd i g t i a l t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ，t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n ，a n db u s - b a rp r o t e c t i o n a tl a s t ，w i t ht h eh e l po ft h en e wd e v e l o p e dd i g t i a lp r o t e c t i o nt e s t i n gp l a t f o r m ，w e c o m p l e t e dt h et e s to fap r a c t i c a ld i g t i a lt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nu s i n gt h ef o r m u l a t e d t e s t i n gs c h e m e t h ep r e l i m e n t a r yt e s tr e s u l t sh a ss h o w e dt h a tt h en e wt e s t i n gp l a n t f o r m i sa b l et o p r o v i dr e q u i r e ds e c o n d a r yi n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt e s t i n ge n v i r o n m e n t ， w h i l et h ep r o p o s e dt e s t i n gs c h e m ec a nb eu s e dt oe v a l u a t et h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e o ft h ei e c618 5 0b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c e s k e yw o r d s ：i e c6 18 5 0 ，d i g i t a l s u b s t a t i o n ，d i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e ，r e l a yt e s t i n g ， d y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：刍钽l日 期：塑里2 ：生：塑 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墨纽导师签名：燃日期：丝z 笙：兰翌 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 变电站作为电力系统中不可缺少的环节，既是电压与无功的“调节控制中心”， 又是电力系统重要的“信息源”和“信息中继站”。2 0 世纪9 0 年代以来，随着电 子技术、信息技术、网络通信技术的发展，以微处理器为核心的智能化自动装置 在电网控制领域得到了广泛的应用，促进了变电站综合自动化技术的快速发展1 1 ，2 1 。 变电站自动化设备在保障电网安全、经济运行的同时，也存在自动化功能独 立、缺少协同操作、信息数据利用率低等问题，这大多是由于各制造商使用的网 络和通信协议互不兼容造成的。针对这一状况，i e ct c 5 7 工作组制订了变电站通 信网络与系统的国际标准i e c6 1 8 5 0 ，为变电站的数字化改造提供了全面的规 范；此外，变电站中的传统互感器由于存在铁磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、 绝缘结构复杂及安装维护不方便等缺点，已不能适应电力系统发展的要求，而传 统的丌关设备也无法配合变电站的数字化进程。电子式互感器、智能断路器等智 能化一次设备的出现则为数字化变电站技术的推广提供了物理基础【3 4 】。 1 2 课题的背景和意义 物理模拟是研究电力系统运行特点的重要技术手段，在电力系统分析和研究 领域得到了广泛的应用。目前，电力系统动态模拟( 简称“动模”) 是应用最为广 泛的物理模拟方法，它可以模拟各种扰动和特殊运行状态，特别是能够模拟不同 故障状态，进而实现对继电保护及自动装置的动作性能考察。基于相似理论，动 模系统中采用“模拟发电机 、“模拟变压器”、“模拟输配电线路”、“模拟负荷”、 “模拟开关设备”和“模拟互感器”等来模拟实际系统中的相应设备，并采用与 实际电力系统类似的接线形式来模拟实际系统的运行方式。在动模系统中，“模拟 互感器能输出与实际系统中的互感器相致的电气信息量，即从互感器的二次 侧来看，动模系统与实际电力系统之间不存在差异，这也是应用模拟系统对各种 二次设备进行测试的前提和基础p j 。 近年来，电子式互感器已经在电力系统中获得应用，并表现出良好的性能， 它将实时采集的电网电气量信息，以数字量的形式直接发送给保护、测控等二次 山东大学硕士学位论文 设备；智能断路器则可以直接接收二次设备的控制命令，并实时上送断路器的位 置状态信息。同时，i e c6 1 8 5 0 标准明确规定了变电站信息采集、处理、传输及应 用的框架，使不同设备厂商的产品“互操作”成为可能。这一系列技术的推广给 变电站内二次设备的信息应用模式带来巨大地变化，继电保护等二次设备由于不 再需要模拟量接口和转换模块( 即传统的数据采集系统) ，硬件结构得到大大简化； 同时符合i e c6 1 8 5 0 标准的二次设备可以直接获取并使用电子式互感器发送的系 统运行信息，通过对实时电流、电压信息的计算、比较和判断，即可完成相应的 保护和测控功能，装置的可靠性和实时性得到提高。由于这些数字化保护$ 和二次 设备采用了最新的i e c6 1 8 5 0 标准，符合变电站数字化的要求，并且充分利用了通 信、电子等领域的最新技术，因而有着十分巨大的应用空间【6 8 】。 通过上述分析，这种与电子式互感器配套的新型数字化继电保护和其它二次 设备在硬件结构、信息获取方式、功能实现原理等方面，同传统的变电站二次设 备存在巨大差异。如何对其进行检验、测试和验收是尚待解决的问题，国内外也 没有相关的标准和规定。 本课题根据电力系统研究及新型数字化二次设备检测的要求，按照最新的国 际标准i e c6 1 8 5 0 和i e c6 0 0 4 4 ，开展了基于电子式互感器的电力系统物理模拟方 法研究。考虑到传统的动模试验方法是基于模拟量的平台，无法直接对数字化二 次设备进行测试，本文提出在传统动态模拟实验室一次系统的基础上，通过升级 改造，开发能够对新型继电保护装置和其它二次设备进行测试的系统；同时结合 数字化保护装置的特征，参照现有继电保护的测试方案制订出相关的测试标准和 试验方案。这对于推广新型数字化保护及测控设备、推进数字化变电站的进程有 着十分重要的现实意义。 1 3 课题的研究现状 动模实验系统在我国应用广泛，许多高校和科研机构都建立了较为完善的动 模实验室，并积累了丰富的经验。而静态模拟实验系统除了不包含发电机、电动 机等旋转元件外，其它部分与动模系统类似，也有一定的应用。目前有关基于电 子式互感器的动模系统或静模系统的报道较少，仅四川电力试验研究院系统技术 注：为了简化名称，本文将符合i e c6 1 8 5 0 标准的保护装置和其它设备称为“数化保护”和“数字化设 备”：基于传统微型机原理的保护装置称为“传统保护”。后文中将不再进行说明。 2 山东大学硕士学位论丈 ! ! 暑! 詈詈暑皇! 詈皇詈= = ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! 詈! = = = = = ! = = = ! 皇! 暑! 鼍皂h i 皇! 暑! ! ! ! ! 詈! ! ! = ! ! ! ! = = ! 皇詈! 竺! = ! ! 詈! ! = = = ( 电网规划) 中心动模实验室于2 0 0 9 年开展过基于动模条件下的数字化变电站线 路保护装置试验。具体试验内容包括两大方面：一是数字化变电站保护装置性能 试验，二是动模环境中系统通信对装置影响试验f 9 】。 对于电子式互感器的研究，国外早在2 0 世纪6 0 年代就已经开始。但由于精 度低、温度特性差，没有挂网运行，基本上只处于理论探索阶段。8 0 年代初期， 对电子式互感器的研究取得重大进展，研制出了多种样机并开始挂网运行。到了 9 0 年代，电子式互感器开始进入实用化阶段，具有代表性的为a b b 公司、 n x t p h a s e 公司、a r e v a 公司、s i e m e n s 公司研发的相关产品1 1 0 】。 国内对数字式互感器的研究始于7 0 年代，许多高校、科研院所和电气装备制 造商都投入人力、物力进行研究，先后有多种样机研制出来，并于1 9 9 3 年开始进 行挂网运行。与此同时，相应的合并单元也被丌发出来，配合电子式互感器应用 在实际工程现场。目前从事电子式互感器、合并单元生产的厂家主要有南京新宁、 西安同维、南瑞继保、珠海成瑞、广9 、l l 伟钰等，它们的产品在1 1 0 k v 5 0 0 k v 电压 等级的电网上均有挂网运行，并取得了较长时间的现场运行数据 1 1 , 1 2 】。 除了电子式互感器、合并单元外，智能断路器也是数字化变电站的重要元件。 目前，智能断路器操作技术的智能化还处于研究、试验阶段，实际工程应用的条 件并不成熟。作为技术的补充，断路器智能开关单元可以在一次设备处就地安装， 通过光纤与二次设备相连接，实现传统断路器设备的智能化过渡。该种代理技术 在现阶段得到了相应的发展和应用。 近几年来，国内外涉及到电子式互感器和i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统 已有了相当数量的工程应用。这些示范工程涵盖了中低压系统和高压系统，取得 了许多实际建设、维护、运行经验，为今后适时制定和调整数字化变电站技术的 工程化策略奠定了基础。这里面比较典型的工程有【1 , 1 3 - 1 5 】： 2 0 0 5 年初，山东阳谷建成了全部使用电子式互感器的1 1 0 k v 变电站。该 站全部使用国产化的设备，其中过程层到间隔层采用光纤通信，遵循i e c6 1 8 5 0 标准：间隔层到站控层采用i e c6 0 8 7 0 5 10 3 规约。 2 0 0 6 年1 2 月，内蒙古乌兰察布市建成全国第一座2 2 0 k v 数字化变电站。 该站过程层采用电子式互感器和智能终端设备，其通过光纤以太网与间隔层设备 的数字接口通信；间隔层与变电站层也通过以太网通信，并遵循i e c6 1 8 5 0 标准。 为了保证通信的可靠性，通信网络均双重化配置。 山东大学硕士学位论文 2 0 0 7 年，南方电网超高压公司的5 0 0 k v 桂林变电站自动化系统通过了基 于i e c6 1 8 5 0 标准的各项检测，这是国内首座在间隔层、变电站层全面采用i e c 6 1 8 5 0 标准通信的5 0 0 k v 变电站。 瑞士电力公司e g l ( e l e k t r i z i t a t s - g e s s l l s c h a f tl a u f e n b u r g ) 的l a u f e n b u r g 变 电站是欧洲互联网络的重要节点之一，1 9 6 7 年建成后连接着法国、德国和瑞士三 国的电网。目前，其数字化改造方案为基于逐条线路的安装和调试，一次设备采 用高度集成的g i s 断路器，二次设备采用支持i e c6 1 8 5 0 标准的冗余保护和控制 设备。该工程的实施实现了技术的平稳过渡，降低了变电站生命周期成本。 法国e d f 电力公司的v i e l m o u l i n4 0 0 k v 变电站采用了基于f a r a d a y 效应的 电子式互感器，并按照光纤点对点的方式与a r e v a 的保护连接。通过三年的试验 记录，表明该连接方式是可行的，值得推荐。 以上的资料表明，电子式互感器技术已经比较成熟，达到了现场应用的要求， 并且有多种型号的产品以供选择。目前，国内外已经有许多采用电子式互感器和 i e c6 1 8 5 0 标准的变电站工程，这些新技术的应用给变电站的设计、调试以及后期 维护提出了新的要求。而继电保护作为变电站自动化系统中最为重要的二次设备， 起着保障电网安全运行的责任，其入网之前的试验和测试工作便显得十分关键。 在现有技术条件下，绝大多数测试是借助保护测试仪进行，难以全面地考察装置 的性能。因此，研究和开发针对数字化保护装置的动态模拟测试平台以及测试方 案，并对数字化保护装置的功能、性能进行全面地评估，有着十分重要的应用价 值和现实意义【l6 1 。 1 4 论文的主要工作和章节安排 本论文在研究电子式互感器、i e c618 5 0 标准以及数字化变电站应用技术的基 础上，开发了基于电子式互感器的数字化保护动模测试系统，编写了数字化保护 的测试方案，并借助该系统完成了对实际数字化变压器保护产品的测试。 具体包括以下几部分内容： 理解了i e c6 1 8 5 0 标准的内涵和特点，掌握了电子式互感器、合并单元、 智能断路器等装置的实现原理，分析了数字化变电站的工作原理和组网方式； 分析了数字化保护的工作原理和结构特点，介绍了在原有动态模拟实验室 的基础上进行升级改造的方案，开发出了能对数字化保护装置进行测试的新型动 模测试系统； 4 山东大学硕士学位论文 讨论了变电站自动化系统的互操作内容，编写了针对数字化变压器保护、 线路保护和母线保护的动模测试具体方案，分析了保护的动作时问问题； 通过对具体数字化变压器保护装置的动模试验，验证所开发的测试系统能 否完成数字化保护的测试工作，以及是否达到预期目的。 山东大学硕士学位论丈 第二章数字化变电站技术介绍 2 1 变电站自动化技术 所谓变电站综合自动化是指，将变电站内原本分离的二次设备经过功能组合 和优化设计，集成为少量的智能电子设备，实现对站内主要设备和输配电线路的 自动监视、测量、自动控制、继电保护以及与调度通信等综合性的自动化功能。 国际电工委员会( i e c ) 对变电站自动化系统的定义为：变电站自动化系统就是在 变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化，变电站自动化系统的功能是指变 电站必须完成的任务【1 ，17 1 。 变电站自动化系统需完成的功能有6 3 种，归纳起来可分为7 个功能组，即： 控制、监视功能；自动控制功能；测量表计功能；继电保护功能；与继电保护有 关的功能；接口功能：系统功能。 目前国内外变电站自动化系统大体可分为三种结构：集中式、分散式、集中 和分散结合式。其中，集中式结构是将设备按不同功能归类划分成若干个独立系 统，各系统分别采用集中装置来实现自身的功能；分散式结构是将变电站信息的 采集和控制分为站控层和间隔层两个级分层布置，采用多c p u 并行处理多发事件； 集中与分散结合式结构则介于集中式与分散式两种结构之间，它集成了分散式结 构的优点，简化了变电站二次部分的配置，是当前主流的结构方式。 2 2 数字化变电站智能一次设备 2 2 1 电子式互感器 1 电子式互感器的实现原理【1 8 之o 】 电子式互感器( e l e c t r o n i ct r a n s d u c e r ) 是由连接到传输系统和二次转换器的一 个或多个电流或电压传感器组成，用于传输正比于被测量的量，提供给测量仪器 仪表、保护和控制装置。电子式互感器根据高压侧是否需要供电，可以分为无源 型和有源型两种。前者利用光学原理传感头对电流、电压进行测量；后者则是在 传感头部分用r o g o w s k i 线圈或低功率的电磁感应式c t 获取被测电流信息，用分 压器获取被测电压，并利用现代电子技术进行信号处理。 ( 1 ) 无源型电子式互感器 6 山东大学硕士学位论文 无源型电子式互感器的高压侧采用光学传感头，且高压侧与低压侧之间没有 电气连接，因此在绝缘问题上有很大的优势。根据传感原理，无源型电子式互感 器又可以分为两类： 利用电场或磁场的间接光效应调制 电流测量采用磁致伸缩效应、电压测量采用压电效应来改变晶体的物理尺寸 或形状。晶体物理尺寸或形状的改变被传感头感应后，变换为信号经光纤传输到 低压侧。 采用电场或磁场的直接光效应调制 电流测量采用f a r a d a y 磁光效应，即线偏振光的偏振方向在磁场中发生旋转的 效应；电压测量采用p o c k e l s 电光效应或k e r r 电光效应，即晶体的折射率在电场 的作用下发生变化的效应。 对于无源型电子式电流互感器而言，基于磁伸缩效应原理的电流互感器由于 种种原因，工业化应用进展缓慢。而利用f a r a d a y 效应的电流测量方法较为直接， 且装置简单、精度高，是最有发展潜力的无源型电子式电流互感器；在无源型电 子式电压互感器方面，不论是采用电光晶体还是压电晶体作电压传感头，其原理 都是根据晶体在j b ；h h 电场作用下产生的电极化效应来实现电压的测量，因而工作 性能不够稳定。 ( 2 ) 有源型电子式互感器 有源型电子式互感器的工作原理是：一次侧的采样传感器对电流信号进行取 样，并利用有源器件调制技术，把电信息转换成为光信号：然后以光纤作为传输 通道，把转换后的光信号传送到低压侧进行信号处理，还原后得到被测信号。在 上述过程中，处于高电位的一次侧电子电路需要电源供电才能正常工作，这个电 源要求非常可靠，般采用以下几种方式获取： g i s 中用导线直接供电； 由高压母线电流的电磁感应或高电压的电场感应获得电源； 在低压侧将电能转化为光能，然后利用光纤将能量传送至高压侧； 在高压侧采用电池解决电源等。 近年来，基于r o g o w s k i 线圈的有源型电子式电流互感器因其功率输出低、结 构简单、线性度良好，在电力系统中得到越来越广泛地应用；电子式电压互感器 则多采用精密电容分压器作为取样元件，在气体绝缘的母线外围布置电极，构成 山东大学硕士学位论文 柱状同轴电容器。将其作为分压器的高压臂，可以得到足够的测量精度。 ( 3 ) 两类互感器的比较 有源型电子式互感器利用光纤系统提供电气量信息，具有绝缘性高、抗电磁 干扰强等优点，显著降低了互感器的制造成本，减少了体积和重量，充分发挥了 被电力工业界广泛接受的常规测量装置的优势；同时避免了无源型电子式互感器 传感头光路复杂，以及受温度、外界振动影响较大的技术难点。因此在实用化道 路上走在了无源型电子式互感器的前面。 2 电子式互感器的测量原理【2 l ，2 2 】 ( 1 ) 采用r o g o w s k i 线圈的电子式电流互感器测量原理 有源型电子式电流互感器采用r o g o w s k i 线圈感应被测电流。如图2 1 所示， r o g o w s k i 线圈套在一次导电杆上，由r o g o w s k i 线圈输出的信号u ( t ) 是导电杆中 电流f ( f ) 的导数值，即有： “：md i ( t ) ，m ：鱼竺 1。dt2 死r 式中m 是仅取决于线圈尺寸的比例系数，觞为真空磁导率，以为线圈匝数，s 为每匝线圈的横截面积，是线圈中心与导电杆中心之间的距离。 由于r o g o w s k i 线圈的输出电压u ( t ) 与被测电流f ( f ) 对时间的导数成正比，将 甜( f ) 积分便可求得被测电流f ( f ) ，然后将结果进行数字化后通过光纤输出。 图2 - 1 r o g o w s k i 线圈 图2 - 2 阻容串联分压器及其电路 ( 2 ) 阻容串联分压型的电子式电压互感器测量原理 有源型电子式电压互感器进行电压测量时，首先将被测高电压分压，得到一 个与该电压存在数学关系的小电压信号，然后将其数字化后通过光纤输出。目前 8 山东大学硕士学位论文 常见的分压方式有：电容分压、电阻分压和阻容串联分压三种。对于电容分压器 或电阻分压器，其分压得到的小电压与被测高电压呈比例关系，小电压直接数字 化后输出即可；对于阻容串联分压器，其在电阻上得到的小电压是被测电压的微 分量，要想得到被测电压值必须对小信号进行积分。当前，阻容串联分压使用相 对较多，如图2 2 所示，该种电路中的电容是一个套在一次导电杆上的电容环，并 用一个电阻与此电容环串接且接地，则电阻上输出的电压为： “( ，) ：r cd u i ( t ) d f 式中u ( f ) 是一次导电杆的高电压，r 是串接的电阻值，c 是电容环的电容值， “( f ) 是电压传感器的输出电压，它也是原边电压的导数值。利用与电流传感器类 似的信号处理方法便可求得该被测电压。 3 电子式互感器的整体结构【2 3 _ 2 4 】 i e c6 0 0 4 4 7 8 所规定的电子式互感器通用结构如图2 3 所示。根据电子式互 感器各部分功能的不同，可以将互感器分为传感头、数据采集系统、光纤传输及 接口、电源功能装置、合并单元。其中数据采集系统、光纤传输系统、合并单元 共同完成电子式互感器的数字接口功能，负责接收、传输、处理各种信号。 s x ：二次输出 i 二盗型! ! 塑i 图2 - 3 单相电子式互感器结构框图 4 电子式互感器的输出要求2 5 , 2 6 】 电子式互感器对数字输出作了相关的要求，包括数字输出的额定标准值和所 采用的通信技术。其中，测量用电子式互感器的数字输出额定标准值为1 6 进制 2 d 4 1h ( 1 0 进制为11 5 8 5 ) ，保护用电子式互感器则为1 6 进制0 1 c fh ( 1 0 进制 4 6 3 ) 。前者可测电流电压达到额定一次值的两倍而不会过载，后者可测电流电压 达到额定一次值的4 0 倍( 0 偏移) 或2 0 倍( 1 0 0 偏移) 而不会过载。 2 2 2 合并单元 9 山东大学硕士学位论文 合并单元( m u ，m e r g i n gu n i t ) 是针对数字化输出的电子式互感器而设计的， 也是数字化输出接口的重要组成部分，i e c6 0 0 4 4 8 和i e c6 18 5 0 9 中均对其进行 了规范。它的主要任务是同步采集互感器输出的三相电流和电压数字信息( 包括3 路测量电流，3 路保护电流，1 路中性点电流，3 路测量保护电压，l 路母线电压， 1 路中性点电压) ，经过组帧处理后，按照一定的格式通过光纤或铜线输送给二次 保护和控制设备。目前，合并单元与二次侧的保护、测量设备之间大多遵循i e c 6 1 8 5 0 9 1 标准的规定，采用光纤以太网进行通信阶2 8 1 。 合并单元可以完成三方面的功能：同步功能、多路数据采集和处理功能、串 口发送功能，按照其功能划分的模型如图2 4 所示。下面简要介绍下这三个功能模 块【2 9 , 3 0 】。 给彩路a d 发 送 图2 - 4 合并单兀功能模型 ( 1 ) 同步功能模块 由于是基于数字量的通信，当保护装置需要多个合并单元提供的电流、电压 信息时，必须解决合并单元之间的同步问题。但内部晶振时钟提供的时钟信号并 不十分精确，经过多个周期的累积，可能会造成相位误差和幅值误差的逐渐扩大。 为解决这一问题，同步功能模块可以利用同步时钟源对其内部时钟进行校f 控制， 即每秒钟对数据采集处理模块进行一次同步对齐，从而保证变电站二次设备需要 的各采样数据是在同一个时间点上获取的。 ( 2 ) 多路数据采集和处理功能模块 这是与电子式互感器进行接口的主要功能模块。在合并单元给多路a d 转换 器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。 1 0 山东大学硕士学位论文 ih i ( 3 ) 串口发送功能模块 该模块将各路采样值数据进行组帧并发送给保护、测量设备。此功能体现了 i e c6 0 0 4 4 7 8 和i e c6 1 8 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 格式的曼彻斯特编码发送，传输速率为2 5 m b p s 。由于传输速率比较慢，限制了采 样率，不适用于对采样率要求较高的计量、差动保护等装置；后者是基于i e e e 8 8 0 2 2 和i s o i e c8 8 0 2 3 标准，即采用以太网的方式进行发送，速度可达1 0 0 m b p s 甚至更高，目f j 该方式被广泛采用。 2 2 3 智能断路器装置 智能断路器装置是指：具有较高性能的断路器和控制设备，配有电子设备、 传感器和执行器，不仅具有断路器的基本功能，还具有附加功能，尤其在监测和 诊断方面。在数字化变电站中，断路器的跳闸方式发生了根本性的变化，但鉴于 断路器跳合闸回路的重要性，诸多断路器制造商在该产品的研发上极其慎重，进 而迟迟不能进入实用化阶段。 为了配合数字化变电站技术的推广，厂家开发了智能断路器装置的过渡产品 智能开关单元。该单元作为一次设备的代理装置，就地安装在断路器设备处。 智能开关单元与一次设备之间采用硬接线连接，与二次设备通过光纤相连。智能 开关单元与间隔层保护、测控装置之间通过面向通用对象的变电站事件( g o o s e ) 实时传送信号量。间隔层保护装置以及测控装置的跳合闸命令，按不同的g o o s e 优先级传送到智能开关单元，由智能开关单元通过硬接线输出到一次设备，达到 取消屏间硬接线的目的【3 i 】。 2 2 4 工程应用中的问题 考虑到抗干扰因素，电子式互感器采集的一次电气量信号必须就地数字化并 通过光纤传输。在数字接口设计中，链路层可采用i e c6 1 8 5 0 9 1 描述的以太网接 入方式。具体实现时，借助同步脉冲得到连续的一次电流和电压采样信号，按照 i s o i e c8 8 0 2 3 规定的帧格式进行封装，从而实现数据传输。下面着重讨论电子式 互感器应用的接口问题。 1 电子式互感器与合并单元的接1 5 1 特点【3 2 l 合并单元与数字化输出的电子式互感器接口时通常采用专用连接( p r o p r i e t a r y l i n k ) ，接口通信具有以下几个重要特点： 同时处理任务多 山东大学硕士学位论文 合并单元需要同时接收各自独立的采样值数据，并对各路数据在传输过程中 是否发生畸变进行检验，以防止提供错误数据给保护、测控设备。 强实时性和高可靠性 合并单元所接收的电流、电压信息是保护动作的依据，接口通信处理时间的 快慢将直接影响到保护的动作时间。同时，该数据通信对抗干扰性要求也很高， 应保证数据安全可靠地输送给二次设备。 通信流量较大 合并单元需要采集1 2 路的电流、电压信息，且这些信息均为周期性( 非突发 性) 的发送，接口信息流量较大。在对采样率要求较高的线路差动保护和测量表 计等设备应用中，这一现象表现更加突出。 通信速度较高 由于接口的通信环境恶劣，合并单元与各路数据通道一般采用光纤通信，选 择串行通信的方式进行数据传输，这就对通信速度提出了较高的要求。 2 接口方案【3 3 , 3 4 】 与合并单元接口的a d 转换器既可采用单路模拟量输入通道，也可采用多路 模拟量输入通道。合并单元通过给各a f d 转换器发送同步命令，保证各路同时采 样和模数转换。 在现阶段，针对合并单元的数字输出格式有明确的要求，但电子式互感器与 合并单元之间的数字传输却没有统一的标准，各供应商只能通过相互协调进行产 品配置，如图2 5 所示。考虑到各路电子式互感器输出数据帧的主要内容是电流、 电压信息，因而合并单元与各路a d 的串行接口采用简单的异步数据流且遵从 u a r t 通信方式。进行异步串行传输时，其字符需要2 3 个比特的额外开销，如 起始位、停止位等。 二次设备 一次设备 数据帧 卜卜 合并单元 1( m u ) 1 电子式互感器 同步信号 继f 乜保护、测 l t 控带0 、敞障 s y n 录波装置等 格式规范i e c6 1 8 5 0 9 图2 5具有数字接口的一次、二次设备间连接简图 山东大学硕士学位论文 此外，合并单元与电子式互感器的数字接口通信环境往往比较恶劣。为了能 有效地检测出因噪声和干扰造成的误码( 差错) ，提高通信服务质量，需对接口通 信过程采用差错检测技术，如采取循环冗余编码( c r c ，c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e ) 对各路a d 输出数据的有效性进行校验。 2 3 ie ci i l8 5 0 标准 为适应变电站自动化技术的快速发展，满足不同厂商设备集成应用的需要， 国际电工委员会认识到有必要制订一个通用、全面，能够涵盖整个变电站自动化 系统的通信标准。1 9 9 5 年，i e ct c 5 7 成立w g l 0 l l 1 2 三个工作组，开始着手制 订新的变电站自动化系统通信标准，其中w g l 0 负责变电站数据通信协议的整体 描述和功能要求，w g l l 负责定义变电站层数据的通信协议，w g l 2 负责定义过程 层数据的通信协议。1 9 9 8 年，在与美国电力研究院( e p r i ) 、美国电气电子工程师 学会( i e e e ) 的协调下，国际电工委员会以u c a 2 0 中的设备模型和应用服务模 型为基础，同时参考i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 3 等标准，开始制订i e c6 1 8 5 0 标准。1 9 9 9 年3 月，这3 个工作组提交了i e c6 18 5 0 的委员会草案。2 0 0 0 年6 月，i e ct c 5 7 在s a p g 会议上决定将i e c6 1 8 5 0 作为变电站通信网络与系统的国际标准和电力系 统无缝通信体系的基础【3 5 】。 i e c6 1 8 5 0 是迄今为止最为完善的关于变电站自动化的通信标准，也是t c 5 7 近年来发布的最重要的一个国际标准，其制订的出发点是“同一世界，同一技术， 同一标准”，目的就是使不同制造厂商的产品具有互操作性。下面就介绍下该标准 的基本内容和技术特征【3 6 j 。 2 3 1i e c6 1 8 5 0 的基本内容 i e c6 1 8 5 0 标准共由1 0 部分组成，各个部分的名称和内容如下： 1 i e c6 1 8 5 0 1 ：介绍和概论 介绍了标准的适用范围和目的，定义了变电站内l e d 之间的通信和相关系统 要求，并论述了制定一个适用标准的途径和如何对待通信技术革新等问题。 2 i e c6 1 8 5 0 2 ：术语 给出了i e c6 1 8 5 0 文档中涉及的关于变电站自动化系统特定术语及其定义。 3 i e c6 1 8 5 0 3 ：总体要求 详细说明系统通信网络的总体要求，重点是质量要求，还涉及了环境条件和 供电要求的指导方针，并根据其它标准和规范对相关的特定要求提出了建议。 山东大学硕士学位论文 4 i e c6 1 8 5 0 4 ：系统和项目管理 描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试验所需的专用工具的要 求。主要包括：工程要求，系统寿命周期，质量保证三个方面。 5 i e c6 1 8 5 0 5 ：功能和设备模型的通信要求 规范了变电站自动化系统所完成功能的通信要求和装置模型。主要包括：基 本要求、逻辑节点的分析、逻辑通信链路、通信信息片的概念、逻辑节点和相关 的通信信息片、性能、功能等方面的要求。 6 i e c6 1 8 5 0 6 ：变电站自动化系统结构语言 规定了描述系统工程的过程、与通信有关的i e d 配置和参数、通信系统配置、 开关间隔结构以及它们之间关系的文件格式。 7 i e c6 1 8 5 0 7 ：变电站和馈线设备的基本通信结构 7 1 ：原理和模型，提供了基本建模和描述方法的有关信息，解释了i e c 6 1 8 5 0 7 2 ，7 3 ，7 4 和i e c6 1 8 5 0 之间的详细要求，以及i e c6 1 8 5 0 8 1 和9 1 、 9 2 中具体的通信协议。 7 2 ：抽象通信服务接口( a c s i ，a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei n t e r f a c e ) ， 从三个方面对抽象通信服务接口进行了描述，包括抽象通信服务接口的描述、抽 象通信服务的规范、设备数据库结构的模型。