智能电网中防窃电系统的研究ppt课件

智能电网中防窃电系统研究福州亿森电力设备有限公司赖振学0591 87575055 2 智能电网中防窃电系统研究ES Electroniccurrenttransformers 3 防窃电系统简介 防窃电装置及远程报警系统的控制器部分安装在电力用户电源开关柜及低压计量箱内 对非法开启开关柜窃电 实行实时监控及远程报警 此系统既适合在新开关柜内安装使用 也适合改造各类正在运行的开关柜 4 主要优点 性能比较稳定适合长期运行有长期的运行经验 5 ES 2010优点 绝缘简单没有磁饱和 铁磁谐振等问题无二次开路高压测量频带宽 动态范围大结构紧凑 体积小 重量轻适应电力系统自动化数字化要求无易燃 易爆炸危险 6 ES 2010防窃电系统发展现状 防窃电系统是当前国内外研究的热点 7 国内外研究现状 广州换流站激光供能的500kVECT 测直流 西门子公司制造运用了一些美国PhotonicPowerSystem公司技术 广州换流站激光供能的35kVECT 测直流 8 加拿大 NxtPhase公司的磁光式500kV组合式 9 加拿大 NxtPhase公司的磁光式组合式光二次输出指标 10 国内外研究现状 磁光式 11 防窃电系统标准 我国也正在制定国家标准GB TXXXX 7 200XGB TXXXX 8 200X 12 防窃电系统分类 1 无源式 传感头采用磁光晶体或光纤2 有源式 传感头采用电子器件 需提供电源 13 无源式ES的几种实现方法 一 基于Faraday磁光效应的 全光纤型ES原理示意图 14 无源式ES的几种实现方法 二 基于Faraday磁光效应的 磁光玻璃型ES原理示意图 15 ES的几种实现方法 三 基于Kerr效应测量电流原理示意图 原理见下页 磁介质 16 Kerr磁光效应是指线偏振光在磁化了的磁介质表面发生反射时 反射光的偏振面相对于入射光的偏振面会发生偏转 通过测量偏转角度的大小 就可以间接测得磁介质外加磁场大小 如果这个磁场是由高压电流产生 则也可以通过相应的换算得到电流的大小 17 有源式ES的实现方法 在高压侧的传感头采用的是电子器件 而不是磁光晶体或光纤 因此高压侧要有供电电源 A D转换式 即ADC式 实际研制时采用的方式 18 图ES 2010的整体结构图 ES 2011整体结构图 19 A D转换式ES特点 AD变换器的转换精度高 采样频率高系统的功耗小 可以实现低功耗接收端的电路比较简单 可以直接和计算机进行通信传送的是数字信号 传送过程中抗干扰能力强 20 ES 2010方案的选定 无源式电流互感器的原理与传统的电磁式互感器截然不同 优点在于其传感头在设计上没有电源的供应的问题 但是这种互感器对光学技术 光纤技术以及光学材料的发展有很大的依赖性 研制技术难度大 成本较高 而且 磁光材料在外界环境的温度压力等参数变换的情况下的稳定性也是一个技术上难以解决的问题 因此 要达到实用阶段还要走很长的路 21 有源式电流互感器采用的是传统的电阻 电容等器件 优点在于采样精确度比较高 同无源光电互感器相比 在结构上更加简单 也比较容易和计算机实现直接通信 但是它的缺点在于传感头的电源供应 大范围电流的准确测量问题和电磁兼容问题 22 最后方案的选定考虑到电子器件的选择和电路的设计难度 采用ES式电子电流互感器作为研究对象 这种电流互感器的传感头的总体功耗比较小 采样精确度比较高 接收端的电路工作比较可靠 容易实现多路信号同时采集 另外 ES式光电电流互感器传输的是数字信号 易于和计算机实现数据通信 23 ES 2010方案 三相测量电流 C相电流 C相电流 B相电流 B相电流 A相电流 A相电流 保护线圈 测量线圈 保护线圈 测量线圈 保护线圈 测量线圈 高压侧信号处理单元 高压侧信号处理单元 高压侧信号处理单元 信号接收和分配单元 低压侧信号处理单元 低压侧信号处理单元 低压侧信号处理单元 三相保护电流 至测量柜 至保护柜 光纤 24 25 ES 2010 26 27 ES 2010的性能指标 电压等级220kV母线电流600A输出精度测量级0 2级 4V 负荷2M 保护级为5P20 200mV供能方式为特制线圈供能安装方式为悬挂式达到水平 国际先进 28 ES 2011的设计方案 传感头Rogowski线圈 测量暂态信号 保护用 小信号铁芯CT 测量稳态信号 测量用 A D采样及温度补偿电能供应光纤传输 光纤绝缘子信号接收单元ES 2012接收仪 29 传感头的结构示意图 图3 1传感头结构示意图 30 ES样机 传感头 31 ES内部结构图 32 传感头部分装配原理示意图1 导电杆 2 电源板 3 电源变压器 4 A D采集板 5 罗果夫斯基线圈 6 铁芯线圈7 铁芯线圈外围电路板 8 金具 9 外壳 33 Rogowski线圈介绍 Rogowski线圈实际上就是一个缠绕在非磁性骨架上的空心螺线管是测量暂态电流的一种常用工具 现在也有用于测稳态电流的 供计量和保护用没有铁心 不会产生磁饱和不直接串联在被测回路中 不会消耗被测回路的能量线圈和被测回路没有直接的电的关系 对被测回路的影响较小 34 图罗果夫斯基线圈原理图及等效原理图 35 Rogowski线圈介绍 Rogowski线圈结构图 首先设线圈每匝中心线与导线中心线间的距离为r 穿过线圈每匝的磁场均为Br 且线圈共有n匝 每匝的面积均为S 0为真空导磁率 则可得 导线电流I t 与Br的关系为 感应电压u2 t 与I t 的关系为 36 Rogowski线圈的几个问题 1 在测量小信号时 由于Rogowski线圈为空心线圈 要达到很高的准确度 就要求线圈具有较多的匝数 根据国家标准GB1208 1997对电流互感器的规定 对于测量通道 应保证在小于1 2倍额定电流的情况下能够实现正常测量 误差在规定的范围之内 同时对保护通道 能保证在20倍额定电流以内能够进行保护监测 假设额定电流为600A 则保护用暂态电流幅值可达600 20 12000A 实现如此大范围内信号的准确测量难度是很大的 37 Rogowski线圈的几个问题 2 线圈骨架的选择水泥 大理石 花岗岩要求 选择线性膨胀系数小的材料做线圈骨架 随温度变化 形变越小越好 使线圈所受影响最小Rogowski线圈的输出信号通常比较弱 易受外界电磁场的干扰 应对线圈进行屏蔽 输出信号用屏蔽双绞线引出 38 小信号铁芯CT 测量稳态信号 测量用 根据国家标准GB1208 1997对电流互感器的规定 对于测量通道 应保证在小于1 2倍额定电流的情况下能够实现正常测量 误差在规定的范围之内 铁芯采用硅钢片或超微晶合金材料 环形穿心结构 没有气隙 漏磁少 39 A D转换电路 A D转换电路是整个传感头的核心部分要求 A D转换器件功耗小 采样率足够高线圈输出的电流为正弦波 因此A D转换器件要具有双极性输入 串行输出采用时分复用方式传送下行信号 40 41 高电位侧的电源供应问题 特制CT线圈从母线采电的供能方式激光供能方式蓄电池或太阳能电池供能方式超声电源供能方式 42 特制CT线圈供能方式 采用接在母线上的参数变压器获得电压信号 对其进行整流 滤波 稳压后供给后级的电子线路问题是母线中电流变化范围很大 从空载电流到额定电流 以及发生故障时的短路电流和雷电冲击电流 都要求保证直流电源的可靠输出在母线电流为零的情况下 这种方法不能提供足够的电压输出来维持传感头的工作 43 44 激光供能方式 采用激光器从地面低电位侧通过光纤将光能传送到高电位侧 再经光电池将光能转换成电能 再经过DC DC变换后 提供稳定的电压输出优点 纹波小 不易受外界干扰 摆脱了高压母线电流大小和电压高低的影响 这种供能方式的互感器可以对母线进行故障检测缺点 价格比较昂贵 寿命短 光电池转换效率低 功率不足 要求电子线路选用低功耗元件 45 激光器和光电池 选用半导体激光器 LD 波长为808nm传感头电子线路的总功率一般在140mW或更高 电路板上DC DC转换电路的转换效率在50 左右 光电池的转换效率在25 30 左右 激光器应工作在额定功率的70 80 左右 因此 要求激光器的输出功率在1 5 2 0W比较合适目前半导体激光器市场价格欧美1 8W10000小时 1 14年 2500国内2 0W5000小时 0 57年 3000 46 光纤传输与光纤绝缘子 基本设计要求是 允许传光光纤通过绝缘结构 耐受相应电压等级的各种过电压 具有一定的抗振能力 为了体现光电式电流互感器的优点 绝缘结构的设计应尽可能做到体积小重量轻另一种思路 无线传输 如GPRS GSM通讯 缺点 盲区 故障 不独立 47 48 49 50 51 低压侧接线盒 图接线盒结构示意图 1 外壳 2 进线头 3 加紧式出线头 4 固定架 5 6 密封圈 7 固定螺栓 8 9 螺钉 10 11 螺母 12 13 密封圈 52 53 54 ES 2011信号接收机的主要作用 将传感头通过光纤传递下来的光脉冲信号转换成电脉冲信号 并进行放大处理 通过两路处理通道 一路是是采用D A转换器的模拟通道 一路是采用计算机处理的数字通道 对传输下来的信号进行处理 输出IEC标准规定的模拟信号和数字信号 55 ES 2010 56 57 信号接收机的组成 O E变换部分 光电转换 逻辑控制电路部分 提供控制信号信号接收机的模拟通道 数字还原成模拟信号信号接收机的数字通道 将数据采集进计算机 分为以下四个部分 58 1 O E变换部分 光电转换 将传感头传下来的两组信号 一组是数据信号 另一组是时钟信号 转换成电脉冲信号 器件采用PIN光电二极管 放大整形电路将微弱的电信号还原成标准的TTL电平信号 器件采用高精度的比较器 59 2 逻辑控制电路 将系统的四路时钟信号和数据信号分离开来 并产生器件要求的时序 送入D A转换器和PC机接口卡 分别进行处理 60 3 模拟通道 D A转换电路 将传感头传输的串行信号转换为并行数字信号 送入到D A转换器件中 通过D A转换电路后 输出的模拟信号共分四路 一路电流测量通道 来自CT线圈 二路继电保护通道 来自Rogowski线圈 三路电压监测输出 用于监测供能电压 四路温度测量输出 用于监测和误差校正 61 4 数字通道 提供满足标准要求的数字信号 供二次仪表使用 测量 计量或保护 测量额定值 2D41H 十进制11585 保证测量2倍额定电流无任何溢出保护额定值 01CFH 十进制463 保证测量50倍额定电流无任何溢出 62 ES 2012RTUTEST的研制 63 ES 45RTU的研制 传统存在的问题电磁式CT的二次输出为恒流输出 而电子式电流互感器的二次侧输出是电压 其中测量通道4V 保护通道200mV 传统校验仪不能校验数字信号 虚拟仪器技术美国NI公司的LabVIEW软件及各种功能的采集卡 64 ES 2012RTU的原理 信号调理箱将基准信号和待测信号变换成高精度数据采集卡能承受的电压信号 经采集卡进入计算机 得到两个离散数据序列通过对这两个离散序列的软件分析得到两个信号各自的特征和它们之间的比差和角差软件分析的主要算法是基于离散信号的傅立叶变换 65 新型ES RTU 66 ES 显示软面板 67 ES测试结果 试验接线图 68 ES 2012实验室测试结果 测试波形图 69 ES 实验室测试结果 测量通道比差和角差 输出带负载15k 70 E