钱海英智能变电站技术及其应用研究

1、智能变电站技术及其应用研究The Research of Intelligent Substation Technology and Its Application钱海英 2016年3月摘 要智能电网将各种技术在电力系统中的应用进行集成与融合,代表着现代电网建设的理念、目标,是所有电力新技术应用的总称。智能电网被公认为是解决当前电力系统在安全、环保、智能等多方面问题上最有效可靠的方案，与此同时智能变电站被当成是建设坚强智能电网的重要环节和基本要素。智能变电站作为变电环节的关键,对智能电网的建设和发展具有重要意义。本文介绍国内外智能变电站的研究现状下，提出智能变电站的概念，具体分析了智能变电站的

2、架构，智能变电站的功能特点,以及比较了智能变电站与常规变电站在功能上的异同; 以及智能变电站的发展过程。文中详细分析了智能变电站的相关技术，智能变电站电子互感器与常规互感器的区别及优势，智能断路器的相关技术，合并单元以及变压器监测技术。结合常规变电站的继电保护配置，深入说明智能变电站继电保护的技术原则、配置原则，其中在继电保护配置原则，详细阐述了变压器、高抗及其他重要设备的保护配置。文中详细阐述智能变电站重要高级应用功能，对智能变的信息平台架构惊醒了介绍，并对其中顺序控制、智能告警及分析决策、在线监测技术等高级应用功能的实现方式进行分析研究，以及介绍了在线动态安全评估和控制。关键词：智能电网

3、应用功能 合并单元 智能控制 Abstract Smart grid will be a variety of technologies in the power system application integration and integration, represents the concept of modern power grid construction, the goal is the general term for all new technology applications. Smart grid is recognized as a solution to the

4、current power system in safety, environmental protection, intelligence and other aspects the effective and reliable. At the same time intelligent substation is referred to as an important part of building a strong smart grid and the basic elements. Intelligent substation is the key of the substation

5、, which is of great significance to the construction and development of smart grid.In this paper the current research status of Smart Substation at home and abroad, puts forward the concept of smart substation, detailed analysis of the substation's intelligent architecture and features of intell

6、igent substation and the similarities and differences compared the intelligent substation and traditional substation in function, and intelligent variable power development process. In this paper, the technology of Smart Substation is analyzed in detail, the difference and advantages of the electron

7、ic transformer and the conventional transformer, the technology of the intelligent circuit breaker, the merging unit and the transformer monitoring technology are analyzed in detail. According to conventional substation relay protection configuration and in-depth description of the intelligent subst

8、ation relay protection technology principle, configuration principle, which in principle of relay protection configuration, a detailed explanation of the protection of transformer, high resistance and other important equipment configurations. This paper detailed Smart Substation important advanced a

9、pplication functions, of intelligent information platform architecture awakened introduced, and the sequential control, intelligent alarm and decision analysis, on-line monitoring technology advanced application functions realization way to conduct the analysis research, and on-line dynamic security

10、 assessment and control are introduced.Key words: smart grid application function merging unit intelligent control目录摘要Abstract 目录第1章绪论1.1课题研究的背景及意义1.2剛外研究动态1.3本文研究主要内容第2章 智能变电站的结构2.1智能变电站的概念2.1.1智能变电站的定义2.1.2 智能变电站的优点与优势2.2智能变电站与常规变的区别2.3 智能变电站的发展过程第3章 智能变电站相关技术分析3.1 引言3.2电子式互感器技术3.3 智能断路器技术3.4变压器监测

11、技术3.5 合并单元3.6 小结 第4章 智能变电站继电保护配置方案4.1智能站保护配置现状4.2继电保护现有方案局限性分析4. 3继电保护基本技术原则4.4 继电保护配置原则 4.4.1 变压器保护配置原则 4.4.2 高抗保护配置原则 4.4.3 其他保护配置原则4.5 继电保护的整定4.6小结第5章 智能化高级应用 5.1 信息平台化应用 5.1.1 信息流分析 5.1.2 平台架构5.2 智能变电站的高级应用 5.2.1 智能控制技术 5.2.2 智能告警与分析决策 5.2.3 在线监测技术5.3 智能电网的其他相关高级应用5.3.1 在线动态安全评估 5.3.2 电网控制5.4 小结

12、第 6章 芜湖市喻村变实践研究6.1 变电站基本情况6.2 电子式互感器6.3 系统方案 6.3.1 过程层 6.3.2 站控层 6.3.3 间隔层6.4 项目总结参考文献 致谢第1章绪论1.1课题研究的背景及意义随着国际上“环保、低碳、可持续发展”称为国际社会的能源政策的主旋律，最为促进实现低碳经济、可再生能源发展核心的智能电网也将称为电力系统的趋势。随着环保概念的不断深入，智能电网的另一个发展目标之一就是减少碳排放，现在水能、风能、生物能能可再生能源发电迅速增长，为人类社会提供更清洁美好的环境努力。中国在继美国之后,有望成为第二个将智能电网上升为国家战略发展的国家。现代化工业的精密化，以及

13、微电子、生物医学等先进技术对供电质量的要求越来越高，这就要求电力系统的可靠性、稳定性、安全性必须迅速提升。智能变电站是伴随着智能电网的概念而出现的,是建设智能电网的重要基础和支撑。在现代电网中,大部分一次设备,以及保护、测量、控制、计量等二次设备皆安装于变电站中。智能变电站是智能电网中变换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压的重要电力设施, 是智能电网“电力流、信息流、业务流”三流汇集的焦点,是作为衔接智能电网发电、输电、变电、配电、用电和调度六个环节的关键,对建设坚强智能电网有着极为重要的作用。传统的电网一次设备一般包含有主变压器，电子互感器，断路器、隔离开关等，二次设备一般包含对一

14、次设备检测、保护、控制和计量的相关设备。智能电网中，将一次设备和二次设备进行重新定义，一次设备定义为智能电力设备，二次设备则定义为智能控制单元。智能电网将相互独立的二次设备，通过智能技术进行组合和优化，最后完成了检测、保护、控制等综合自动化功能。发电、输电、变电、配电、用电的等一系列环节组成了智能电网，而智能电网的重要组成部分是智能变电站，联络着电厂与用户，成为电网中不可或缺的调节控制中心。智能变电站是智能电网的发展重要目标，已经成为研究的热点，通过几年的发展和演化，智能变电站技术已经逐步完善，可以实现信息的数字化、网络化、标准化，并可以通过通信平台进行信息共享。1.2 国内外研究现状随着社会

15、对能源环境的不断重视，新能源技术的应用也逐渐得到推广，对电网的影响就是智能电网的出现，许多国家也相继投入大量的资金到智能电网的研究和建设当中。但是由于不同国家的具体情况不一样，对于智能电网的建设和进度情况也是各不相同的。美国的智能电网叫“统一智能电网”。美国的电网比较分散，通过各区域电网的结合，来实现全国范围内的优化调度、检测以及控制。美国智能电网主要集中在配网，比较偏重的是智能化用电，重中之重是建立智能计量系统。美国能源部现代电网战略项目组技术国家实验室认为，智能电网核心价值观是：“更可靠，更强大，更经济，更高效，更环保，使用更安全”。目前，美国科罗拉多州波尔市建立了全美国第一个智能电网城市

16、，美国为加快智能电网的建设速度，未来将增加投资，铺设或更新输电线路，将为美国用户增加多达 4000 万个智能电表，并宣布新输电技术和混合动力汽车的电池，计划投资 64 亿美元。欧洲也非常重视新能源的发展，重点强调是分布式能源的接入系统，欧洲的智能电网计划叫“超级智能电网”。通过使用瑞士等欧洲大陆国家的抽水蓄能电站、贮存太阳能和风能，达到减少分布式发电系统的随机性，提高电力系统运行的稳定性。超级智能电网的目标是通过建设高压直流输电线路，将欧洲电力市场紧密联系起来，完成北非与欧洲电力系统的融汇和关联，提升电力系统的可靠性、稳定性、经济性、安全性。世界其它各国也都紧跟着步调，加速推进智能电网的建设应

17、用和研究，其中意大利部分地区的电网已率先实现了智能化。智能配网和智能电源在国外智能电网中被侧重发展，智能变电站被重视度没那么高，因此它研究和建设的相对缓慢些。想要建立一个完善的智能电网，智能变电站是一个必不可少的重要单元，势必在未来的计划和安排中重点进行投资建设。据有关资料显示，美国已经计划到 2030 年将发展智能变电站 8423 座。我国对智能电网的研究和发展相对稍晚,随着国家对智能电网的越来越重视， AEC61850系列标准,从2001年开始被中国电力科学研究院及国内的各大电力设备制造厂商关注，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。并开始翻译研究该标准进行,目前IEC 61

18、850系列标准的正式版已经被发布和出版了,不仅如此还组织了数次繁复互操作实验。为了加速智能电网的快速发展，推进智能变电站建设及后期的运行维护的规范化，国网公司在近几年的建立的智能变电站实施基础的基础上，组织编修了多本规范、技术导则、技术规范以及智能变电站的设计规范等。各省公司也根据实际情况组织讨论并编写智能变电站技术标准及规范，安徽省在国网公司的标准的基础上，编制了安徽电网智能变电站运行规范、安徽电网智能变电站继电保护技术规范安徽智能变电站倒闸操作管理规范等。这些列的技术规范、标准和技术导则的出台,为智能变电站项目的建设及研究实施提供了规范化、标准化的依据。2015年1月，安徽省首座室内220

19、kV智能变电站合肥市翰林变电站成功启动正式投入运行，并入合肥电网运行。此次新建的翰林变电站采用了目前国内最先进的运行安全可靠、维护量小的全封闭组合式GIS电气设备，所有的电气设备均集中于一栋建筑物内，占地面积比一般敞开式变电站节约用地50%，噪声指数也远远小于常规变电站，更加符合提倡低碳环保的趋势。技术上该变电站基采用VLAN技术将局域网内的设备按控制功能和网络化保护逻辑划分为若干个网段, 实现了网络的安全性，保证了控制的实时性;利用GOOSE网络实现变电站过程层、间隔层、站控层一体化的五防防误操作逻辑闭锁功能;利用网络化实现了母线保护、备自投、低频低压减载等功能;采用SNMP协议的网络在线监

20、视与诊断服务技术,实时监视各网络节点的运行情况,实现了变电站二次设备的网络可视化监控。安徽ll0kV室内翰林智能变电站化正式投运,标志着安徽省的智能电网的建设进入新的一步,也为智能电网的建设打下了良好的技术基础。据最新的消息，全国首座330kV富平新型智能变电站，预计将于2016年9月份竣工投运。330千伏富平智能变电站建设工程，是陕西省电力公司重点工程项目，该站首次采用第二代智能技术，实现了数据采集、站域保护、监控系统、联调方式等四项关键技术应用的新突破。该站作为陕西关中地区智能电网建设的标志性工程，对我国建设新一代智能变电站具有示范和引领作用。国家“十二五”期间将智能电网作为重点工作在大力

21、推广与实施。目前，国内电压等级最高的智能变电站是延安750kV智能变电站。750千伏延安智能变电站主要在一次设备智能化、电子式互感器的应用、变电站自动化配置、二次系统整合、高级应用等方面，均有重大创新和突破，其技术水平达到国内外领先水平。国对智能电网的应用进入实质性阶段, 开展坚强智能化电网基础性、关键性、共用性的技术应用研究，国家电网公司确定多个智能化变电站建设试点(示范)工程。目前，智能变电站重点研究内容主要包括一次设备智能化、在线监测、信息一体化平台的构建、高级应用开发、辅助系统智能化改造、运行维护智能化等,智能变电站技术的推广应用运维高效化、检修状态化,达到降低变电站运维成本、提升运行

22、指标、优化资源配置之目的。1.3本文研究主要内容本论文将在现有的智能变电站的建设和研究的基础上，进一步结合已有的智能变电站工程实例进行分析和研究，并根据智能变电站的一次设备、高级应用技术和保护等相关问题逐一分析研究。本文的主要内容将包括如下方面：1、国际社会对低碳环保的呼吁，以及飞速发展的经济对电力系统的用电可靠性、稳定性和安全性的要求越来越高，使得智能电网的推广势在必行，并对国内外的智能电网发展特别是智能变电站的发展做了简要的描述。2、给出智能变电站的定义，以及与常规变电站分析比较，指出智能化变电站与常规变电站的，概括出智能变电站的优势和特征。3、对智能变电站的重要技术：电子互感器、智能断路

23、器、变压器检测技术、合并单元技术进行研究分析及应用状况分析。4、合常规变电站的继电保护配置，深入说明智能变电站继电保护的技术原则、配置原则，其中在继电保护配置原则，详细阐述了变压器、高抗及其他重要设备的保护配置。5、文中详细阐述智能变电站重要高级应用功能，对智能变的信息平台架构惊醒了介绍，并对其中顺序控制、智能告警及分析决策、在线监测技术等高级应用功能的实现方式进行分析研究，以及介绍了在线动态安全评估和控制。4、对安徽省首座全室内220KV 智能变电站翰林变电站进行研究，对发现的问题进行总结分析，并且提出良好的解决方案，供以后智能变电站建设项目进行参考。第2章 智能变电站应用现状2.1智能变电

24、站的概念2.1.1智能变电站的定义智能电网，就是智能化的电网，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过新智能技术实现电网的安全、可靠、稳定运行。智能变电站的定义：采用先进、 可靠、 集成、 低碳、 环保的智能设备， 以全站信息数字化、 通信平台网络化、 信息共享标准化、系统功能集成化、结构设计紧凑化、高压设备智能化、和运行状态可视化等为基本要求，能够支持电网实实时在线分析和控制决策，进而提高整个电网运行经济性和可靠性的变电站。智能变电站的设备一般可以分为智能高压一次设备和统一信息平台两个部分。智能高压一次设备主要智能变压器、智能高压开关设备、电子式互感器、主变压器等组成。如果系统运行方

25、式发生大的改变引起电压、频率产生变化，可以视情况调节变压器分接头；当运行设备出现异常时，实时监测系统会发出预警信息及状态参数上传至集控站或电力调控中心，提醒工作人员及时消缺，防止事故的发生及扩大事故范围，提高了变压器运行可靠性，很大程度上降低运行管理成本。电子式互感器能有效克服传统电磁式互感器的缺点，按照材料不同一般有纯光纤互感器、磁光玻璃互感器等类型。智能高压设备是由高压设备的本智能组件、集成于高压设备本体的传感器组成，具有状态可视化、控制网络化、测量数据、和信息互动化等技术特征的高压设备。智能变电站采用统一信息平台经五防系统、后台监控、智能告警在线监测等二次功能全面集成在一起，便于各个子系

26、统、变电站之间以及变电站与调控中心之间的数据交换，也节省了设备的投资成本。智能即为人性化，就是将变电站做成像人在调节一样，当低压负荷量增加时变电站送出足够增加负荷量的电量，当低压负荷量减小时，变电站送出电量随之变少，能有效节省能源。变电站作为电力系统的网络节点，其链接着输电线路，可以实现调节不同的电压等级电能、管理电能等功能。目前，随着一系列智能电网建设项目的开展，在吸取了常规变电站及数字化变电站方面的成熟技术及经验，以装置智能化、控制智能化、信息标准化及互动技术为特征，智能变电站应运而生。电子式互感器的应用数字化断路器智能接口技术应用网络化智能变电站高速工业通信网络技术发展标准化IEC618

27、50标准的颁布和实施一次设备智能化及高级应用要求图2-1 智能变电站的定义图2.1.2 智能变电站的优点和优势智能变电站较数字化变电站及传统变电站有其自身的优点：1、智能变电站具有很好的低碳环保优越性智能变电站的建设中，工程采用新科技的光纤替代了传统的粗重接线复杂的电缆接线，并且将各类二次电子设备换成高集成度的成本低损耗低的电子元件。智能变电站的新科技智能电子互感器、智能断路器等一次设备使用，比以往的传统变电站散乱占空间大的变电设备，体积更小，噪音更小，损耗耕地，维修更简单。不管是各种一次电器设备、合并单元还是接线材料、手段及技术的改善，都大大减少了能源的损耗和以往的浪费，降低了建设成本及运维

28、成本，也有效的降低了变电站设备运行时内部的电磁辐射等破坏环境的污染，实现了变电站性能的优化，使其对环境保护的能力更加显著。2、智能变电站具有较好的交互性智能变电站的工作特性和担任的职责，都使其必须具有良好的交互性。它负责电网运行的数据统计工作，就要求它必须有向电网回馈准确细致、安全可靠的信息功能。智能变电站在实现信息的采集和分析功能之后，不但可将这些信息在内部共享，还可将其和网内更复杂高级的系统之间进行良好的互动。智能电网的互动性确保了电网的安全、稳定、可靠运行。3、智能变电站具有更高的可靠性客户对电能的基本要求之一就是可靠性，智能变电站必须具有高度的可靠性。智能变电站技术的出现不仅满足了客户

29、对高质量电力需求的同时，也实现了电网的安全可靠稳定运行。由于变电站是一个整体系统的存在，容易出现牵一发动全身的现象，因此变电站自身和内部的所有设施都应具有高度的可靠性，这样的特性也就要求变电站需要具有管理、检测故障的功能，只有具有这个功能才可以有效地预防变电站故障的出现，并在故障出现之后能够快速的对其进行处理，防止故障的再次扩大，使变电站中的工作状况始终保持在最佳状态。智能变电站是智能电网的重要组成内容，要建立坚强的智能电网，加大智能变电站的建设和研究分析已经刻不容缓。智能变电站有着明显的优势：（1）二次接线简单，用少量光纤代替大量的粗重的电缆，设计安装调试都在繁复，变得简单而容易操作。（2）

30、测量精度高，数字信号传输和处理无附加误差。（3）信息传输的可靠性很高，光纤通信无电磁兼容问题，通过CRC校验、通信自检的功能，使得信息传输非常可靠，信息不易丢失，误报。（4）可采用电子式互感器，电子式互感器无CT饱和、 CT开路、 PT短路铁磁谐振等问题，而且其具有绝缘结构简单、干式绝缘、免维护等优点。（5）一、二次设备间无电联系，无传输过电压和两点接地等问题，一次设备电磁干扰不会传输到集控室。（6）各种功能共享统一的信息平台，监控、远动、保护信息子站、电压无功控制VQC和五防等一体化，统一的信息模型，避免了规约转换，信息可以充分共享。（7）减小变电站集控室面积，二次设备小型化、标准化、集成化

31、，二次设备可灵活布置，节约空间。（8）可观测性和可控性增强，产生新型应用：如状态监测、站域保护控制。图2.2 常规变电站图2.3 智能变电站图2.2为常规变电站的结构示意图，图2.3位智能变电站的结构示意图。智能变电站与常规变电站相比较，智能变电站设备拥有数字化的信息、紧凑化的结构、可视化的状态、集成化的功能等，满足易于扩展、易于改造、易于更新、易于维修的工业化应用要求。2.2 智能变电站与常规站的区别近年来，我国的变电站已经逐步实现智能化发展，智能变电站同传统的常规变电站相比，智能变电站采用智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保

32、护、计量和监测的基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。相比较常规变电站，IEC61850 规约带来的智能变电站二次系统物理结构发生了质的变化。智能变基本取消了硬接线,所有的开入、 模拟量的采集均在就地完成， 转换为数字量后通过标准规约从网络传输；继电保护的联闭锁以及控制的联闭锁也由网络通信（ GOOSE 报文） 完成， 取消了传统的二次继电器逻辑接；所有的开出控制也通过网络通信完成； 数据的共享通过网络交换完成。智能变与常规变的主要区别在以下几方面：设计的不同。常规变电站设计采用的是电缆图，复杂容易弄错，智能变则采用虚端子;常规变是实际

33、接线，智能变则采用SCD配置技术，SCD是智能变电站IEC61850标准中的substation configuration description的缩写，即全站系统配置文件，是智能变电站的核心内容，包含了全站二次设备的通信、逻辑联接和网络结构。调试的不同，常规变需要利用螺丝刀等工具，对二次回路结点进行测量调试，智能变因为没有二次回路的概念，信号传输是否正确，通信网络是否合理，只需要用笔记本电脑通过GOOSE报文来查看与分析。留档的不同，常规变电站为了后期运行维护的需要，一般需要将变电站的各类图纸、竣工图留档保存，智能变电站则根据GOOSE组态工具及设计院提供的文件组态，编织成一个SCD配置文

34、件和虚端子图。2.3 智能变电站的发展过程随着风能、谁能、太阳能光伏等分布式新能源不断接入电网系统中，电网安全性和稳定性的要求也变得愈来愈高。作为智能电网的重要网络节点，变电站承担着资源优化配置、智能设备互联互通以及与用户、相邻变电站之间的互动等多方面的角色。国家电网公司准备建设特高压电网，最终实现各电压等级电网共同发展的战略，国家发出“智能电网”第一阶段的项目实施计划，“智能电网试点项目计划的通知”和一系列的文件。当前来看，智能变电站是电力技术的最新技术，对于智能变电站的有关技术规则，国内、国外还没有给出完整的定义。因此，智能变电站的研究都是从当前的常规变电站和数字化变电站的经验总结得来的。

35、目前，国内的变电站有常规变电站和数字化变电站两种模式。对于常规变电站有多套冗余、设计和调试繁琐、重复收集、规范和标准不一致等困难，而数字化变电站则因为缺乏稳定和可靠的过程层设备，没有有效地验证与之相近的技术手段和评价系统。为了达到更好地解决常规变电站和数字化变电站存在的问题，提高变电站的运行效率，要求智能变电站，有新的不断创新和改进模式，使得网络的安全性和稳定性得以进一步提高。智能变电站的发展目的：智能变电站的性能满足工业化的要求，满足电力系统相关运行管理的规定。智能变电站建设完成后，完成了数据的完整性和变电站的基本数据的一致性，可完成无人值守运行管理模式，可达到协同传递、安全防护的要求。智能

36、变电站设备具备数字信息集成，布局合理，运行状况的可视化，满足易于扩展，易于改造级的特点。通过与电源点、相邻变电站以及用户之间的相互协调通信，智能变电站能更好的确保各电压等级电网安全稳定运行，实现无人看守。智能电网数字化变电站数字化变电站IEC61850变电站综合自动化变电站传统变电站智能一次设备高级应用图2.4 智能变电站的演变和组成第3章 智能变电站的相关技术分析3.1 引言随着对智能变电站研究的逐步深入，智能变电站相关技术的研究也日趋成熟。与智能变电站相关的技术主要有智能高压设备、在线监测技术、智能变电站高级应用。本章主要从上述几个方面进行了分析研究。智能高压设备是一次设备和智能元件的有机

37、结合体，是智能变电站的重要组成单元。随着新科技的发展，它将计算机技术、通讯技术、数字处理技术等融合在一起形成了新型的高压设备单元。在线监测是在设备状态检修中的重要组成部分，在智能变电站中，在线监测主要指监控运行设备的运行状态，提供给运行人员，实现变电站的安全运行和可靠控制。智能变电站的高级应用是和常规变电站最大的不同部分，包括智能操控、自动调整、高层决策的实时分析等。只有基于上述这些技术的研究和发展，才使得智能变电站实现与之前传统变电站不同的功能。3.2 电子式互感器技术智能变电站的主要标志之一是采用电子式互感器代替传统互感器采集电压、电流等电气量，为实现传统变电站装置冗余向信息冗余转变以及信

38、息集成化应用提供了基础。国际上将有别于传统的电磁式电压/电流互感器的新一代互感器统称为电子式互感器。32.1电子式互感器的发展背景传统的电磁式互感器存在很多缺陷：绝缘薄弱、体积笨重、动态范围小、存在铁芯饱等问题；电子式互感器与常规互感器相比具有很多显著的优点：项目常规互感器电子式互感器绝缘复杂绝缘简单体积及重量大、重体积大、重量轻CT动态范围范围小，有磁饱和范围宽，无磁饱和PT谐振易产生铁磁谐振PT无谐振现象CT二次输出不能开路可以开路输出形式模拟量输出数字量输出图3.1常规互感器和电子式互感器比较智能电网是电力系统的发展趋势，目前已在逐步实施，它的发展需要新科技的电子式互感器。智能电网要求变

39、电站全站信息数字化、 通信平台网络化、信息共享标准化。电子式互感器具有优良的性能，采用光纤点对点或组网的方式传输数据，很好地适应了智能电网的发展需求。3.2.2电子式互感器分类及简介电子式互感器按照其原理可分为两大类：半常规电压及电流变换器，也称电光变换器，如图3.2所示。采用光学测量原理的电光效应互感器和采用线圈测量方式的半常规电流互感器是电子式互感器的两个分支。通常情况下，电子互感器根据其需要不需要电源来归类，可以分为两大类，一类是有源式电子互感器，另一类是无源电子互感器。而根据使用情况来分就可以分为三大类：GIS 结构与 AIS 结构电子互感器、直流电子式互感器14。图3.2电子式互感器

40、原理图有源电子式互感器一般情况下是指罗柯夫斯基线圈（简称罗氏线圈），又被称为电子式电压电流互感器，其特点是需要向互感器提供电源，目前光纤供能方式被广泛采用。电流互感器是通过空芯线圈、低功率线圈传感器一次侧电流被检测。按其原理而言，低功率线圈与一般性 CT 的原理大同小异，但因低功率线圈其输出功率一般都很小，所以其线圈内铁芯的截面面积就比常规互感器的要小很多。电子式互感器分类原理备注有源式电流互感器ECT法拉利电磁感应罗氏（Rogowski）线圈线性度号，无饱和现象，传感保护用电流（5TPE）低功率线圈（LPCT）精度高（0.2S级），传感测量、计量用电流电压互感器EVT电容分压/电阻分压/电感

41、分压0.2/3P精度无源式电流互感器OCTFaraday旋光效应Sagnac效应全光纤式FOCT1、 全光纤结构简单，抗震能力好2、 光纤熔接链接可靠，长期稳定性好3、工艺成熟、一致性好磁光玻璃式1、 分立元件，结构复杂，抗震能力差2、 光学胶粘接，长期稳定性差3、分立元件加工困难，一致性难保证电压互感器Pockels电光效应型目前有样品，尚未推广应用逆压电效应型图3.3电子式互感器分类无源电子式互感器又称为光电式电压电流互感器，是利用光学测量原理，主要特点是不用专门的外接电源供电。在磁场中，线偏振光从磁光玻璃中射出后，其方向会发生变化，其变化角度会与磁感应强度增强而增大，并随着磁感应分量 B

42、 的平行线进行旋转，人们把这种现象叫 Faraday 旋光角。因为 Faraday 旋光角随着磁场电流的增加而增大，而磁场电流会随着磁场强度的增大而增大，所以 Faraday 旋光角可以用来检测磁场电流大小。与常规有源式互感器比较，由于无源式电子互感器是利用光学原理来工作，所以其内部构造均是光学器件，没有电子元件，不用担心其绝缘性，也不用担心其有磁饱和现象、铁磁谐振等问题，同时还具有不错的可靠性和安全性，不用维护，测量范围广等特点。图3.4 220kV AIS ECVT 图3.5 66kV AIS ECVT图3.6直流电子式互感器 图3.7光学互感器（50Kv800kV） （66Kv800kV

43、）3.2.3 电子互感器的配置电子式互感器主要由传感模块和合并单元组成，传感器模块主要用在高压侧，负责收集信号，并对一次侧电压电流进行调节，同时将收集的模拟信号数字化。在二次侧安装合并单元，用来对传来的信号做同步合并处理16。为保障一套系统出现异常时，线路中的保护不会误动，我们需对电子式互感器进行配置。首先对传感器模块的电流进行冗余式的采样，然后将合并单位进行冗余配置，并同时与远端模块相连接，再将合并单位安装于合适的位置。电子式互感器配置方案：1.配置原则是保证一套系统出问题不会导致保护误动，也不会导致保护拒动。 2.电子式互感器的远端模块和合并单元需要冗余配置。3.远端模块中电流需要冗余采样

44、。 4.合并单元冗余配置并分别连接冗余的电子式互感器远端模块，合并单元可以安装在开关附近或保护小室。220kV及以上电压等级电子互感器配置：1. 罗氏线圈和低功率线圈均双重化2.A/D采样双重化3.合并单元双重化4. 采用组合式：三相电流、三相线路PT110kV电压等级电子互感器配置：1.不需双重化2.220kV及以上主变的110kV侧需双重化3.建议采用组合式：三相电流、三相线路PT3.3 智能断路器技术断路器在电力系统中担负着运行控制与故障隔离的重要任务，其运行状态直接影响着整个系统中的稳定性和可靠性。智能变电站技术的发展对断路器控制回路的智能化提出了必然的要求，符合数据通信要求的断路器接

45、口设备应运而生，也可称为智能断路器控制装置，主要实现保护系统中操作箱的基本功能，并实现就地化的布置。同时由于智能操作箱引入了计算机技术、微电子技术，因此，除完成基本操作功能外，还可以实现对断路器状态的监视。如果从合并单元引入电压、电流量就可以具备断路器单元控制功能，实现断路器最佳时刻的分合闸操作，并更好的判断断路器运行状态。3.3.1断路器监视技术利用传感器对关键设备的运行状况进行实时监控，进而实现电网设备可控制、可观测和自动化是智能设备的核心和目标。断路器在线监测是断路器状态检修的前提和关键，随着信号处理技术和传感器技术的发展，使断路器一些原本不容易在线监测的状态量的监测得以实现。智能断路器

46、在线监测功能：断路器灭弧室的局放和介损监测；机构动作特性的监测,断路器触头和刀闸的行程、速度；控制回路断线监视；弹簧储能时间；开关工作时间、开关动作次数、切断电流累积；开关柜内温度、触头接触部位的温度监测；分合闸线圈的电流、电压；在线监测的主要目的：状态检修；实施在线监测必须考虑可靠性、稳定性和经济性。3.3.2 智能断路器智能操作技术断路器机械开关器件的“操作”按IEC定义：“动触头从一个位置到另一个位置的转换”，而所谓的智能操作是“动触头从一个位置到另一个位置的自适应控制的转换”。断路器的智能操作可根据电网中所发出的不同开断信息，自动调整操动机构及选择灭弧室的工作条件，进而改变了现有断路器

47、的单一空载分闸特性。实现智能操作的主要好处主要体现在以下几方面：1） 使断路器实际操作大多是在较低速度下开断，从而减少断路器开断时的冲击力及机械磨损，不仅可以减少机械故障和提高可靠性，还能提高断路器的使用寿命。2） 有可能改变目前试探性自动重合闸的工作方式，实现自适应自动重合闸，做到在短路故障开断后，如故障仍然存在则拒绝重合，只有当故障消除后才进行重合工作。3） 实现定相合闸，降低合闸时操作过电压，取消合闸电阻，更好的提高可靠性。4） 实现选相分闸，控制燃弧时间，使得断路器起弧时间控制在最有利于燃弧的相位角，不受系统燃弧时差要求限制，进而提高断路器实际开断能力。基于电力电子技术、微机和电子式互

48、感器建立的断路器二次系统，保护和控制命令可通过光纤网络实现与断路器操作机构的数字化接口，这些新技术使得智能变电站的过程层也得以数字化，以太网将构成变电站自动化系统的神经中枢。3.4 变压器监测技术3.4.1 电压器基本特征变压器是电力系统最昂贵和最主要的设备之一，其安全稳定运行对保证供电可靠性有重要意义。电力变压器的故障出现频率较高，不仅会极大地影响电力系统的可靠运行，同时也会给电力企业及电力客户造成很大的损失，所以要定期对变压器进行绝缘预防性试验。但是变压器预防性试验需要停电进行，这势必将影响正常供电。因此变压器运行状况在线监测越来越受到供电企业的重视。据历年来的统计分析，变压器故障主要原因

49、是绝缘损坏，绝缘损坏一般开始表现为局部放电，若米有监测系统，微弱的放电将越来越强，最后绝缘击穿。局部放电时会产生特征量，如超声信号、脉冲电流、光信号、超高频电磁波、各种气体含量等。因此，采取一定的技术手段，及时监测上述信号，将有助于及时发现变压器的缺陷，避免恶化为变压器故障。随着在线监测技术的成熟与广泛推广使用，全寿命周期管理要求的提出，基于在线监测的电力系统状态检修定将在电力生产中起到越来越重要的作用。3.4.1 电压器故障类型在电力系统运行中的变压器，可能会因为环境恶虐、重负荷运行、自身设备损耗、绝缘老化等原因，使得变压器发生故障。故障类型故 障 原 因局部放电由不完全侵渍、油过饱和、高湿

50、度纸、或空腔造成的充气空腔中的局部放电低能量放电不良连接形成不同电位或悬浮电位，造成火花放电；套管与箱壁、夹件间、线圈内的高压和地端的放电高能量放电局部高能量或由高能量造成的闪络，沿面放电或电弧；低压对地、接头之间、套管和箱体之间、铜排和箱体之间、线圈之间、绕组和铁芯之间的短路。环绕主磁通的两个邻近导体之间的放电过热<300铁轴夹件中的杂散磁通量；绕组中油流被阻塞过热300700绕组中平行的相邻导体之间的绝缘磨损；夹件和铁芯叠片之间的环流、铁轭夹件和螺栓之间，接地线中的环流，套管引线和电缆连接接触不良过热>700油箱壁未补偿的磁场过高，形成一定的电流；铁芯叠片之间的短路；油箱和铁芯

51、上大的环流图3.8 变压器典型故障类型3.4.2 变压器在线监测系统变压器在线监测系统构成包含传感器、智能组件、控制单元、系统层，见图3.9，其中智能组件是体现一、二次结合的关键环节。智能组件包括控制、测量和监测等基本功能，通过传感器的信息采集将反映电力变压器主要状态信息已满足IEC61850标准的模式上送至系统层，并接受来自本体保护或者系统层的控制调节命令。如油温度、油位变化、环境温度等，并根据需要控制冷却系统；接受系统层的有载调压命令，实现变压器分接头的调整，或接受非电量发出的跳闸命令，快速隔离故障。 主变压器模拟信号（电压、电流等）有载分接开关信号非电量传感器油色谱智能终端温度继电器气体

52、继电器变压器智能控制保护柜智能组件一次设备传感器及控制单元就地智能控制保护柜系统层网络图3.9 变压器在线监测系统示意图变压器在线监测系统中需要在监测功能组设一个主IED，监测功能组中可以包括局放监测IED、套管监测IED、油中溶解气体监测IED等。主IED承担所有监测IED监测结果的综合分析，并与相关系统进行信息互动。变压器在线监测系统分为传感器层、智能组件层、站控层。其在线监测系统体现“功能划分模块化、传感设备内置化、信息传输光缆化、智能组件就地化、信息展示可视化、信息建模标准化”等特点。3.5 合并单元合并单位主要是将远端模块采集来的数据传输过来，并将其进行数据整合，同步处理，最后将处理

53、好的数据传输到控制设备使用间隔的装置上，其中数据格式必须为特定的格式。如图 3.10所示。在应用电子式互感器时，互感器合并单元与间隔层控制保护之间的通讯规约是一个非常重要的问题。目前主要采用的规约方式主要有两种，一是点对点方式，二是网络方式。A相远端模块1B相远端模块1C相远端模块1A相远端模块2B相远端模块2C相远端模块2合并单元 1合并单元 2XIAN线路保护1母线保护1稳控系统1测控故录线路保护2母线保护2稳控系统2计量IEC60044-8IEC61850-9-1IEC61850-9-2图3.10 合并单元传输示意图合并单元有以下几个特征：（1）有良好的检测性能，能检测电子式互感器的每一

54、个元件的具体情况，一旦发现问题，会自动报警提示。（2）输出端能输出相应的模拟数据，有利于与远端模块进行信息互换。（3）系统的测量功能能够显示电压电流功率等数据的实时监测，对调试和测试具有非常大的好处。对合并单元来说，输入信号主要有三种：数字信号，模拟信号，开关信号。当不用一个变压器时，一次侧与二次侧都没有同时配置电子互感器，如果电压等级与电子互感器全部配置后，那么合并单元就可以同时接入模拟与数字两种信号，并且这两种信号也只在合并单元进行同步以后才能输出至保护装置。CTPT二次设备A/DA/DCPU模拟信号图3.11 常规互感器同步的实现ECTEVT合并单元（同步）二次设备数字信号数字信号图3.

55、12电子式互感器同步的实现当有多个电子式互感器或传统互感器同时接入一个合并单元时，在对采样同步问题进行处理的同时，还要考虑接入量的问题，比如电压采样接入同步。对变压器保护而言，信号在输入前必须进行同步，同样对母线保护而言，电流量的采样也必须进行同步后才能传输至保护装置。对采样同步来说，一般可以有以下几种方式采取：一，使用 GPS 秒脉冲信号为标准，在全站及周边几个相邻站用一个 GPS 秒脉冲信号，这种脉冲信号有利于采样模块智能的采样，从而实现同步，最后在合并单元得到汇总；二，使用可以进行角度调整的插值法，这种方式与第一种方式相比较更精准，更可靠。我们在实际工程中一般都采取两种方法同时使用，这样

56、可以防止第一种方法失效时，也不会让采用同步的精度大幅度下降，这样就可以实现这两种方式互相协调配合，采样同步的精准度及可靠性都大大提高了。合并单元一般分为两种类型一是线路合并单元，一般用于线路间隔、主变间隔和母联间隔。线路合并单元接受线路上的远端模块通过光纤传过来的三相保护电流、三相电压和三相测量电流，同时接受母线合并单元送过来的母线电压，据合并单元上的开入开出板上采集的隔离刀闸位置 ，据母线合并单元过来的电压完成电压切换的逻辑，上送A相母线电压作为检同期用。 二是母线合并单元，用于母线间隔。母线间隔接受所有母线上的远端模块，同时根据合并单元的开入开出板上采集的母联和屏柜上把手的位置 ，完成电压并列的逻辑，将得到的电压值除了上送至保护测控装置外，还发送给线路合并单元。目前一般使用光纤来连接合并单元和二次设备，依照 IEB60084-8、IEB61850-4-1/2 的规则实现通信。IEC60044-8 通信规则为点对点通讯方式，它是基于 Manchester 的编码来进行编制的，其网络传输速度在 2.5-10Mbit/s 之间。而 IEB61850-4-1/2 通信规