数字化变电站晋阳珺2009.11内容提要数字化变电站的定义和组成非常规CT、PT技术合并单元技术介绍数字化变电站工程应用数字化变电站推荐方案数字化变电站设计、检修、维护数字化变电站发展展望数字化变电站的定义与组成一次设备智能化，二次设备网络化变电站层监控、远动、故障信息子系统间隔层保护装置、测控装置过程层合并单元（MU）、智能单元数字化变电站的定义与组成数字化变电站的定义与组成控制中心监控主机远动主站交换机路由器r站控总线保护A 测控单元r 光电互感器保护B 保护A 测控单元传统一次设备保护BIEC61850-9-1IEC61850-8智能终端传统一次设备间隔层过程层r 站控层r光电互感器数字化变电站与常规SAS 比较常规变电站数字化变电站一次设备：电磁式互感器非常规互感器传统开关智能组合电器二次设备：传统保护测控设备网络化装置电缆硬连接SV/GOOSE通信协议：私有协议IEC61850常规互感器与非常规互感器的比较绝缘性能优良，造价低。
电磁式互感器一次侧与二次侧之间通过铁心耦合，绝缘结构复杂，其造价随电压等级的升高呈指数关系上升。
在光电式互感器中，高压侧信息通过光纤传输到低压侧，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级的升高呈线性增加。
消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。
光电式互感器无铁心，消除了磁饱和及磁谐振现象，互感器运行暂态响应好、稳定性好。
常规互感器与非常规互感器的比较暂态响应范围大。
电磁式互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量。
光纤互感器有很宽的动态范围，一个测量通道额定电流可达到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培，可同时满足测量和继电保护的需要。
没有易燃、易爆炸等危险，无需检压检漏。
非常规互感器一般无需油或SF6绝缘，避免了漏油、漏气、爆炸等问题。
常规互感器与非常规互感器的比较二次侧无开路、短路危险。
电磁式互感器二次回路存在开路和短路危险，非常规互感器的高压侧与低压侧之间一般只存在光纤联系，可保证高压回路与低压回路在电气上完全隔离。
频率响应范围宽。
非常规互感器实际能测量的频率范围主要取决于互感器的电子电路部分，其极限频带在几MHz以上，能很好地满足电力系统故障录波的要求。
常规互感器与非常规互感器的比较体积小、重量轻，运输方便。
光纤互感器的传感头本身的重量一般小于1kg。
美国西屋公司公布的345KV OCT高度为2.7m，重量为109kg。
而同等电压等级的充油电磁感应式互感器高为6.1m，重量达7718kg，这给运输和安装带来了很大的不便。
抗电磁干扰能力强。
光纤互感器通过光纤信号传递信息，隔断了电磁干扰的路径，电磁干扰仅能通过场的方式偶合，其强度大大降低。
常规互感器与非常规互感器的比较由于信息载体是光，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。
适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。
光纤互感器一般以弱功率数字量输出，非常适合微机保护装置的需要。
这将最佳地适应日趋广泛采用地微机保护、电力计量数字化及自动化发展的潮流。
非常规互感器对二次系统的影响对于非常规互感器，其电压切换和电压并列一般由合并单元完成。
电压切换：IEC61850-9-1I II非常规互感器对二次系统的影响电压并列：IEC61850-9-1III电子式互感器与光学互感器的比较罗氏线圈原理是电磁耦合原理，与传统的电磁式电流互感器不同，它是密绕于非磁性骨架上的空心螺绕环，优点有：–罗柯夫斯基线圈电流互感器消除了磁饱和现象，提高了电磁式电流互感器的动态响应范围。
–由于它不与被测电路直接接触，可方便地对高压回路进行隔离测量。
罗氏线圈原理的ECT 有下述缺点：–罗柯夫斯基线圈易受电磁干扰，在运行中传感线圈应严格屏蔽；–高压传感头需要电源供给。
一旦掉电将停止工作；–罗柯夫斯基线圈直接输出的信号是电流微分信号，不能测量非周期分量。
电子式互感器与光学互感器的比较罗氏线圈互感器电子式互感器与光学互感器的比较低功率互感器电子式互感器与光学互感器的比较相对罗氏线圈固有缺点，法拉第旋光效应的全光式电流互感器（OCT ）具有如下的优点：–具有与电流大小和波形无关的线性化动态响应能力。
–不仅可以测量各种交流谐波，而且可以测量直流量。
–传感头由绝缘材料制成，绝缘性能天然优良。
法拉第旋光效应电流互感器目前需要解决的两大难点：–由于光学材料的温度特性，使得测量精度受到运行环境温度的影响，达不到计量的要求。
–光学传感头结构复杂，使用的光学元件多，较长时间运行后基本光强会逐渐衰减，最终失去光学传感功能，无法在现场长期使用。
电子式互感器与光学互感器的比较较短短相对较长相对较长运行经验较小影响小很小较小振动干扰较小大很小小温度干扰复杂复杂无无光路结构可以测量可以测量可以测量不可以测量非周期分量无源无源有源有源是否有源不受干扰不受干扰不易受干扰易受干扰电磁干扰尚需现场验证尚需现场验证优优长期稳定性良好良好良好良好频率响应特性小大无此问题无此问题线形双折射小大无此问题无此问题光波长影响赛格奈克效应法拉第磁光效应低功率电流互感器罗氏线圈比较项目合并单元数据格式互感器的数据输出一般为光纤串口，且路数较多，以变压器保护为例，一般需要30-40路模拟量，如果互感器直接接入装置，装置需要很多输入接口。
互感器数据最终需要汇集后送到装置的CPU，合并单元将多路互感器数据汇集后输出供装置使用。
合并单元的数据输出的物理接口可以是光纤串口，也可以是光纤以太网。
合并单元可以内置罗氏线圈所需的激光电源。
合并单元数据格式合并单元输出的数据格式有：–IEC60044-7/8–IEC61850-9-1–IEC61850-9-2–IEC61850-9-2LE合并单元数据格式IEC60044-7/8 为串口数据格式，其帧格式固定，为点对点传输。
IEC61850-9-1为以太网数据格式，其帧格式固定，为点对点传输。
IEC61850-9-2为以太网数据格式，其帧格式可变，为点对多传输。
IEC61850-9-2LE为IEC61850-9-2的一个特例，其帧格式固定，为点对多传输。
合并单元数据格式合并单元决定了采样频率，目前使用的一般为24或20的整数倍，常见的有80点/周波、96点/周波、200点/周波、196点/周波。
合并单元输出的数据以帧为单位，每帧数据可以包含一个或多个采样点。
相同的采样频率下，每帧数据包含的采样点数越多CPU的接收负担越轻，但丢失一帧报文造成的影响越大。
常见的有1点/帧、5点/帧。
保护设备的同步的问题采用数字化传感器，采样间隔不受保护控制，成为一个固定值Ts，当采样通道由不同的时钟控制，信号相位会发生漂移。
如图，只要T1s≠Ts，采样值经过一段时间相差T。
T1sTsT以太网的帧传输时延不相等，采用插值不可行。
必须解决时钟同步的问题：1、变压器保护各侧差动保护2、母线保护3、光纤纵差保护合并单元同步合并单元负责同步接入同一合并单元的互感器。
合并单元的数据中没有包含采样的绝对时间，因此可以使用脉冲代替B码进行对时。
一般采用秒脉冲PPS。
对于跨站的同步，例如光纤纵差保护，可以使用GPS，但目前各厂家的保护均可脱离GPS运行，由保护逻辑完成同步运算。
合并单元同步采样部分标准要求的同步精度有±1µs，±4µs，±25µs。
目前的数字化变电站均为试点工程，枢纽站尚未开展数字化的尝试，同步的精度均按保护装置的需求设计，暂时不满足PMU要求。
合并单元数据格式互感器到合并单元的接口一般为光纤串口，其通信协议在IEC61850中未作规定，属于各厂家私有协议。
一般合并单元均由互感器厂家供货。
对于其他厂家的互感器和四方公司的合并单元配合时，一般需要作联调试验验证通信归约。
互感器的接入对于新建的数字化变电站，由于其互感器采样了非常规互感器，可以使用普通合并单元直接接入，保护装置的接口全部为数字接口。
对于改造工程，存在部分互感器为传统互感器的情况，此时使用可以接入模拟量的合并单元将其接入，保护装置的接口仍然全部为数字接口。
合并单元配置原则合并单元的配置原则取决于输出数据包括的内容。
以IEC861850-9-1为例，其包括了双母线/单母线一个间隔的模拟量，合并单元按间隔配置，每台PT配置1个合并单元。
配置合并单元需要考虑模拟量的完整性，独立性、灵活性，同时受互感器输出串口个数的限制。
互感器工程应用电子式互感器：天水平南、盘锦三角洲、唐山郭家屯、河北大名、天津陈甫、河北安新、佛山西江嘉兴田乐。
光学互感器：嘉兴田乐、上海封周、上海徐行变工程应用：郭家屯数字化变电站工程实施单位–郭家屯站是华北电网公司的重点科技项目、标杆示范工程。
–主要参与实施的单位包括华北电网公司、唐山供电公司、华北电力设计院。
–系统集成商为北京四方公司。
系统规模–220kV主接线为双母线接线，变压器3×180 MVA，出线4回。
–110kV主接线为双母线接线，出线14 回。
–10kV主接线：第一、二台主变压器10千伏侧采用单母线分段接线，第三台主变压器采用单母线接线。
工程应用：郭家屯数字化变电站全站框架：三层两网、双套独立、测保合一工程应用：郭家屯数字化变电站唐山郭家屯变电站1）完整3层结构2）ECT/EPT,智能单元，合并单元3）保护GOOSE网络跳闸，采样值组网4）全面取消二次电缆硬链接5）220kV测保一体化6）以分散录波方式解决了数字化变电站集中录波技术难题7）网络化方式实现的变压器非电量保护8）数字化变电站条件下实现程序化控制9)使用SNMP协议管理全站的交换机工程应用：郭家屯数字化变电站主要问题就地安装问题：装置参数提高、使用户外柜。
应用问题：标准只规定了服务内容和数据格式，与运行、检修、管理相关的内容需要进一步探索。
就地安装间隔层设备（保护、测控）在控制室安装，装置参数无需重大变更。
间隔层设备（合并单元、智能终端）就地安装，温度、湿度参数提高，防护等级需求通过增设户外柜实现。
所有设备均通过10项EMC指标的最高等级测试。
技术亮点以太网技术：使用方式灵活，容易获得相关设备。
IEC61850：GOOSE和SV代替传统的电缆信号光纤：大量使用光缆代替电缆，解决电缆带来的伴生问题。
推荐做法一般以监控系统厂家为系统集成商，统一负责全站设备集成。
借鉴国内数字化领域探索的经验。
在管理、检修和运行维护方面积极探索。
工程应用：浙江兰溪数字化变电站浙江兰溪500kV变电站1）首个500kV数字化变电站2）采用了GOOSE跳合闸、传统采样方式3) 智能操作箱就地下放到户外柜4）电科院模拟实际系统进行了动模实验工程应用：上海封周数字化变电站 上海封周110kV变电站1）110kV进线、主变传统、数字式保护各一套2）10kV保护使用传统跳闸方式，采样使用小信号互感器组网结构过程层交换机和站控层交换机独立设置； 过程层采用100M多模光纤以太网；组网结构分层分布，按间隔配置交换机：造价高，风险分散。