变电站数字化管理技术

康本亭

摘要：数字化变电站是当前变电站研究的热点，它集中了当前变电站发展的最新技术：非常规互感器、智能化开关、网络技术等，本文对此进行了探讨。

关键词：互感器智能断路器技术网络技术

1非常规的互感器

随着计算机和数字技术的发展，数字式控制和保护装置已广泛用于电力系统，它的输入仅需要土SV电压和mw级功率，电力计量与继电保护已日渐实现自动化、微机化。电磁式电流互感器的SA或IA输出必需经过相应的隔离变换才能与数字化保护和测控设备接口，而非常规互感器本身就是利用光电技术的数字化设备，可直接与数字化保护和测控设备接口，避免中间环节。非常规互感器具有如下一系列优点：①高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能。电磁式互感器的被侧高压信号与二次线圈之间通过铁芯祸合，绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。非常规互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化，电压等级越高其性价比优势越明显。非常规互感器利用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。②不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题。电磁式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问题。非常规互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用铁芯做磁祸合，因此，消除了磁饱和及铁磁谐振现象，从而使互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。⑧抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压危险电磁式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路危险。非常规互感器的高压侧与低压侧之间只存在光纤联系，信号通过光纤传输，高压回路与二次回路在电气上完全隔离，互感器具有较好的抗电磁干扰能力，低压侧无开路引起的高电压危险。④动态范围大，测量精度高。电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路电流越来越大。电磁式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，一台互感器很难同时满足测量和继电保护的需要。非常规互感器有很宽的动态范围，一台非常规互感器可同时满足测量和继电保护的需要。⑤频率响应范围宽。非常规互感器的频率范围主要取决于相关的电子线路部分，频率响应范围较宽。非常规互感器可以测出高压电力线上的谐波，还可进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量，而电磁式互感器是难以进行这方面的工作的。

2智能断路器技术

数字化变电站技术的发展对于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口设备应运而生，或可称为智能断路器控制装置，主要实现目前操作箱的基本功能，并实现就地化布置，同时，由于智能操作箱引入了微电子技术、计算机技术，因此，除完成基本操作功能外，还可以有效地实现对于断路器状态的监视。如断路器跳合闸回路的完好性，断路器操作次数统计，弹簧储能状态，SF6气体压力等，并可具备监视数据的分析功能，机械磨损，电气磨损，气体泄漏，趋势图，线圈监视等。如果从合并单元引入电流、电压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，并更好地判断断路器的运行状态。智能操作断路器是在现有断路器的基础上引入智能控制单元，它由数据采集、智能识别和调节装置3个基本模块构成。(见图1)

图中实线部分为现有断路器和变电站的有关结构和相互关联。智能识别模块是智能控制单元的核心，由微处理器构成的微机控制系统，能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，自动地识别当次操作时断路器所处的电网工作状态，根据对断路器仿真分析的结果决定出合适的分合闸运动特性，并对执行机构发出调节信息，待调节完成后再发出分合闸信号；数据采集模块主要由新型传感器组成，随时把电网的数据以数字信号的形式提供给智能识别模块，以进行处理分析；执行机构由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，用来调整操动机构的参数，以便改变每次操作时的运动特性。此外，还可根据需要加装显示模块、通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作断路器的智能化功能。这种智能操作要求断路器具有机构动作时间上的可控性，目前断路器常用的气动操作机构，液压操作机构和弹簧操作机构由于中间转换介质等因素，控制时间离散性大，其运动特性很难达到理想的可控状态。采取电磁操作机构的断路器利用电容储能、永磁保持、电磁驱动、电子控制等技术，当机构确定后运动部件只有一个，没有中间转换介质，分合闸特性仅与线圈参数相关，可以通过微电子技术来实现微秒级的控制，通过对于速度特性控制实现断路器的智能化操作。

3网络通信技术

通信技术是变电站自动化系统信息传输的基础，所采用的技术必须满足变电站内通信网络传输时间要求，对数字化变电站有重要影响的网络技术主要有：①交换式以太网技术。变电站内数据流方向，既有同一层横向数据交换，也有层和层之间纵向数据交换。不同层次不同方向的数据交换其数据流量、时间响应特性要求也各不相同。国外专门对比研究了普通以太网和令牌总线网的性能，结论是在网络负荷小于25％情况下，以太网响应时间要比令牌总线网络快得多。②IEEE802.1P排队特性。实时数据和非实时数据在同一个网络中传输时，容易发生竞争服务资源的情况。IEEE802.1P排队特性采用带IEEE802.1Q优先级标签的以太网数据帧，使得具有高优先级的数据帧获得更快的响应速度。该技术使得数字化变电站过程总线和变电站总线有可能合并为同一个物理网络。③虚拟局域网VLAN。VLAN是一种利用现代交换技术，将局域网内的设备逻辑地，而不是物理地划分成多个网段的技术。这样，变电站中控制网段和非控制网段可以从逻辑上划分，而不需依赖物理组网方式以及设备的安装位置，从而有效保证了控制网段的安全性。④快速生成树协议IEEE802.1w。传统的以太网拓扑中不能出现环路，因为由广播产生的数据包会引起无限循环而导致阻塞。环路问题依靠生成树算法解决。快速生成树协议使算法的收敛过程从1min降低到1—10s。这样，在变电站网络中可以采用多种冗余链路设计，以促证网络的可靠性。网络系统是数字化变电站的神经系统，其可靠性、寥时性和安全性直接决定了数字化变电站系统的可用性。

总之，相对常规变电站自动化技术，数字化技术使变电站获得以下优势：①信息传输可靠性高；②二次接线简单：③测量精度高。④共用统一信息平台，减少重复设备；⑤便于功能扩充；⑥管理自动化。目前，国内数字化变电站系统的应用和实施尚处于探索、起步阶段，尤其是过程层和间隔层IED之间数字通信方案还停留在开发研究的初期，还需要相关专家、从业人员不断的努力和探索。