趙 園,蔚曉明,鄭 蕓

(1.山西電力科學(xué)研究院,山西太原 030001;2.山西省電力公司,山西太原 030001)

非常規(guī)互感器對二次系統(tǒng)的影響

趙 園1,蔚曉明1,鄭 蕓2

(1.山西電力科學(xué)研究院,山西太原 030001;2.山西省電力公司,山西太原 030001)

針對非常規(guī)互感器在二次系統(tǒng)應(yīng)用方面與傳統(tǒng)互感器進行了比較;分析了非常規(guī)互感器對數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)各個方面的影響,說明了非常規(guī)互感器自身特性與二次設(shè)備原理相結(jié)合的研究是數(shù)字化變電站的一項關(guān)鍵技術(shù)。

非常規(guī)互感器;數(shù)字化變電站;二次系統(tǒng)

0 引言

數(shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)用的主要標(biāo)志之一就是在電流電壓的采集環(huán)節(jié)采用非常規(guī)互感器,國際上將區(qū)別于電磁式電流電壓互感器的新一代互感器統(tǒng)稱為非常規(guī)互感器NCIT(Non Coventional Instrument Transformer)[1]。光電子、光纖通信和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,推動了數(shù)字化電氣測量技術(shù)的研究。數(shù)字化電氣測量系統(tǒng)由電壓和電流變換器、數(shù)字信號處理器以及它們之間的連接電纜 (包括光纜)組成,其中的電壓和電流變換器可以通過不同的物理原理來實現(xiàn)。

非常規(guī)互感器有兩種基本類型[2],即電子式互感器和電光效應(yīng)互感器。其最大特點就是可以輸出數(shù)字信號,直接用于微機保護和電子式計量設(shè)備,去除了許多中間環(huán)節(jié),適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要。這種互感器動態(tài)范圍較大,能同時滿足測量和保護的要求。由此可見,非常規(guī)互感器的使用,將會給變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展帶來重要的推動作用。

1 非常規(guī)互感器的基本特點

目前已經(jīng)進入實際工程應(yīng)用的非常規(guī)互感器主要有:有源電子式互感器主要是羅科夫斯基空心線圈的電流互感器ECT(Electrical Current T ransformer),電子式電壓互感器 EVT(Electrical Voltage Transformer)采用電阻或電容分壓技術(shù);光電式電流互感器 OCT(Optics Current T ransformer)有法拉第磁光效應(yīng)和賽格耐克效應(yīng),光電電壓互感器OVT(Optics Voltage T ransformer)采用普克爾效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

非常規(guī)互感器分為有源和無源兩個系列,有源系列的稱為電子式電壓/電流互感器 (EVT/ECT),其特點是需要向傳感器提供電源;無源系列的主要指法拉第效應(yīng)光學(xué)測量原理的電流互感器,又稱為光電式電壓/電流互感器,其特點是無需向傳感頭提供電源。

光電式電流變換是利用石英晶體的法拉第效應(yīng),即光束通過磁場作用下的晶體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),測量光線的旋轉(zhuǎn)角度來測量電流,而光電式電壓變換是利用石英晶體的普克爾效應(yīng)測量電場強度來測量導(dǎo)線對地電壓。此外,還有基于逆壓電效應(yīng)原理的光電式電壓互感器。

非常規(guī)互感器具有下列優(yōu)點。

a)高低壓完全隔離,安全性高,具有優(yōu)良的絕緣性能。電磁式互感器的高壓信號與二次線圈之間通過鐵芯耦合,因此絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜;非常規(guī)互感器將高壓信號通過絕緣性能良好的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備,絕緣結(jié)構(gòu)大大簡化。

b)不含鐵芯,消除了磁飽和以及鐵磁諧振等問題。非常規(guī)互感器在原理上與傳統(tǒng)互感器有著本質(zhì)的區(qū)別,一般不用鐵芯做耦合,因此消除了磁飽和以及鐵磁諧振現(xiàn)象,互感器運行暫態(tài)響應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性好,保證了系統(tǒng)運行的高可靠性。

c)抗電磁干擾性能好。非常規(guī)互感器的高壓側(cè)與低壓側(cè)只存在光纖聯(lián)系,高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離,互感器具有良好的抗電磁干擾能力。電磁干擾對羅氏線圈本身有一定的影響。電容分壓式的測量誤差容易受到對地雜散電容的影響,而且其暫態(tài)特性存在俘獲電荷和電壓過零誤差較大的現(xiàn)象。

d)動態(tài)范圍大,測量準(zhǔn)確度高。電網(wǎng)的正常運行電流和故障短路電流相差很大,電磁式電流互感器由于存在磁飽和問題,難以實現(xiàn)大范圍測量。非常規(guī)互感器有很寬的動態(tài)范圍,可以同時滿足測量和繼電保護的要求。

e)頻率響應(yīng)特性好。非常規(guī)互感器的頻率響應(yīng)范圍主要取決于相關(guān)電子電路部分,頻率響應(yīng)范圍較寬;非常規(guī)互感器可以測出高壓電力線上的諧波,還可以進行電網(wǎng)電流暫態(tài)、高頻大電流與直流的測量,而電磁式互感器是難以進行這方面工作的。羅氏線圈、法拉第磁光效應(yīng)與賽格耐克效應(yīng)均有很好的頻率響應(yīng)特性。

f)法拉第磁光效應(yīng)與賽格耐克效應(yīng)均可以對含有非周期分量的線路電流進行測量,而羅氏線圈無法測量非周期分量。

g)法拉第磁光效應(yīng)、普克爾效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的測量誤差受溫度影響較大。

h)沒有因沖油而潛在的易燃、易爆缺陷,體積小、重量輕[1]。

2 非常規(guī)互感器對二次系統(tǒng)的影響

2.1 對智能電子裝置的影響

數(shù)字化變電站中的自動化系統(tǒng)是由基于微電子技術(shù)的智能電子裝置IED(Intelligent Electronic Device)和后臺控制系統(tǒng)所組成的變電站運行控制系統(tǒng),包括監(jiān)控、保護、電能質(zhì)量自動控制等多個子系統(tǒng)[1]。

數(shù)字輸出的光電式互感器與變電站監(jiān)控、計量、保護裝置的通信通過合并單元實現(xiàn),給二次設(shè)備提供同步的電壓、電流信號。非常規(guī)互感器對IED的影響主要有以下幾個方面。

a)合并單元、儀用傳感器單元作為底層基本處理單元,使得變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了全新的數(shù)字通信。

b)簡化了二次設(shè)備。傳統(tǒng)互感器的模擬信號傳送到數(shù)字保護裝置,需要經(jīng)過采樣保持、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換;非常規(guī)互感器送出的是數(shù)字信號,可以直接被數(shù)字裝置接收,省去了數(shù)字信號變換電路,簡化了IED的硬件結(jié)構(gòu)。

c)可以消除電氣測量數(shù)據(jù)傳輸過程引起的誤差。電磁式互感器的誤差受到二次負(fù)載、負(fù)荷電流(對電流互感器)等影響;而非常規(guī)互感器的誤差僅僅是傳感器本身的誤差。

d)非常規(guī)互感器的使用,實現(xiàn)了一、二次真正的隔離,由于使用光纜傳輸信號,徹底解決了經(jīng)過傳導(dǎo)、感應(yīng)和耦合帶來的對二次設(shè)備的電磁干擾問題,而且可以利用光纜傳輸上傳能量。

e)非常規(guī)互感器可以同時滿足小量程和故障時大電流的測量精度要求,具有較大的動態(tài)測量范圍,可以解決測控單元與保護裝置之間,以及電網(wǎng)動態(tài)測量系統(tǒng)與故障錄波系統(tǒng)之間的集成問題。

f)實現(xiàn)完全的分布式布置。應(yīng)用非常規(guī)互感器,可以將就地數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到所有一次設(shè)備上,大大簡化了分布式布置方案。

g)原來由間隔層的IED完成的模擬輸入模塊、低通濾波模塊、數(shù)據(jù)采樣及A/D轉(zhuǎn)換等功能下放到過程層,由非常規(guī)互感器數(shù)字信號處理單元完成,直接輸出數(shù)字信號,省略了IED的電壓形成回路、采樣保持 (S/H)和A/D轉(zhuǎn)換,與IED的接口得以簡化,如圖1所示。

圖1 光電互感器(OCT)與IED數(shù)據(jù)接口

2.2 對二次回路的影響

使用傳統(tǒng)互感器時需要大量的電纜與二次系統(tǒng)連接,用以傳輸來自一、二次設(shè)備的交流電氣測量和控制信號。非常規(guī)互感器直接采用光纜傳輸電氣信號,對二次回路的影響主要有以下幾個方面。

a)光纜本身沒有極性問題,一、二次的極性是由安裝位置決定的。

b)不存在絕緣電阻的問題,無需測試回路的絕緣電阻。

c)采用非常規(guī)互感器后,數(shù)據(jù)的傳輸均帶有識別標(biāo)記,確保不會錯誤使用數(shù)據(jù),因此,無需進行二次回路的接線檢查。

d)整個光纜回路是全絕緣的,沒有接地要求,減少了現(xiàn)場檢查接地的工作量。

e)采用非常規(guī)互感器后,克服了傳統(tǒng)互感器誤差受二次負(fù)載大小的影響,只要合并單元的輸出接口足夠多,均可輸出信號給不同的裝置,不存在容量要求限制。

f)非常規(guī)互感器不存在鐵芯飽和和二次回路斷線的問題,因此,減少了現(xiàn)場針對電流互感器CT(Current T ransformer)飽和和斷線的試驗。

2.3 對保護實現(xiàn)原理的影響

對于常規(guī) CT,差動保護的不平衡電流的大小,與兩側(cè)電流互感器的勵磁特性的不一致性有關(guān),其差異性越大,由于鐵芯飽和造成的不平衡電流也越大。為了保證差動保護的正確動作,通常需要測量和繪制電流互感器的10%誤差曲線,依此選擇互感器的二次負(fù)載阻抗值。

對于母線保護,電磁式互感器VT(Voltage T ransforme r)對各種頻率分量的傳變特性并不一致,特別是不能有效傳變非周期分量,當(dāng)發(fā)生鐵芯飽和時,也不能有效傳變周期分量。非常規(guī)互感器的高保真?zhèn)髯兲匦詾樗矔r值母線差動保護提供了保障,由于不會發(fā)生飽和,沒有勵磁電流引起的不平衡電流,可以簡化母差保護實現(xiàn)原理。

對于變壓器保護,變壓器差動保護要求能夠正確區(qū)分勵磁涌流與故障電流,勵磁涌流中含有較大的非周期分量,因此,利用光電型互感器可以高保真地傳變直流和高頻分量的特性,根據(jù)勵磁涌流發(fā)生時電流的非周期分量大而故障時非周期分量小的特點,有效地對勵磁電流和故障電流進行判別。變壓器兩側(cè)的電磁型電流互感器的暫態(tài)特性誤差不一致,增大了差動保護的暫態(tài)不平衡電流。采用非常規(guī)互感器后,可以把各個互感器的暫態(tài)誤差控制到很小。

常規(guī)CT的飽和問題是引起線路分相電流差動保護誤動的原因之一,對過流保護尤其反時限過流保護影響較大,電磁式互感器的飽和使得二次電流畸變,影響到相位角的測定,而非常規(guī)互感器沒有飽和的問題。

距離保護的判據(jù)是電流中含有非周期分量,電磁式互感器不能有效傳變非周期分量,解決方法是增大數(shù)據(jù)窗來減小測距誤差,從而影響到距離保護的快速性。非常規(guī)互感器的應(yīng)用可使基于微分方程原理的阻抗算法縮短數(shù)據(jù)窗,提高動作速度。

在發(fā)生短路故障時,電磁式電壓互感器的暫態(tài)誤差很大,造成故障測距不準(zhǔn)確,而非常規(guī)互感器的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)誤差均能達到0.2%,同時,其優(yōu)越的寬帶特性尤其適合行波測距。

2.4 對計量系統(tǒng)的影響

傳統(tǒng)計量方式的誤差包含了電能表的誤差,電流電壓互感器的測量誤差,電壓互感器二次導(dǎo)線壓降所引起的誤差;與傳統(tǒng)計量方式相比較,采用非常規(guī)互感器的電能計量方式發(fā)生了重大變革,其計量誤差僅僅為傳感器自身的傳變誤差,而且測量誤差可以控制的很小,線性度很好,量程可以很寬。

圖2是兩種計量方式誤差比較的示意圖。圖2中的a圖為傳統(tǒng)互感器與傳統(tǒng)電能表構(gòu)成的計量系統(tǒng),b圖為由非常規(guī)互感器和全數(shù)字系統(tǒng)組成的計量系統(tǒng)。可以看出,由非常規(guī)互感器組成的數(shù)字式計量系統(tǒng)的誤差減小了。

圖2 兩種計量方式誤差比較示意圖

非常規(guī)互感器二次采用數(shù)字輸出,把電流、電壓采樣信號用數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到二次表計 (數(shù)字式電能表)。

電子式電能表的核心計量芯片按照工作原理可以分兩種。

a)采用數(shù)字信號處理單元DSP(Digital Signal Processing)技術(shù),以數(shù)字乘法器為核心的數(shù)字式計量芯片,它運用了高精度A/D轉(zhuǎn)換器、可編程增益控制等新技術(shù)。

b)以模擬乘法器為核心的模擬計量芯片。

數(shù)字式計量芯片在計量準(zhǔn)確度、線性度、穩(wěn)定性、抗干擾性、溫度漂移和時間漂移等方面,遠優(yōu)于模擬芯片,數(shù)字式電能表取代模擬式電能表將是大勢所趨。

2.5 對網(wǎng)絡(luò)通信的影響

非常規(guī)互感器對站內(nèi)通信系統(tǒng)的影響和改進有以下幾方面。

2.5.1 信息通信方式的改變

非常規(guī)互感器的應(yīng)用將直接改變變電站通信系統(tǒng)的通信方式,特別是過程層一次設(shè)備與間隔層二次設(shè)備的通信方式。傳統(tǒng)的信號以模擬量送到間隔層,同一個TA/TV可能連接到多個不同設(shè)備上,造成二次接線復(fù)雜,互感器二次負(fù)載加重的問題。利用非常規(guī)互感器輸出數(shù)字信號,使用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)對等通信方式,完全取代二次電纜,徹底解決二次接線復(fù)雜現(xiàn)象,可實現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)共享。光電互感器的接口設(shè)計方便,利用模塊化和面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)硬件。軟件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計滿足不同傳輸介質(zhì)和各種通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的需求,有靈活的擴展性和自適應(yīng)性,這是傳統(tǒng)互感器所不具備的。

2.5.2 對通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站通信體系,分為變電站層、間隔層和過程層。站控層總線處理變電站和間隔層的通信,過程層總線處理間隔層和過程層的通信以及合并單元與二次設(shè)備之間的串行單向多點通信。

通信方式的改變使得變電站自動化系統(tǒng)由兩層結(jié)構(gòu)變?yōu)槿龑咏Y(jié)構(gòu)。目前,比較先進的變電站自動化系統(tǒng)都采用分層分布式結(jié)構(gòu)。

2.5.3 對通信網(wǎng)絡(luò)要求的提高

由于間隔層和過程層之間的通信頻繁,主要為一次電壓電流采樣實時數(shù)據(jù)、設(shè)備控制命令、設(shè)備檢測和診斷數(shù)據(jù)等重要實時數(shù)據(jù),為保證數(shù)據(jù)的實時傳輸,必須采用速率較高的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)束語

隨著光電子技術(shù)的不斷進步,非常規(guī)互感器的制作工藝日益成熟,制造成本不斷下降,大規(guī)模的走向?qū)嶋H運用是必然趨勢。非常規(guī)互感器種類較多,其自身特性與二次設(shè)備原理相結(jié)合、相適應(yīng)的研究是數(shù)字化變電站的一項關(guān)鍵技術(shù)。

[1] 高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2008:36-68.

[2] 袁季修.保護用電流互感器應(yīng)用指南[M].北京:中國電力出版社,2004:118-148.

The In fluence of NCIT on Secondary System

ZHAO Yuan1,YU Xiao-m ing1,ZHENG Yun2
(1.ShanxiElectric Power Research Institute,Taiyuan 030001,China;2.Shanxi Electric Power Company,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

By comparing non conventional and conventional instrument transformer in terms of their app lications to secondary system,this paper analyses the in fluences of NCIT on the secondary system of digital substation and illustrates that the study on the property of NCIT combined with secondary equipment princip le is a key technology of digital substation.

Non Coventional Instrument Transformer;digita l substation;secondary system

TM 64

A

1671-0320(2010)03-0025-04

2009-12-29,

2010-04-28

趙 園 (1965-),男,天津人,1992年畢業(yè)于華北電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè),高級工程師,主要研究方向為電能計量技術(shù);

蔚曉明 (1964-),男,山西汾陽人,1986年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè),高級工程師,主要研究方向為電能計量技術(shù);

鄭 蕓 (1966-),女,河南新鄭人,1995畢業(yè)于中共中央黨校經(jīng)濟管理專業(yè),高級經(jīng)濟師,從事電網(wǎng)工程技術(shù)管理工作。