数字化水电站互感器解决方案研究

2018-12-04古树平吴明波李天平

水电站机电技术 2018年11期

古树平，吴明波，李天平

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明650214）

互感器是水电站信息采集的重要环节，其数字化问题关系到水电站能否实现基础信息采集数字化。互感器数字化广义上包括设备本体数字化和数据传输数字化，解决好这两方面问题对数字化水电站至关重要。

水电行业一直致力于数字化水电站的理论和方案研究，并适时推进关联设备的研发[1-4]。数字化水电站的定义尚未统一，作者所在单位联合相关建设单位开展了专项研究，将其暂定义为：以主要机电设备为数字化对象，按照IEC61850（DL/T860）标准分为站控层、单元层、过程层构建；采用电子式互感器、智能终端、数字化自动化元件或者数字化采集单元等具有数字化接口的智能机电设备，以网络通信平台为基础，采用IEC61850（DL/T860）数据建模和通信协议；实现水电站监测信号、控制命令、保护跳闸命令的数字化采集、传输、处理和数据共享，达到信息数字化、通信网络化、集成标准化的水电站。

互感器的数字化需从数字化水电站关联的设备需求入手，针对水电站的特点寻求满足各系统接口要求的解决方案。

1 常规互感器存在的问题

常规互感器即电磁式电流、电压互感器，其应用已非常成熟，电力行业的技术发展进步使常规互感器逐步显现出局限性，主要表现为：

（1）电磁式电流互感器存在饱和问题，引起铁心饱和原因诸多，例如一次电流过大、电流频率过低、二次电缆过长等。铁心一旦饱和，一、二次电流间失去线性关系，使得保护单元无法准确采集电流，可能导致差动等保护误动。铁心饱和还衍生出CT动态范围存在局限性、精度易受负载影响等问题。电磁式电流互感器二次绕组不允许开路，否则会产生高电压，对运维人员的人身安全造成威胁。此外，其二次输出为小电流模拟量，容易受到干扰，在长距离传输时衰减程度较高。

（2）电磁式电压互感器因铁心的非线性易引起铁磁谐振，产生谐振过电压，将损坏设备，存在安全隐患，需要靠回路电阻去限制过电压幅值，或在一次回路设置消谐器或二次回路加装微机消谐装置，存在不可控因素。电磁式电压互感器二次侧不允许短路运行，否则二次侧电流迅速增大，将可能损坏互感器，同时危及运行操作人员的安全。

（3）常规互感器与一次系统直接联系，在制造及实施过程中绝缘问题尤为重要，随着电压等级的提高，绝缘结构复杂、绝缘水平的要求也随之提高。为提高绝缘水平，通常要牺牲对体积和重量的控制，高电压等级的电磁式互感器，往往体积大、质量重，对安装和运行维护带来影响。

（4）为满足测量、保护等系统的需求，电磁式互感器往往具有多个二次绕组，带来大量电流、电压量的重复采集以及大量电缆的使用，二次回路通常非常复杂，不利于二次系统的检修维护，也容易产生电磁干扰。此外，对于电磁式电流互感器，还存在同一个二次绕组供多个装置使用的情况，造成CT回路串接，灵活性差且容易产生安全问题。

2 电子互感器特点及应用现状

（1）类型

根据一次转换器部分是否需要工作电源，电子式互感器可分为有源式和无源式2大类。根据二次传感器原理，有源电子式电流互感器包括基于电磁感应原理的罗氏线圈型和低功率线圈型2类，无源电子式互感器包括基于磁光效应的全光纤型和磁光玻璃型2类；有源电子式电压互感器包括电容分压型和电阻分压型，无源电子式电压互感器分为基于逆压电效应的光线型和基于普克尔效应的电光晶体型[5-6]。

（2）信息采集及输出

电子式互感器通过自身集成的传感器及转换模块实现就地信息数字化，信息的输出需借助配套设备合并单元。信息采集及输出如图1所示。

图1 电子式互感器信息采集、输出示意图

合并单元是实现电子式互感器与保护、测控及录波等二次设备接口的关键装置，通过合并单元将电流电压数据传输至网络共享或直接送至其他智能装置。合并单元可同时接受并处理三相电流和三相电压信号，并按IEC60044-8或IEC61850-9-2标准输出给二次设备使用，其接受外部公共时钟同步信号的接口，实现独立采样的三相电流和三相电压信号的同步[7]。合并单元接口如图2所示。

图2 合并单元接口示意图

（3）优势

电子式互感器是一种基于现代电子学、光学技术基础上的新型互感器，其特点及与常规互感器的区别主要表现见表1。

表1 电子式互感器与常规互感器比较表

（4）应用现状

电子式互感器从2010年启动智能变电站、数字化变电站建设开始到现在已得到大量应用，其中有源电子式互感器技术较为成熟，在变电领域各种电压等级（10～1000 kV）、各种应用场合（AIS、GIS等）均有应用[8-10]；而光学电流互感器总体还处于试点应用阶段，光学电压互感器多数厂家处于研制过程中，暂不具备使用条件。目前国内生产电子式互感器的设备厂家主要有南瑞继保、许继电气、国电南自、长园深瑞等，各自产品均已在工程中得到应用。

在发电厂领域，也有工程尝试采用了电子式互感器。比较有代表性的为沙河抽水蓄能电站、观音岩水电站、谏壁火力发电站，上述项目在机组中性点试点使用了柔性光学电子式电流互感器，目前运行较为稳定，但长期可靠性还需时间检验。

水电站与变电站有类似的开关站结构，互感器的应用场景和关联的二次系统设备均相似，将电子式互感器引入到水电站中具备理论基础和现实经验。有此基础，数字化水电站信息采集环节可突破传统限制，采用新的模式。

3 电子式互感器数据传输接口

互感器关联的水电站二次系统设备主要包括监控、保护、调速、励磁、同期等系统，数字化水电站中的上述设备均为数字化设备，因此，互感器需在数字化水电站自动化体系结构前提下，满足各系统的数字化接口需求。

电子式互感器位于数字化水电站自动化体系结构的过程层，承担为保护、测控、调速、励磁及同期等智能装置提供基础数据的任务。电子式互感器数据传输方式，主要体现为其配套的合并单元与其他智能装置之间的信息传输接口模式。

合并单元与其他智能装置的接口存在2种方式，一种是合并单元与智能装置之间点对点光纤通信，即“直采”模式；一种是合并单元接入SV网交换机，智能装置通过SV网采集数据，即“网采”模式，2种采集实现方式如图3、4所示。

图4 网采模式示意图

无论数字化水电站的保护、测控、调速、励磁及同期等智能装置要求采用“直采”还是“网采”模式，电子式互感器通过合并单元均能实现。数字化水电站各系统的智能装置根据自身需求选择合适的数据采集模式，本文主要论述网采模式。

4 数字化水电站互感器解决方案

根据水电站的物理条件以及数字化水电站的体系结构，选择在合适部位装设电子式互感器，以满足各系统的数字化需求，下面分区域论述数字化水电站的互感器解决方案。

4.1 发变组互感器数字化

发变组部分的互感器配置方案为：机组机端、主变两侧、主变中性点均采用有源电子式电流、电压互感器。对于机组中性点电流互感器，在安装空间充足时可采用有源电子式互感器，安装条件受限时可采用柔性光学电流互感器。

发变组部分的电子式互感器主要与机组励磁、调速、保护及监控系统（机组LCU）存在接口联系。需要特别说明的是，主变高压侧电子式电流互感器数据除需送至机组SV网外，还需同时送至开关站SV网，以满足开关站母线保护及故障录波装置的需求。发变组部分的电子式互感器解决方案如图5所示。

图5 发变组电子式互感器配置及接口示意图

4.2 开关站互感器数字化

开关站部分的互感器配置方案为：高压母线、线路、3/2接线各间隔等均采用有源电子式互感器。开关站部分的电子式互感器主要与开关站保护、测控存在接口联系。开关站部分的电子式互感器解决方案如下页图6所示。

对于保护、安稳等智能装置对互感器数据源有双重化要求时，电子式互感器从传感线圈、转换器到合并单元均需按双套配置，合并单元和开关站SV网双网之间采用单套对单网的连接方式，以保证采样值数据源输入具有独立性。主变高压侧电流及高压母线电压数据同时送开关站、机组SV网，以满足各自智能装置所需。

开关站部分的电子式互感器通过合并单元接入SV网，其他智能装置均通过SV网获取电流、电压数据，传输介质采用全光纤，实现了数据的网络共享，避免了信息的重复采集，大大简化了开关站的二次系统。对3/2接线的500 kV开关站，电子式互感器接口关系与图6类似，不再赘述，只是在母线电压的获取环节稍有不同。

图6220 kV开关站电子式互感器配置及接口示意图

需要注意的是，开关站需配置母线电压合并单元，根据开关站接线形式确定其是否应具备电压并列功能，各间隔所需母线电压量主要用于检同期。

采用双母线接线的220 kV开关站，其电压并列、切换方式为：母线电压合并单元通过GOOSE网络接收断路器及刀闸位置信息，并列后通过光纤点对点方式将并列后电压输送至各间隔合并单元。各间隔合并单元通过GOOSE网络接受本间隔刀闸位置信息，经判断后将并列后的I、II母电压切换成一路母线电压，进而再输送给保护、测控装置使用。