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1、华北电力大学电气与电子工程学院肖仕武教5楼B309North China Electric Power University智能变电站技术案例 智能化变电站概述智能化变电站概述- -定义定义 智能变电站技术导则智能变电站技术导则给出的定义：采用先进、可靠、给出的定义：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、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、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、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要
2、支持电网实时自动化控制、智能调节、在线分析决策、协同支持电网实时自动化控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。互动等高级功能的变电站。智能变电站派生于智能电网智能变电站派生于智能电网智能变电站技术导则是智能变电站建设的纲领性技术指导文智能变电站技术导则是智能变电站建设的纲领性技术指导文件，是总的指导性原则。是其它智能变电站技术标准规范的件，是总的指导性原则。是其它智能变电站技术标准规范的基础。基础。 智能变电站与传统的变电站的差异智能变电站与传统的变电站的差异 (1)(1)智能变电站系统应是一种面向服务的架构智能变电站系统应是一种面向服务的架构 (SOA)(SOA)(2)(2
3、)建立起以设备为对象的分布式智能节点。实现既分布又协建立起以设备为对象的分布式智能节点。实现既分布又协同的信息共享机制。同的信息共享机制。(3)(3)从业务需求出发从业务需求出发, ,把技术问题、经济问题、管理问题统筹把技术问题、经济问题、管理问题统筹考虑。实现能量流、信息流、业务流一体化。考虑。实现能量流、信息流、业务流一体化。(4)(4)通过智能电子装置（通过智能电子装置（IEDIED） 整合有价值的能量流、信息流。整合有价值的能量流、信息流。突出标准化规范化突出标准化规范化, ,强调功能性和互操作性强调功能性和互操作性, ,提供模型统一、提供模型统一、规约统一、时标统一、来源唯一的高品质
4、基础信息。规约统一、时标统一、来源唯一的高品质基础信息。(5)(5)智能变电站作为智能电网的基础环节，将统一和简化变电智能变电站作为智能电网的基础环节，将统一和简化变电站的数据源，形成基于同一断面的唯一性、一致性基础信息，站的数据源，形成基于同一断面的唯一性、一致性基础信息，以统一标准方式实现变电站内外的信息交互和信息共享，形以统一标准方式实现变电站内外的信息交互和信息共享，形成纵向贯通、横向互通的电网信息支撑平台，并提供以此为成纵向贯通、横向互通的电网信息支撑平台，并提供以此为基础的多种业务应用。基础的多种业务应用。( (尤其要强调尤其要强调) )智能变电站与传统的变电站的差异智能变电站与传
5、统的变电站的差异 (6)(6)采用更加高速采用更加高速( (快速以太网快速以太网) )和更加经济的技术手段和更加经济的技术手段, ,传输传输变电站内外信息变电站内外信息, ,包括与变电站包括与变电站, ,相关电源相关电源, ,负荷及线路的信息。负荷及线路的信息。掌握整个电网的状态。掌握整个电网的状态。(7)(7)将高级调度中心的部分功能下放到智能变电站实现。智能将高级调度中心的部分功能下放到智能变电站实现。智能变电站系统管理好站内网络数据的同时可以根据运行需求，变电站系统管理好站内网络数据的同时可以根据运行需求，以更高的频率来储存数据以更高的频率来储存数据, ,实现基于实时数据仓库的数据挖掘，
6、实现基于实时数据仓库的数据挖掘，完成智能电网所要求的高级分析和优化功能。完成智能电网所要求的高级分析和优化功能。(8)(8)智能变电站智能变电站(Smart Substation )(Smart Substation )建设需要采用先进的理建设需要采用先进的理念重新设计新建变电站念重新设计新建变电站, ,也需要采用先进的技术改造现有变电也需要采用先进的技术改造现有变电站，以便远程监测临界和非临界运营数据。分析和处理大量站，以便远程监测临界和非临界运营数据。分析和处理大量实时数据。将断路器、变压器、变电站的环境因素等数据进实时数据。将断路器、变压器、变电站的环境因素等数据进行综合分析行综合分析,
7、 ,并与相临变电站互通信息。并与相临变电站互通信息。 变变电电站站自自动动化化作作为为智智能能电电网网高高级级输输电电运运行行的的首首要要技技术术组组成成单单元元，正正面面临临实实现现智智能能化化的的发发展展要要求求。智智能能变变电电站站以以设设备备全全智智能能化化和和测测控控全全智智能能为为基基础础，具具有有变变电电设设备备的的智智能能监监控控、供供电电安安全全的的在在线线预预警警、薄薄弱弱环环节节的的自自动动识识别别等等功功能能。随随着着我我国国在在智智能能变变电电站站核核心心技技术术研研究究、关关键键设设备备研研制制等等领领域域取取得得重重大大突突破破，全全国国正正在在大大规规模模进进行
8、行智智能变电站的建设。能变电站的建设。1.1 研究背景及研究意义研究背景及研究意义国网第一个国网第一个500千伏智能化升级改千伏智能化升级改造试点变电站造试点变电站金华金华500千伏芝堰变现场千伏芝堰变现场1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电保护分析发展历史我国的电力事业是从新中国成立以后才开始慢慢发展起来的。六十年代：ll0kV 变电站从开始逐渐走入普通的地级市，当时国内绝大部分城市还辅以35kV 变电站构成高压输电网络。由于当时负荷水平低，电力建设投资少，城市电网结构简单。上个世纪七八十年代的35kV变电站1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电
9、保护分析发展历史进入八十年代以来，我国经济进入前所未有的高速发展阶段。经济建设对电力事业提出更高要求的同时也促进了电力事业的发展。这段时期建设的ll0kV 变电站ll0kV 电气设备多采用常规设备户外敞开式布置；变电站主接线较为复杂，例如为单母线分段带旁路；电气设备为多油或少油设备；主变容量大多选择3l. 5MVA 或40MVA。这种模式的变电站占地面积大，设备繁多，设备安全可靠性较低，日常维护工作量大。1985年500千伏郑州变电站开工建设1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电保护分析发展历史进入九十年代中期，供电紧张的情况得到好转，电网设计和建设越来越强调供电可靠性。
10、人们开始把注意力转向性能好、质量高、检修周期长或多年不需检修等特点的电气设备。实施“ 四遥”功能，实现变电站无人值班已成为可能。1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电保护分析发展历史这段时期，ll0kV 电气设备出现了GIS 设备。GIS设备（气体（G）绝缘（I）开关（S）指SF6 气体全封闭组合电器装置。它把断路器、隔离开关、接地开关、电压及电流互感器、母线、避雷器等元件，按电气主接线的要求，依次连接，组合成一整体，并且全部封闭于接地的钢或铝的金属外壳中，壳体内充以SF6 气体，作为绝缘和灭弧介质。1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电保护分析发展
11、历史电气布置形式也出现了全户内布置、半户内布置等形式，区别主要在于主变压器的布置方式。户内型布置的变电站设备布置紧凑，因而不如户外布置通风散热效果好，一旦发生火灾时，波及面较大。半户内布置方式，就是除主变压器以外的全部配电装置集中布置在一幢主厂房不同楼层的电气布置方式，布置方式结合了全户内布置变电站节约占地面积，与周围环境协调美观，设备运行条件好和户外布置变电站工程造价低廉的优点。二次设备系统也有简单的“四遥”系统和变电站综合自动化系统。由于采用了先进可靠的设备，这段时期建设的ll0kV 变电站主接线较为简洁，除主变外ll0kV 电气设备多采用户内布置的形式，主变容量多为40MVA 或50MV
12、A，开关设备为无油设备，变电站具备无人值班的功能。这些变电站占地面积小，自动化程度高，日常维护工作量小，安全可靠性高。1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电保护分析发展历史随着调度自动化技术的实用性的深入开展和设备本身的技术水平的提高，变电站从传统变电站到实现“二遥”功能，再到实现“ 四遥”功能、实现变电站无人值班，到今天的综合自动化系统变电站，走过了一段发展历史。我国ll0kV 无人值班变电站和变电站综合自动化系统是从80年代末开始讨论、研制与开发的。90年代开始，不少城市和地区将变电站实现无人值班作为“ 创一流企业”的条件，要求在新建l10kV及以上变电站时，按无人值
13、班方式设计。1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电保护分析发展历史我国的变电站综合自动化技术起步相对较晚，1987年清华大学机电工程系开发的自动化系统研制成功并正式投入运行后，我国变电站的综合自动化技术终于进入了蓬勃的发展时期，按照不同系统结构模式的出现顺序，可划分为以下三个阶段：（1）面向功能设计的集中式RTU加常规保护模式阶段：是以RTU为基础的远程制动和当地监控为标志的，系统被称为集中RTU模式，或远方RTU式自动化系统，其实质是在传统继电保护与二次接线的基础上，增加RTU以实现遥测、遥信、遥控及遥调的。四遥”功能，特点是通过较多的硬接点接入或串行口通信与机电保护装
14、置、安全自动装置相连接，是较为初级的自动化阶段。1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电保护分析发展历史2）面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式阶段：分布式结构的特点是按功能设计的机电保护装置、安全自动装置与测控装置独立运行，通过通信管理单元将各自的信息送到后台，以串行方式及网络技术进行数据的实时交换。单元式微机保护及按功能设计的分散式微机测控装置因其具有实时性、稳定性和高处理能力，在现代变电站，特别是中、低压变电站中得到了广泛的应用。缺点是仍需较多的电缆互联，限制了系统的扩展性。（3）面向间隔、面向对象(ObjectOriented)设计的分层分布式结构模式阶段：此
15、系统采取分层分布的系统结构，以间隔为对象设计和划分保护测控单元，形成了真正意义上的分层分布式自动化系统。目前，此类系统已经成为发展的主流。1.2 变电站自动化及继电保护分析发展历史变电站自动化及继电保护分析发展历史继电保护技术发展历程总的来说可以概括为4个阶段、2次飞跃。4个阶段是电磁型(整流型)、晶体管型、集成电路型、微机型。第1次飞跃是有电磁型到晶体管型；第2次飞跃是有集成电路型到微机型，主要体现在保护由模拟式向数字式转变、保护装置智能化和信息化。机电式继电保护晶体管继电保护集成电路继电保护微机继电保护50年代60年代80年代90年代1.3 国内外研究现状国内外研究现状在现今阶段，智能化的
16、一次设备在现今阶段，智能化的一次设备(如光纤传感器、智如光纤传感器、智能化开关等能化开关等)、网络化的二次设备、符合、网络化的二次设备、符合IEC61850标准标准的通信网络和自动化的运行管理系统，是智能变电站最的通信网络和自动化的运行管理系统，是智能变电站最主要的技术特征。主要的技术特征。理论状态实验室研发挂网试运行成熟产品数字化开关数字化变压器其他数字化电气辅助设备电子式电流互感器（光学原理）电子式电流互感器（罗氏线圈或低压功率线圈）电子式电压互感器（光学原理）电子式电压互感器（分压原理）支持IEC61850 的二次设备国内数字化变电站相关产品研发情况汇总国内数字化变电站相关产品研发情况汇
17、总（2010.3）1.3 国内外研究现状国内外研究现状在互感器方面，针对传统电磁式互感器在互感器方面，针对传统电磁式互感器饱和及铁磁饱和及铁磁谐振等谐振等问题的缺陷，电子式互感器逐渐受到国内外的广问题的缺陷，电子式互感器逐渐受到国内外的广泛关注，电子式互感器分为有源与无源两种，从电子式泛关注，电子式互感器分为有源与无源两种，从电子式互感器发展的趋势来看，数字互感器以其简单、可靠等互感器发展的趋势来看，数字互感器以其简单、可靠等特色引领该产品处于主导地位。特色引领该产品处于主导地位。左图为电磁式互感器右图为电子式互感器1.3 国内外研究现状国内外研究现状智能化开关的发展趋势是用微电子、计算机技术
18、和新智能化开关的发展趋势是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器二次系统，开发具有智能化操作型传感器建立新的断路器二次系统，开发具有智能化操作功能的断路器。其主要特点是由电力电子技术、智能控制功能的断路器。其主要特点是由电力电子技术、智能控制装置组成执行单元，代替常规、机械结构的辅助开关和辅装置组成执行单元，代替常规、机械结构的辅助开关和辅助继电器。助继电器。随着光纤通讯技术、网络技术的飞速发展及其在变随着光纤通讯技术、网络技术的飞速发展及其在变电站自动化系统中的不断深入应用，加上电力系统规模电站自动化系统中的不断深入应用，加上电力系统规模的扩大和自动化水平的提高，用数字通讯手段传递电
19、量的扩大和自动化水平的提高，用数字通讯手段传递电量信号，用光纤作为传输介质取代传统的金属电缆，构成信号，用光纤作为传输介质取代传统的金属电缆，构成网络通信的二次系统是智能变电站的必然选择。网络通信的二次系统是智能变电站的必然选择。智能变智能变电站系统网络化的二次设备架构采用三层网络结构：站电站系统网络化的二次设备架构采用三层网络结构：站控层、间隔层、过程层。控层、间隔层、过程层。1.3 国内外研究现状国内外研究现状功能功能A A功能功能B B控制控制保护保护控制控制保护保护传感器传感器执行器执行器过程接口过程接口远方控制技术服务高压设备变电站层间隔层过程层信息分层的变电站自动化系统1.1.厂站
20、（站控层）与主站厂站（站控层）与主站间数据交换间数据交换2.2.站控层内数据交换站控层内数据交换3.3.间隔层与站控层的保护间隔层与站控层的保护数据交换和控制数据交换数据交换和控制数据交换4.4.间隔层间直接数据交换间隔层间直接数据交换5.5.间隔层内直接数据交换间隔层内直接数据交换6.6.过程层与间隔层间的控过程层与间隔层间的控制数据交换和制数据交换和PTPT、CTCT暂态暂态数据交换数据交换123455661.3 国内外研究现状国内外研究现状我国智能变电站技术很多，有些已成熟，有些还在研究阶段，有的还处于概念阶段。如：1)一次设备智能化的实践：目前已有应用，如淮北桓潭110 kV智能变电站
21、。2)二次功能网络化的实践：目前已有工程应用，如洛阳金谷园110 kV数字化变电站。3)设备状态检修的实践；智能一次设备状态检修的实践；继电保护二次设备状态检修的实践，目前正在开展研究。4)站内智能高级应用方案研究：智能告警及分析决策经济运行与优化控制等，正在研究阶段。5)分布协同智能控制与智能保护研究：目前正在研究阶段。6)主变压器应用新型光栅式温度在线监控系统：目前正在研究阶段。7)GIS组合电气应用SF6压力、微水在线监测系统。2.2.智能变电站的继电保护新技术智能变电站的继电保护新技术2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器1.电子式互感器开发应用的原因：（1）开关设备的集成化和智
22、能化要求互感器体积小、质量轻，输出实现数字化。（2）发电厂和变电所综合自动化的广泛应用，要求互感器输出实现数字化，甚至直接接入过程总线实现网络化.（3）微电子技术的广泛用于测量和保护等，使得二次设备功耗很小，一般不超过12VA甚至为毫伏安级，对互感器的输出容量要求大大降低，但二次设备的低电平对抗干扰提出了严峻要求。（4）数字技术和光通信技术的快速发展，使互感器输出信号可方便的变成数字信号，并通过光纤输出，彻底解决了高压设备的绝缘问题和电磁干扰问题。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器2.电子式互感器如何组成电子式互感器包括连接传输系统和二次变换器的一个或多个电流和电压传感器，并将被测量
23、按比例送给测量仪器、仪表和保护、控制装置。互感器的输出既可能是模拟量也可能是数字量。对模拟量输出的互感器，其二次变化器可直接供给二次设备使用；对数字输出的互感器，则可用一个汇接单元将多个二次变化器汇集输出至二次设备。在实际应用中，电子式电流互感器（简称ECT）和电子式电压互感器(EVT)往往组成一个装置。35kV ECT实物35kV EVT实物2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器3.电子式互感器的类型（1）最主要的一类是倍受人们关注的基于磁光效应的互感器，如采用法拉第效应的光电流互感器（NXCT）、采用泡克尔斯效应的光电压互感器（NXVT）和集电流和电压于一身的光电流电压互感器（NXC
24、VT），该互感器由于处于高电位的部分不需要电源，因此也称为无源电子式互感器。优点：直接用光进行信息的变化和传输，与高压电路完全隔离，具有不受电磁干扰，不饱和、测量范围大、有效频带宽，暂态相应和运行性能良好、体积小、质量轻及便于数字传输。110kV三相共箱GIS型光学电子式电流电压互感器2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器（2）带铁芯的低功率电流互感器或利用罗戈夫斯基线圈的输出正比于电流导数原理的无铁芯的空心线圈电流互感器，以及由电阻分压（电容分压）或阻容分压实现的电压互感器，由于它们与常规互感器比较接近，因此也称为半常规互感器。他们处于高电位的传感器需要电源，故亦称为有源电子式互感器。
25、优点：体积小、质量轻、暂态响应和运行性能良好、可靠性高，可以直接以模拟量形式输出到就近的开关装置。也可以用这种传感器进行信息测量，用光纤技术进行信息传送，大大简化互感器的绝缘结构，以便高压电网应用。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器4.电子式互感器与传统互感器相比，其优越性：适用范围涵盖了电磁式互感器的所有应用场合，尤其是超高压如750kv电网及对精度和暂态特性要求高的场合，体积小、重量轻，节省运输和安装成本及时间，适合在紧凑的变电站或需要改造但空间有限的改建工程中使用，且220kv的NXCT与传统SF6TA价格相差无几，500kv甚至低于传统价格，具有很高的经济效应，同时适应电力数
26、字化和自动化的发展趋势。传统互感器传统互感器光电互（传）感器光电互（传）感器使用寿命一般不超过20年使用寿命大于30年运行中二次输出的准确度受电流和电压大小的影响较大，一次值过大时会出现铁芯饱和现象不会出现饱和现象，且在电流电压越大时，准确度越高二次电流与一次电流保持线性关系的动态范围和频带范围有限二次信号与一次电流量保持线性关系的动态范围（测量用1A63kA，保护用2A170KA）和频带范围（直流10kHZ）都很宽传统互感器传统互感器光电互（传）感器光电互（传）感器电流互感器线性度低，在短路时容易饱和，静态和动态准确范围小；在暂态过程中会产生寄生震荡现象没有饱和的问题，线性度高，在暂态过程中
27、，不会产生寄生震荡问题电压互感器存在铁磁谐振从而造成相关设备损坏的问题不存在对相关和相邻设备的危害问题电流互感器存在二次开路产生高压的危险不存在二次因开路而产生的高压危险，保障了操作人员的生命和周围设备的安全准确度与二次回路所带的负荷大小有关，切且受温度、振动等环境条件的影响二次回路所带的负荷大小、数量不受限制，准确度较高，可达0.2级，且不受温度、振动等环境条件的影响，抗震性能优越，也适用于高原地区由于油浸纸绝缘易燃、易爆，有动稳定和热稳定的限制，运行中存在互感器爆炸的危险由于内部没有油或SF6等，不存在爆炸的问题，对周边环境没有污染问题，从而使运行更加安全可靠小变比情况下，耐受短路电流的能
28、力有限小变比情况下，具有很高的耐受短路电流的能力2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器存在渗漏油问题；每23年需进行一次预防性试验，试验测试和运行维护工作量都比较大无渗漏油问题，在使用年限内无须进行试验，测试工作简单，运行维护工作量小互感器与二次接收设备间的电缆是电磁干扰的重要耦合途径，容易受外界电磁干扰的影响，且传输距离有限装置高压部分与电子（二次）接收设备之间采用光纤通信，不受任何电磁干扰影响，传输距离可达2000m，解决了传统互感器的远距离传输问题；且传感器电子部件与继电保护、测量仪表和自动装置等二次设备的连接也可很方便的利用现场的数字通信网络绝缘结构复杂，体积笨重，安装时需起吊设
29、备，施工工期长由于轻便、小型，所以安装时，起吊设备简单，装置占据空间小，施工工期短造价高，综合经济效益相对较差由于施工方便，占用空间小，支撑架构简单轻便（也可悬挂在母线上），且二次接线简化，传感器高压部分不需维护，因此，综合经济效益显著提高适应发展数字化和完备的自检功能适应了电力保护和计量的数字化、自动化及光通信的发展趋势2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器5.光电传感器的缺点以光电式电流互感器（简称为MOCT）为例子（1）无源型光电式电流互感器存在以下问题：a双折射效应影响。使检偏器的输出光强度变化不与被测电流成正比，影响灵敏度和测量精度。b干扰问题。因采用磁光效应原理，易受导体周围
30、磁场的影响而产生干扰问题，造成测量误差。c温度影响。MOCT的重要部件是法拉第晶体，其特性随温度的变化而变化，会给测量系统带来一定的误差。d振动问题。当测量的光学系统受到电路的开关动作、环境或人为干扰时，就会产生振动。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器（2）有源型光电式电流互感器（又称电子式光纤电流互感器）存在以下问题：a.高电位侧传感头的电源供应问题。由于传感头完全采用电子线路，而它的电源供应是通过光电池等OE转换器件得到的。如果传感头电子线路消耗能量过大则要求能量提供单元提供更高的能量输出，这将使整个系统的结构复杂化。因此，应该尽量减小
31、电子线路的功率消耗，以有限的能量实现较为完整的功能。b.电磁兼容问题。由于传感头安装在高压输电线路附近，电流流过母线将会引起空间强大的电磁辐射。这些辐射将对传感头电子线路产生比较强的电磁干扰，影响系统的可靠性和稳定性。因此，对传感头采用适当的抗干扰措施和电磁屏蔽方法也是非常必要的。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器6.电子式互感器的结构IEC60044-8提出了电子式互感器的结构如图所示，包括一次传感器和变换器、传输系统、二次变换器和汇接单元，图中所有的单元并不都是必须的，如光电传感器即不需要一次电源。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器7.电子式互感器与二次设备的连接：电子
32、式互感器的数字输出一般是经汇接单元将多个互感器的采样量汇集并变换为数字量串行输出，一般通过一个串行、单方向、多落点、点对点链路送至二次设备。一个汇接单元最多可输入7个电流互感器（3个保护用ECT、3个测量用ECT和1个中性点ECT）和5个电压互感器（3个保护/测量用EVT、1个母线EVT和一个中性点EVT）的采样量，一般供给测量仪表和继电保护的数字量分别输出。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器8.光电式电流/电压互感器的分类：光电式电流/电压互感器敞开瓷柱式光电电流/电压互感器设备组合电器光电式电流/电压互感器原件金属封闭SF6绝缘组合电器光电式电流/电压互感器元件敞开式空气绝缘组合
33、电气光电电流互感器元件2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器（1）敞开瓷柱式光电电流/电压互感器设备是带外绝缘瓷（或复合）套管的独立式电气设备，外形和常规敞开电磁式电流/电压互感器相似，光电元件安装在瓷（或复合）套管内部，用光纤电缆连接到位于设备底部的二次接线端子箱内，如NX系列光电压/电流传感器（2）组合电器光电式电流/电压互感器元件与组合电器配套使用，是组合电器中完成TA与TV功能的一个部件，而不是一个完整的高压电气设备，它在绝缘结构外形尺寸、以及质量等方面都和常规敞开瓷柱式高压光电电流/电压互感器有很大的区别，并满足体积小、质量轻的要求，且随着高压和超高压组合电器在国外的快速发展，
34、随着组合电器的变化而有不同的形式，是组合电器制造的关键技术之一。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器9.光电流传感器NXCT的原理：光电流传感器NXCT是利用磁光效应中的法拉第效应即反映偏振光状态与磁场关系的原理，也就是当一束直线偏振光穿过透明光介质时，若在沿光波传播方向加一外磁场，则其偏振面将发生偏移。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器根据法拉第效应，其偏转角为=V HdLV维而德常数，由介质和光波的波长决定，表征介 质的磁光特性，它与磁光材料的种类、入射光波长、环境温度有关，是材料、温度和波长的函数；H磁场强度；L光路径长度。如此将单模光纤在输电线上绕一定的匝数，就能利用
35、光纤本身的磁光性能构成电流（磁场）传感器。 2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器当一次电流i1（t）流过电流线圈时，在其周围产生磁场强度H和i1（t）成正比的磁场，此时通过磁光晶体的线偏振光的在磁场H的作用下将发生偏转，并产生于磁场强度成正比的磁转角。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器根据法拉第效应，其偏转角为=V i1（t）NN单模光纤缠绕的匝数。实际应用中，由于目前尚无精确测量线偏振光偏转角的检测装置，因此通常是将线偏振光旋转角的变化转化为光强度P的变化，通过测量输出光强度来反映一次电流i1（t）的大小。如将透光轴的夹角设定为45，则输出线偏振光的强度P可表达为P=P0c
36、os245- V i1（t）NP0输入线偏振光的强度；P输出线偏振光的强度；V磁光晶体维尔德常数；N一次线圈匝数；i1（t） 一次电流2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器10.光电压传感器NXVT的原理：某些透明的光学介质（也称压电晶体）在没有外加电场作用时是各向同性的，但如果在外加电场下，晶体将变为各向异性的双轴晶体，从而导致其折射率和通过晶体的偏振光特性发生变化，产生双折射，使一束光变为两束相位不同（因两束光的传播速度不同）的直线偏振光。这种描述电场对透明晶体影响的电光效应，成为泡克尔斯效应。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器从外加电压与光线的方向来说，一般有横向调制型和
37、纵向调制型两种，横向调制型的外加电场方向与通光方向垂直，纵向调制性的外加电场方向与同光方向平行。NXVT采用横向调制型，它通过与X、Y两轴成45的线性偏振光（经起偏器后得来）入射并通过石英晶体后形成两个基本的模式光成对出现，石英的压电特性，即光线在离开没有场强存在的石英晶体时，由于在X、Y两个偏振面上的光以相同的速度传播，因此从X、Y两轴所形成的平面上看偏振光是圆的，而有场强存在时，由于光在晶体中X、Y两轴传播的速度不同，在离开石英晶体时发生双折射偏振成为椭圆。因此将泡克尔斯元件置于互相正交的偏光镜和检偏镜之间，由于入射到泡克尔斯元件上的直线偏振光在外加电压下变为椭圆偏振光，通过元件出来的光，
38、透过检偏镜，如此偏振光通过一定厚度并具有固定电场的晶体后，即会在电场的作用下使两束光产生相位差。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器这样一个高精度的，线性表示的电场就能从两束光的相位差或椭圆的变数测量中被得到。双折射后两束光的相位差与外加电压U有如下关系光波长度；n0晶体的折射率；l晶体通光方向的长度；d晶体的厚度；41晶体的电光系数；U晶体的半波电压（由普克尔斯效应引起的双折射两光束产生相位差所需外加电压）2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器11.光电传感器的技术特性高精度高精度电流电流用于测量的超过了用于测量的超过了IEC 0.2s级和级和IEEC 0.3级标准级标准用于保
39、护的超过了用于保护的超过了IEC 5P级和级和IEEC 10%标准标准电压电压用于测量的超过了用于测量的超过了IEC 0.2级和级和IEEC 0.3级标准级标准用于保护的超过了用于保护的超过了IEC 3P级和级和IEEC 0.3级标准级标准测量范围大测量范围大电流电流用于测量的精确度范围是用于测量的精确度范围是26300Ams用于保护的精确度范围是用于保护的精确度范围是2170kAms电压电压精确度范围是电压有效值的精确度范围是电压有效值的2%200%测量频域宽测量频域宽电流、电压有效精确度的频域范围都是电流、电压有效精确度的频域范围都是10Hz6kHz安全并环保安全并环保很宽的电极隔离（不需
40、要油或很宽的电极隔离（不需要油或SF6绝缘），没有谐振和二次开路绝缘），没有谐振和二次开路的问题的问题安装成本低安装成本低重量轻，使得变电站设计很灵活；组合重量轻，使得变电站设计很灵活；组合VT/CT很适合电网的测量很适合电网的测量和保护和保护界面灵活界面灵活用有效的电子仪器实现与用户的友好软件界面；输出既可能是高用有效的电子仪器实现与用户的友好软件界面；输出既可能是高能量模拟信号、低能量模拟信号，也可能是数字信号；采用常规能量模拟信号、低能量模拟信号，也可能是数字信号；采用常规的变电站通讯规约的变电站通讯规约免维护免维护内部充有氮气，外部采用聚合绝缘内部充有氮气，外部采用聚合绝缘2.12.1
41、新型电子式互感器新型电子式互感器13.光电传感器的运行性能由于没有绝缘油和纸等介质，采用硅树脂橡胶覆盖聚合绝缘柱，使得维护简单，且免除了带电清洗的麻烦。同样因没有运行部件从而在运行电压下也就没有电磁谐振和在发生严重故障时存在内部机构危及人员或附近设备安全的问题，也不会产生太大的有功损耗；当然由于采用光导设计，因此也不用担心二次开路时的感应电压问题。光电传感器在设计上也考虑了与传统互感器和传统测量仪表与保护设备的配合问题。如光电传感器的高能模拟量输出，NXCT与传统电压互感器的配合等。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器14.光电传感器的安装与传统的互感器比较，光电传感器尺寸小，质量轻，
42、没有油或SF6,因此避免了传统互感器安装和运行中所遇到的很多问题。光电传感器即可安装在高聚合绝缘柱的架座上，也可用绝缘子悬吊安装在母线上，然后用光纤引接到地面。其轻型合成绝缘柱可以降低运输成本、减小对变电站承受强度和安装设备的要求，同时这种轻型设计也可以安装在地震活动地区，使其安装降低成本且非常容易。其安装主要是光传感柱和电流电压光电转换器及他们之间的连接光缆，光传感柱一般安装在变电站的支撑支架上，对NXCT用户也可选用母线型的直接悬挂安装于母线上；电流电压光电转换器则安装在控制室的屏柜内，然后由光缆将光传感柱与控制室中的电子设备连接。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器初始定位完成后
43、，用户就可校验每一个光电回路，然后向高压母线充电，最终对全部系统的运行进行校验。设备的各项功能由软件实现，调试和整定由用户通过人机接口用键盘和显示器即可很容易的完成。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器15.罗戈夫斯基（独立式空心）线圈的原理罗戈夫斯基线圈的工作原理是空心线圈的二次绕组绕在非磁性骨架上，非磁性材料使这种传感器线性度极好，不会饱和也无磁滞现象，因此空心线圈具有良好的稳定性能和暂态响应，并为高压电网继电保护设备所广泛采用。对于空心线圈，由安培定理表明，在负荷为高阻抗Z时，线圈的输出电压是穿过线圈的一次电流Ip（t）的函数。（1）对于任意形状截面圆环空心线圈，输出电压近似公式
44、为2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器（2）对于矩形截面的圆环空心线圈，输出电压的公式为 0真空导磁率，4 10-7VS/(Am)；N匝密度，匝/m；A单匝截面，m2；2ra外径，m；2ri内径，m；h高度，m；Nw空心环的匝数；e（t）低负荷Rb时空心线圈的输出电压，V。设则空心线圈的输出电压为（稳态正弦电流下）2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器16.罗戈夫斯基光电流互感器的原理罗戈夫斯基光电流互感器和常规电磁式TA不同之处是它采用罗戈夫斯基线圈，没有铁芯，相当于空芯线圈，一次侧主导体中流过一次电流i1，二次线圈与负载电阻相连接。罗戈夫斯基线圈的工作原理见下图。2.12.1
45、新型电子式互感器新型电子式互感器二次电流i2与一次电流i1的导数成正比，其表达式为式中，i1（t）为一次电流，I2（t）为二次电流；N为二次线圈匝数；A为线圈每一匝的截面积； 0为空气磁导率；r为二次线圈等效半径；R为二次负载电阻。由于二次负载电阻R取值很大，因此，罗戈夫斯基线圈二次侧的输出值即为负载电阻二端的电压u，其表达式为2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器17.罗戈夫斯基光电流互感器元件的特点（1）二次输出不是常规电磁式TA中电流为5A或1A的电流量，而是几伏的电压量。（2）二次输出电压与一次电流对时间的导数成正比，即和频率有关，并随着频率的变化而变化，因此，其输出必须进行积分
46、运算，随着微机技术的高速发展，进行积分运算的电子器件体积可以做的非常小，这为应用于组合电器中的光电电流互感器元件的生产实现产业化提供了广阔的前景。（3）二次输出电压与线圈每一匝的截面积成正比，与线圈等效半径成反比，即其输出和线圈的几何尺寸有关，由于环境温度的变化会影响线圈的几何尺寸，因此，温度补偿技术是保证这种光电电流互感器准确等级的关键。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器18.罗戈夫斯基光电流互感器元件存在的问题（1）罗戈夫斯基线圈在人工绕制和多层绕制过程中会引人额外误差。（2）线圈骨架材料的温度特性对线圈的输出也有很大的影响。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器19.阻容
47、分压器原理的光电压互感器元件的特点（1）二次输出不是常规电磁式TV的100V强电压量，而是几伏的弱电压量（2）二次输出电压与一次电压对时间的导数成正比，和光电电流互感器元件相同，必须依靠大功率、高速度的电子器件进行积分运算。（3）由于二次输出电压与电容环的几何尺寸密切相关，因此温度补偿技术也是决定其准确等级的关键。（4）二次输出按IEC 600447规定，有模拟量输出（保护级为2V，测量级4V）和数字量输出2种输出方式。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器20.分压式电压互感器的原理分压式电压传感器是与常规电压互感器类似的半常规互感器，包括电阻分压、电容分压或阻容分压等多种方式，它由分
48、压器得到一个小电压信号，直接输出或转换为数字信号后输出至二次设备。原理和应用如下：（1）电阻分压器。分压后得到的小电压与被测高电压呈比例关系，直接输出即可以。由于技术成熟、体积小、造价低、可同时满足测量和保护需要、进行电缆或开关设备试验时不必然、断开隔离（因此不会铁磁谐振）。故广泛用用于中压开关设备。可与电流传感器组成复合传感器。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器（2）阻容分压器。分压后在电阻上得到的小电压是被测高电压的微分，要求得到被测电压需要对小信号进行积分。阻容分压器广泛用于高压GIS设备。如使用以导电杆为轴的圆柱形测量极。电容C为：式中D、d测量极、导电杆的直径； b测量极长
49、度；0、r真空、绝缘气体的导电率。SF6气体电容器是非常稳定的，故得到广泛应用。2.12.1新型电子式互感器新型电子式互感器上图为阻容分压器电路测量极对地电容为CE，其中包括电缆电容。固体和液体介质对于温度变化和长期运行都不是很稳定的。解决的办法是在此电容上并联一个稳定的电阻R，R值足够小使电压输出不受CE的影响。R和C构成阻容分压器，输出电压如下式式中，u1高电压值。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用1.智能开关的定义智能设备是单片机, 传感器和电力电子开关的结合, 在电力系统中应用智能开关技术, 不仅可以提高电力系统设备的使用寿命,而且能够提高电力系统的稳定性,同时能够一定程
50、度的节约电能。正因为智能开关具有明显的优势, 所以在电力系统中应用智能开关技术具有广阔的前景。相对于传统开关其具备的特点：（1）高性能和高可靠性；（2）免维护；（3）硬件软件化；（4）具备在线监测和自诊断功能；（5）提供网络化运动接口；（6）功能自适应等。智能开关柜键盘接口电路温度测量RS485通讯接口LCD显示电路单片机控制系统电压采集电路电流采集电路功率因数角测量电路驱动电路智能开关主电路2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用2.智能开关的结构组成（1）单片机作为中央控制单元, 在预先编制好的指令(即软件程序)的驱动下,控制整个硬件电路工作,完成系统各项功能。具有当地无线通讯口,
51、 能对下位机进行控制; 同时也具备远程数据接口。（2）键盘用于修改和设定定值, 电压上下限、电流上限值等;（3）LCD 用于显示定值及各种运行状态。单片机获得电压、电流、相角值后进行分析计算出功率因数、三相不平衡参数等,判断是否正常。并通过周期值和设定值,控制开关的闭合与关断。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用2.应用智能开关技术的必要性随着国民经济的发展和人民物质生活水平的不断提高,对电力需求越来越大, 电网也在不断扩大, 用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高。为了满足用户的需求, 各大电力设备的制造厂家运用先进的智能配电技术,相继推出了智能化的开关柜以及相应的配电系统。智能
52、化成套开关设备使整个变电站的保护、控制、监控集中起来, 同时也为变电站广域监测和断路系统奠定了基础。作为供电设备的基本控制与保护电器, 应能够保障在控制、保护对象的任何工作状态下可靠工作, 其发展水平很大程度上影响着变电综合自动化、配电网络自动化系统的提高。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用3.智能开关技术的现状目前国内外还没有真正意义上的智能开关。国内目前进行的数字化变电站项目，开关的数字化实现大多是通过二次设备来转化实现，一般采用数字操作箱的模式。这种数字化变电站普遍没有对开关内部的二次回路进行集成化改造，智能数字操作箱与开关整合度较低。适用于智能化变电站的智能开关，其控制装
53、置必须就地安装于开关汇控柜内。开关本体取消了开关内部二次回路，仅提供跳合闸接口、闭锁触点、开关辅助触点，由控制装置实现开关跳合闸闭锁、防止跳跃、强制跳闸、就地操作等功能。同时控制装置还必须承担开关大量数字量和模拟量测量的任务。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用4.智能开关的功能（1）智能感知开关电器的智能感知模块包含对电网的电压、电流信号的感知。电网电压、电流信号中蕴涵着丰富的诸如电流/电压幅值、相位等信息。在不同的短路电流条件（如近区故障、端子短路故障、切空载长线等）下，智能感知模块都能通过电压/电流信号区分并判断，通过执行模块控制开关电器动作，从而安全、可靠地完成操作过程。2
54、.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用(2)智能判断与执行开关电器的智能判断与执行功能的实现，建立在智能感知的基础之上。通过智能感知获得暂态恢复电压特性曲线， 并与开关电器触头动作相配合，可实现开关电器的智能操作，从而实现开关电器操作过程的高可靠性、低操作过电压。操动机构变电站主控室变电站主控室分合信号开关电器状态信号数据采集数据采集调节装置智能识别智能控制单元电网高压开关电器智能操作原理框图上图为高压开关电器智能操作原理框图，其中的操动机构可为永磁或斥力操动机构。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用左图为斥力机构原理图。斥力机构线圈通电后，斥力盘因涡流斥力快速动作实现开关
55、电器的操作。通过对流过斥力机构线圈的电流进行智能调控，可以实现不同的开关电器动作特性，从而实现智能操作。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用低压电器智能操作的实现可通过永磁操作机构和斥力分闸操作机构实现。上图为斥力分闸永磁操作机构工作原理图。串联线圈和静铁心构成U 型螺线管，根据永久磁铁和螺线管线圈的相互作用原理，分闸时向螺线管线圈通反向电流，螺线管和永久磁铁因磁极同性在一定条件下而产生出电磁斥力。通过对电磁斥力的调控，可达到提高触头分闸速度、降低触头材料损耗的目的；在分闸末期时，工作气隙达到最大，电磁力降到最低，机械碰撞强度也达到最小，从而提高了操作机构的可靠性。2.22.2智能
56、开关技术的应用智能开关技术的应用（3）状态监测与寿命评估智能开关电器要能实时监测并评估设备本身的运行状态、劣化趋势、寿命等信息。智能开关电器的状态监测与寿命评估包括状态感知、故障诊断、寿命评估3 个层次。A.状态感知功能。可实现智能开关电器各种状态信息的现场提取，如断路器位置信息，动触头行程曲线、分合闸振动、脱扣回路、储能回路等机械状态信息，支柱绝缘子等绝缘部件的绝缘状态信息（局部放电、交流泄漏电流等），载流部件的温度状态、环境状态信息等。右图为开关电器中的支柱绝缘子交流泄漏电流信息感知模块。该模块包括交流泄漏电流信号提取、隔离、I/V 转换、信号调理。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技
57、术的应用B.故障诊断功能。可实现对开关电器当前运行状态是否健康的判断。根据实际需求，可以采用简单的阈值判断，例如母线温升是否超标的判断；也可以采用人工智能与数据库相结合的方法实现复杂运行参数的识别，比如机械状态的综合识别（可识别出故障类型）。C.寿命评估功能。可实现开关电器将来一段时间内运行状态是否健康的预判。参照各种状态参数对开关电器寿命的影响研究结果，对不同特征参量的故障诊断与寿命评估方法设定其置信度，研究多参量（局部放电、触头侵蚀、触头行程、脱扣回路、气体参数等） 综合诊断的开关电器寿命评估方法及理论。综合各种诊断方法（包括在线及离线测量方法）的有效性评估结果，考虑整体经济性及可靠性等因
58、素，结合数据库技术、专家系统等技术，获得最优的开关电器寿命评估专家系统。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用实验方法仿真方法电气绝缘参数操纵机构状态参数知识获取神经网络诊断算法神经网络预测算法专家系统故障诊断状态预测开关电器设备开关电器故障诊断与寿命评估开关电器智能故障诊断与寿命评估结构框图2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用5.智能开关的优点（1）在不同斜率电压增量启动时电动机能得到预设定的初始转矩。在加速期间，输出给电动机的电压是无须递增的，当智能开关的控制器检测到电动机已达到额定转速时，输出电压自动切换为全电压。（2）智能开关的保护系统不仅能提供过载保护，而且可提
59、供各种操作故障状态下的保护，如输入输出缺相、电动机堵转、可控硅短路及失压过压或短路智能开关的保护系统不仅能提供过载保护，而且可提供各种操作故障状态下的保护，如输入输出缺相、电动机堵转、可控硅短路及失压过压或短路等。（3）智能开关技术应用于电动机的启动，能使电动机平稳启动或停机，使机械和电应力降至最小，同时可以提供各种故障保护，减少对传动元件的机械冲击，提高设备利用率、生产率，降低成本。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用6.智能开关现阶段存在的问题（1）智能开关的功能一体化程度较低每个状态监测的监测量都配有一个独立的智能电子装置，如SF6气体检测、局部放电监测、断路器操作机构机械特
60、性监测都有独立的IED(智能电子设备，Intelligent Electronic Device)，最后再汇入开关设备主IED，通过IEC61850规约上传至远方监控主机。为数众多的IED不仅造成设备的重复配置，浪费大量资源，增加智能开关设备的投资，同时大量的电子元件布置于就地智能柜内也使得就地智能柜的体积增大，智能柜内的发热严重，严重影响设备的安全稳定运行。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用（2）SF6微水状态监测设置问题目前关于开关设备是否装设SF6微水状态监测存在两种不同的意见，一方面，开关制造公司认为现在开关设备的制造工艺水平相比以前有了很大的提高，开关设备的密封性较好，
61、SF6泄露的几率极低，而微水传感器的价格虚高，SF6微水监测的必要性较小。另一方面，运行单位认为开关设备SF6气室内微水对开关设备的危害严重，通过离线式露点仪进行定期检测的工作量较大，应装设SF6微水状态监测设备。（3）随设备智能化水平的提高，大量的电子元件下放到就地智能柜内，而就地智能柜通常采用户外露天布置，外界温度、湿度、日照、雨水等大气环境对电子元件的正常稳定工作的影响较大，同时由于靠近高压开关设备本地安装，开关设备运行时，特别是在开关操作时的电磁干扰强度较大，如何保护就地布置的智能柜的可靠性，是亟待解决的问题。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用7.智能开关在配电网络自动化
62、中的应用实例(1)基于智能开关设备的配电网线路故障处理该方案采用简单实用的故障处理方法, 可实现对线路相间短路故障特别是单相接地故障区域定位、故障区域隔离和非故障区域恢复供电。该线路自动化方案采用两种类型带测控单元的智能开关设备, 一种用于主干线路, 一种用于分支线路。这两种智能开关设备采用不同的故障处理方式, 但其目的都是实现切除及隔离单相接地及相间短路故障。其主干线路分段开关的组成原理如下图所示。测试单元ZPDZPS1ZPS22.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用(2) 10kV 柱上开关无线控制系统在现阶段, 传统的10 kV 配网设备存在以下不足: 首先10kV 柱上开关的操
63、作都是工作人员登杆近距离操作, 对操作人员存在不安全隐患, 并且受气候、环境等因素的影响; 其次是个别线路线损居高不下, 窃电现象严重, 而且具有较高的隐蔽性, 给查找窃电带来很大困难, 没有实时数据为依据, 具有很大的盲目性, 需要检查人员常常在后半夜蹲点守候; 而且柱上开关FTU 的电池因得不到充放电, 在线路停电的情况下不能保证工作电源及操作电源; 光纤通信遭外力破坏修复比较困难; 配电线路迁改比较频繁, 通信光缆、双绞线难以配合需要。10 kV 柱上开关无线控制系统，一方面可以不受地理环境的限制, 无需投入大量的通信资金; 另一方面能通过现有的10 kV 柱上开关(SF6、真空开关)的
64、内置CT 进行电流实时采集、监控。数据采集、判别的模块加装在现有柱上开关操作机构内, 采用射频模块或GSM网络进行数据通信。优点：该系统运行稳定可靠、抗干扰能力强、电量计量准确, 能实时准确地采集存储电力系统的主要参数并能根据设置的报警阀值发送短消息、实现了遥控、遥信、遥测、实时监测开关和变压器电源的状态。2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用2.22.2智能开关技术的应用智能开关技术的应用8.智能开关应用展望随着智能电网的大力发展，促进相关技术的发展进步，智能设备的技术水平进步必将突飞猛进，智能设备解决方案将逐步向方案二，即一次设备加上内嵌的包含状态检测单元的智能组件，再加上外置的
65、一个或多个智能组件的方案发展。结合国外厂商经验以及国内生产运行需求，就智能开关设备而言，重点需要关注的状态检测内容涵盖速度、时间特性、分合闸线圈电流波形、SF6 气体状态、泄漏电流以及贮能机构状态（压、力、电动机等）。随着技术不断进步，在不远的将来，将最终实现智能设备解决方案三，即一次设备加上内嵌的智能组件，完成包括测量、控制、状态监测、计量和保护等全部功能。2.32.3智能变电站系统网络化的二次设备架构智能变电站系统网络化的二次设备架构1.IEC 61850的定义和必要性在变电站自动化系统集成过程中面临的最大障碍是不同厂家的IED（智能电子设备，Intelligent Electronic
66、Device），甚至同一厂家不同型号的IED 所采用的通信协议和用户界面的不相同，因而难以实现无缝集成和互操作。因为需要额外的硬件（如规约转换器）和软件来实现IED 互联，还要对用户进行培训，这在很大程度上削弱了变电站实现自动化的优点和意义。为此，国际因此变电站自动化系统在实现功能之外，还应具备互操作性、可扩展性和高可靠性等性能。（1）互操作性，即同一厂家或不同厂家的多个 IED要具有交换信息并使用这些信息进行协同操作的能力。设备的互操作性可以最大限度地保护用户原来的软硬件投资，实现不同厂家产品集成。2.32.3智能变电站系统网络化的二次设备架构智能变电站系统网络化的二次设备架构电工委员会（I
67、EC）制定了变电站内通信网络和系统标准体系IEC 61850。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的IED 实现互操作和系统无缝集成提供了途径。（2）可扩展性，这就要求系统在设计时，软件系统和硬件系统都尽可能采用模块化设计方法，方便未来的系统扩展，同时要求通信接口标准化，系统具有开放性。（3）高可靠性，系统应具有冗余结构，特别是作为系统数据通道的通信系统和人机界面的监控主站应具有互相独立的冗余配置。在故障情况下，冗余的通信系统和监控主站应该可以在系统不停止工作的情况下进行热切换，以保证系统执行相应的保护和自动控制任务。2.32.3智能变电站系统网络
68、化的二次设备架构智能变电站系统网络化的二次设备架构2. IEC 61850 标准的主要内容在 20 世纪90 年代初，欧洲和美国同时开展了这方面的研究工作，并制定了相应标准。为了避免两个标准冲突，在IEEE 和IEC 的共同协调下，IEC 决定以UCA 2.0 数据模型和服务为基础，将UCA 的研究结果纳入IEC 标准，建立世界范围的统一标准IEC 61850，并于1999 年3 月提出了委员会草案版本。IEC 61850 标准草案主要围绕以下4 个方面展开：（1）功能建模从变电站自动化通信系统的通信性能（PICOM）要求出发，定义了变电站自动化系统的功能模型（Part 5）。（2）数据建模采
69、用面向对象的方法，定义了基于客户机/服务器结构的数据模型（Part 7-3/4）基本原则术语一般性要求基本通信框架功能和装置模型的通信要求变电站自动化系统结构化语言系统和工程管理SCSM ASCSM BStack AStack BSCSM XSCSM YSCSM XSCSM Y一致性测试Part 1Part 2Part 3Part 4Part 5Part 6Part 7Part 9Part 10Part 8IEC 61850标准草案包括的系列文档（3）通信协议定义了数据访问机制（通信服务）和向通信协议栈的映射，如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS（IEC 61850-
70、8-1）。在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3 标准的过程总线（IEC 61850-9-2）（Part 7-2，Part 8/9）。（4）变电站自动化系统工程和一致性测试定义了基于XML（Extensible Make up Language）的结构化语言（Part 6），描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED 结构化数据。为了验证互操作性，Part10 描述了IEC 61850 标准一致性测试。2.32.3智能变电站系统网络化的二次设备架构智能变电站系统网络化的二次设备架构2.32.3智能变电站系统网络化的
71、二次设备架构智能变电站系统网络化的二次设备架构3. IEC 61850 标准的主要特点（1）信息分层功能功能A A功能功能B B控制控制保护保护控制控制保护保护传感器传感器执行器执行器过程接口过程接口远方控制技术服务高压设备变电站层间隔层过程层信息分层的变电站自动化系统1.1.厂站（站控层）与主站厂站（站控层）与主站间数据交换间数据交换2.2.站控层内数据交换站控层内数据交换3.3.间隔层与站控层的保护间隔层与站控层的保护数据交换和控制数据交换数据交换和控制数据交换4.4.间隔层间直接数据交换间隔层间直接数据交换5.5.间隔层内直接数据交换间隔层内直接数据交换6.6.过程层与间隔层间的控过程层
72、与间隔层间的控制数据交换和制数据交换和PTPT、CTCT暂态暂态数据交换数据交换123455662.32.3智能变电站系统网络化的二次设备架构智能变电站系统网络化的二次设备架构变电站通信网络和系统协议 IEC 61850 标准草案提出了变电站内信息分层的概念，无论从逻辑概念上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分为3 个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口所示。82常规变电站网络结构图 智能变电站网络结构图 84常规变电站和智能变电站的优缺点比较 常规变电站缺点常规变电站缺点智能化变电站优势智能化变电站优势 设设 备备 一二次设备技术落一二次设备技术落后功能单一后
73、功能单一一次设备智能化一次设备智能化二次设备集约化二次设备集约化回回 路路电缆回路复杂电缆回路复杂低效低效采样就地数字化采样就地数字化数字取代模拟数字取代模拟规规 约约通信规约不规范通信规约不规范IEC 61850IEC 61850的应用的应用高级应用高级应用无法实现一体化平无法实现一体化平台及高级功能技术台及高级功能技术可以实现一体化平可以实现一体化平台及高级功能技术台及高级功能技术虹桥智能化改造86 以国家电网公司智能变电站技术导则、变电站智能化改造技术规范、智能变电站改造工程验收规范（试行）、IEC 61850工程应用模型和智能变电站继电保护技术规范（征求意见稿）的原则、要求为设计依据。
74、根据智能电网功能需求、结合通用设计和“两型一化”等基建标准化建设成果，以信息采集数字化、通信平台网络化和信息共享标准化为基础，实现信息化、自动化、互动化的智能变电站综合自动化系统改造原则通过虹桥220kV变电站智能化改造，研究完善变电站全景式数据信息平台、故障信息综合分析决策系统、告警及故障自动处理系统和设备状态分析系统。实现可视运行监视，预期安全分析，动态调节控制，变电站综合实时监测和在线分析诊断，提供具有代表性的智能化变电站改造的框架和模式，为变电站智能化改造项目积累经验。改造目标虹桥智能化改造 一次设备间隔层设备站控层设备87总体改造方案 88断路器虹桥现有断路器21台，由于目前一次开关
75、类设备暂不完全具备数字化、智能化条件，因此，采取加装线监测装置是目前一种有效的过渡手段。加装在线监测装置39套，在线监测装置可监测开关分合闸时间、分合闸电流、储能状态、SF6气体压力等信息。断路器在线监测装置如右图所示89变压器虹桥1号、2号变压器一次设备无改造内容，增加油全组分在线检测系统、油位在线监测装置、铁心接地电流在线检测装置、局部放电在线检测装置、设置主变智能控制柜，完成变压器的在线监测及有载调压、冷却自动控制功能。变压器在线监测装置如右图所示90避雷器虹桥现有金属氧化物避雷器8组，将避雷器的常规在线监测仪更换为具备远传功能的在线监测仪，10kV避雷器加装具备远传功能的在线监测仪，可
76、监测避雷器动作计数和泄漏电流。避雷器在线监测装置如图所示91保护装置符合61850设计要求，所以对保护装置保留保护装置只需更换通讯插件即符合61850设计要求整体更换但可直接替换保护装置无需重新安装屏柜包括保护装置、屏柜整体更换以满足设计要求因地制宜因地制宜优先考虑利旧优先考虑利旧其次考虑改造其次考虑改造保护装置改造方案92保护故障信息子站改造方案通讯系统改造方案计量系统改造方案一体化电源改造方案整体改造与调控一体化及保护主站系统相联系的多功能系统升级改造，监测数据在上传通信主站的同时，传送给二次监测系统。安装独立的电量采集终端传输接口采集电能表的电量及非电量数据至冀北网调唐山区调建立智能一体
77、化电源系统实现站用电源信息共享和控制一体化、实现效益最大化其它系统改造93虹桥一体化信息平台提供了一个能满足用户需求且适用于未来厂站端各种监控需求的开发平台。 功能模块系统数据建模工具支持动态模型的数据库系统通用组态软件数据模板管理按通讯规约建模的通讯管理系统与应用无关的图形基系统综合量计算模块以及系统功能冗余等管理模块仿真控制与调试模块。94该系统设置专家知识库，即存放专家提供的告警与故障分析知识。建立变电站故障信息的逻辑和推理模型，给出某个告警信息或某种事故类型的原因、描述、处理方式，甚至硬接点信息的图解。当系统发生故障，应在3到10秒的时间窗时间过后即可判断出故障信息，给运行人员以辅助判
78、断，以便即时处理故障智能告警与故障综合分析系统95顺序控制功能特 点1.新加对保护压板的顺序控制2.操作同时进行可视化采集3.可进行操作闭锁条件检测4.可以在在线执行前进行模拟执行5.可实现基于多个典型程控的组合顺控6.支持单步执行方式对流程可以加锁、解锁96图模一体化及源端维护0特 点 以IEC61850为技术依据，充分利用一体化信息平台支撑的模型信息框架，开发图形模型一体化变电站信息层次结构配置方式，采用可视化框架融合技术、无缝信息交换技术等关键技术97设备状态可视化98辅助系统远程远程巡视巡视系统系统环境环境监测监测系统系统周界周界告警告警系统系统门禁门禁系统系统消防消防系统系统区域区域
79、广播广播 虹桥ASCS变电站智能辅助管理系统运行环境远程监测平台是对变电站现有辅助系统进行统一接入、数据集中分析处理、统一控制。在中心搭建平台系统，实现对变电站辅助系统的接入，实现各辅助系统之间以及与其它系统（监控系统、消防系统等）的信息共享、联动处理，提升辅助系统价值和作用。99智能巡检机器人系统 1.自动采集存储分析处理可见光图像和红外图像2.动态显示机器人当前采集的可见光图像和红外图像3.手动控制机器人的运动和机器人云台的动作；4.实时显示机器人当前的方位和运动状态；5.显示机器人的当前位置和速度的数据信息；6.显示机器人的电源状态，并进行分析和异常报警； 7.显示机器人外围传感器的信号状态，并进行报警特 点
