智能传感技术与测控装置(智能变电站测控装置的作用)

 

国网公司在致力于建设坚强电网的同时，高度重视智能电网技术研究和工程实践，取得了一批拥有自主知识产权的重要成果，在技术理论、装备制造和工程实施方面为发展智能电网打下了坚实的基础。主要表现在：特高压输电技术、广域测量系统、柔性交流输电、调度自动化等领域达到国际领先水平，积累了丰富的工程实践经验；分布式发电、光伏发电、新能源接入、电动汽车应用等取得重要进展，部分研究成果已转化并广泛应用于电网建设；智能电网调度技术支持系统、用电信息采集系统已经完成前期技术准备。

截至2014年底，国网公司经营范围内共建成并投运智能变电站1556 座。

智能变电站概念

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，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。

--摘自国家电网公司《智能变电站技术导则 》

智能变电站常见术语

合并单元 MU（merging unit）

用以对来自二次转换器的电流和/或电压数据进行时间相关组合的物理单元。合并单元可是互感器的一个组成件，也可是一个分立单元。

智能电子设备 IED（intelligent electronic device）

包含一个或多个处理器，可接收来自外部源的数据，或向外部发送数据，或进行控制的装置。

智能终端（smart terminal）

互联网小常识：DNS服务器和DHCP服务器都需要固定的IP地址。DHCP默认的租约期限设置为8天，最小单位为分钟，租约到期前客户端需要续订，续订工作由客户端自动完成，作用域激活后DHCP服务器才能为客户机分配IP地址。DHCP服务器中常用的选项有路由器选项和DNS服务器选项。

一种智能组件。与一次设备采用电缆连接，与保护、测控等二次设备采用光纤连接，实现对一次设备（如：断路器、刀闸、主变压器等）的测量、控制等功能。

IEC61850《变电站网络与通信协议》标准

IEC61850是新一代的变电站网络通信体系，适应分层的IED和变电站自动化系统

GOOSE（通用面向对象变电站事件）服务

面向通用对象的变电站事件（General Object Oriented Substation Event）。用于一次设备的操控及二次设备间的闭锁与联动,是一种通信服务机制。是状态量、跳闸命令、间隔联闭锁信息的规范。

MMS（制造报文规范）服务

MMS 规范了工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备（IED）、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性（Interoperation）。

SV服务（采样值服务）

互感器将电流、电压采样值传送到合并单元，保护装置通过直采的方式从合并单元获取采样值，测控装置、故障录波、网络报文分析仪等通过SV网从合并单元获取采样值。

变电站的发展历程

常规变电站

网络

监控系统由站控层、间隔层两层网络构成。未统一建模，采用多种规约，变电站存在监控、保护、PMU等多个网络。

设备

互感器、一次设备通过常规控制电缆硬接线方式，实现与间隔层设备互感器模拟量、开关量的信息交换。

站控层

站控层设备由带数据库的计算机、操作员工作站、远方通信接口等组成。

间隔层

间隔层主要包括变电站的保护、测控、 计量等二次设备。

智能变电站概念及结构

自动化系统为站控层、间隔层和过程层三层结构。

站控层、间隔层

站控层、间隔层设备构成与常规监控系统基本一致。

从外延看与现有非IEC61850技术变电站差别不大，都采用以太网，能够实现四遥功能。但从内涵看，差异很大，主要体现在：

1. 信息模型统一：IEC61850使得各智能装置按照统一数据模型实现设备之间的互连互通。

2. 互操作性：智能变电站不同厂家的智能装置（IED）之间具有互操作性。

过程层（设备层）

常规变电站中无过程层

由电子互感器、智能单元、合并单元等远方I/O、智能传感器和执行器等构成。采用GOOSE网络跳合闸机制。

完成一次设备开关量、模拟量的采集以及控制命令的执行等。

新增设备主要有：电子互感器、合并单元、智能终端、交换机等。

智能变电站的技术特点

智能变电站一次设备

变压器

变压器是电力系统交流电力能源实现转换的主要设备，能够实现不同电压等级的电力能源的相互转换以便于电力系统的连接，优化电力能源的传输。

断路器

断路器概念：接通或断开电力系统各设备连接的重要设备。

断路器特点：它配置有相对完善的熄灭电弧的装置，具备断开电力系统的负荷电流和故障电流能力。

断路器作用：系统正常运行时根据需要改变电力系统的连接关系，调节潮流；系统故障时断开故障电流切断故障设备与系统的电气连接。

隔离开关

隔离开关概念：改变电力系统各设备连接方式（运行方式）的主要设备。

隔离开关特点：它没有熄灭电弧的装置，不具备断开电力系统的大负荷电流和故障电流能力；断路器断开回路后、等电位和设备空载的情况下操作。

隔离开关作用：系统正常运行时根据需要改变电力系统的运行方式；断开检修设备与系统的电气连接，形成明显的断开点，隔离检修设备。

接地开关

无功补偿装置

互感器

气体绝缘金属封闭开关设备

气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated metal-enclosed Switchgear，简称GIS）将断路器、隔离开关、接地开关、母线、互感器、避雷器、套管、电缆终端、油气套管等主要元件组合封闭在接地的金属壳体内，并充以一定压力的SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质。

GIS设备的优势：

结构紧凑，占用空间小，节省占地。

互联网小常识：构成超网的CIDR技术的两个特点：（1）采用网络前缀代替网络号+主机号的结构，形成新的二级网络地址结构，即IP地址可表示<网络前缀>+<主机号>（2）CIDR可以将网络前缀相同的连续IP地址组成一个CIDR地址块。CIDR地址的一个重要特点是地址汇聚与路由汇聚的能力。

模块化设计，运输方式灵活，现场安装、调试周期短。

内部元件设备密封于高压SF6气体中，不受外部环境的影响，运行稳定可靠，维护工作量极小。

元件设备集中安装便于进行在线监测。

全部设备均采用电动操作机构，便于实现远程自动控制。

各设备间除设置机械连锁外还设置操作电气回路连锁回路，操作安全性好。

智能组件

智能组件是若干智能电子装置（IED）的集合，安装于宿主设备旁，承担与宿主设备相关的测量、控制和监测等功能；在满足相关标准要求时，还可集成相关计量、保护等功能。

Intelligent Electronic Device带有处理器、具有以上全部或部分功能的一种电子装置。

智能组件为外置（易维护、升级、扩展）。

传感器可以内置或外置。

智能组件采集来自传感器的信息。

通过光纤与外系统相连。

由智能组件对设备状态就地做出判断。

通过光纤以太网使电网设备状态可观测。

最后发展到完全的智能设备，已经不再区分一次、二次的概念！

主变导入式局放传感器

主变内置式局放传感器

主变缝隙式局放传感器

主变光纤绕组测温光纤引出接口

主变铁心接地电流传感器

主变套管末屏接口及电流传感器

主变中性点避雷器

主变油中气体及微水监测

智能断路器技术分断路器监视和断路器智能操作

断路器主要监测参量

断路器加装机械、气体、局放状态监测单元和智能终端，实现测量数字化、控制网络化、状态可视化

断路器智能操作：按IEC定义动触头从一个位置到另一个位置的自适应控制的转换断路器的智能操作可根据电网发出的不同开断信息，自动调整操动机构和选择灭弧室的工作条件，从而改变了断路器的单一空载分闸特性。如：无载时以较低的分闸速度断开，故障时以较高速度断开等，以获得实际开断时电气和机械性能上的最佳开断效果。

基于罗氏线圈原理的有源电子式电流互感器

基于罗氏线圈原理的无源电子式电流互感器

mV级模拟量小信号传输，精度保证和抗干扰问题；

罗氏线圈绝缘实现问题。

基于低功率线圈原理的电子式电流互感器

基于磁光晶体原理的电子式电流互感器

基于磁光晶体原理的闭环块状玻璃光学电子式电流互感器

基于磁光晶体原理的开环块状玻璃光学电子式电流互感器

全光纤光学电流互感器

现有各种原理电子互感器的性能比较

非光学电子式电压互感器工作原理

分压型电压互感器（有源）

光学电子式电压互感器工作原理

基于Pockels效应分压传感原理的光学电压传感原理

光学电压互感器在物理机理上主要基于Pockels效应，它是指某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的一种现象，也称为线性电光效应。

当一束线偏振光沿某一方向进入电光晶体时，在外界电场作用下，光波将发生双折射，从晶体出射的两束双折射光之间产生了相位延迟，该延迟量与外加电场的强度成正比。

通过检测该相位延迟即可得到被测电压/电场的大小。

光学电子式电压互感器工作原理

基于逆压电效应的光学电压传感原理

晶体在电场作用下产生应变的现象称为逆压电效应。

晶体形变—﹥光信号调制—﹥检测光信号

电压引起的相位差：

光学电子式电压互感器优势：

1、绝缘性能好，用来做传感材料的磁光玻璃（或光纤）、传输信号的光纤都是良好的绝缘材料；

2、测量频带宽，可以达到1kHz以上；

3、不存在铁磁谐振等问题；

4、体积小，重量轻，节能环保，无需充油；

5、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。

光学电子式电压互感器存在问题：

1、研制难度大，对材料稳定性要求高；

2、间接利用了电场分压，环节多，设计难度较大；

3、长期稳定性有待验证。

互联网小常识：为了防止链路出现回路采用STP(spanning tree protocol，802.1d)。选择ID最小的网桥作为根网桥，非根网桥与根网桥最近的端口称为根端口，一个网段与根网桥最近的端口称为指定端口，其他称为阻塞端口。

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