变电站集成技术的发展——现代紧凑型变电站
更新：2019-03-23
摘要：介绍了电力系统数字光电电气测技术及基于该技术的智能开关装备系统，和基于站控和进程总线的变电站自动化系统。引进现代紧凑型变电站的概念并分析了其特点。以例证分析其靠得住性和寿命周期成本，认为现代紧凑型变电站是实现技术和经济化的途径。
关头词：紧凑型变电站；集成技术；智能开关装备系统；数字电气测
引言
变电站是电力系统的重要组成部门，面临竞争的电力市场和信息经济的成长，变电站的建设和更新改造面临下降成本、提高靠得住性、改善电能和削减占用土地的新挑战。“西电东送”是我国西部年夜开发成长战略的重要组成部门，提高西部电力送往东部的市场竞争力，必需下降输变电成本，是以，变电站的建设在“西电东送”战略中还面临下降投资的紧迫挑战和新的成长机遇。变电站由众多的一次和二次装备组成，其技术是一项综合的系统工程技术。新材料和现代电力电子、计较机、通讯、光电子、人工智能等技术的成长给变电站技术成长提供了新的成长机遇，哄骗高新技术，研究变电站未来的技术成长，建立新的变电站技术系统已成为电力几年夜重要技术的研究内容。
今朝，变电站新技术的开发和运用主要集中在以下几方面：①新材料制成的节能型变压器；②新型电子电压/电流变换器及由其组成的数字光电测系统；③开关装备集成技术，包括智能断路器和智能开关装备系统；④数字控制和庇护集成技术——变电站集成自动化系统；⑤人工智能和光纤网络通讯技术在变电站的运用；⑥基于以上技术的现代紧凑型变电站和新的变电站设计理念。
本文将计议基于现代微机、光电和通讯技术的变电站一次和二次装备集成技术，及由其组成的现代紧凑型变电站，并用寿命周期成天职析其经济性和靠得住性。
2数字光电电气测系统[1]
数字控制和庇护装配已普遍用于电力系统，它的输进仅需要±5V电压和mW级功率。常规的电压互感器（PT）和电流互感器（CT）输出划分为100V和（1A）。为顺应数字装配的输进要求，在PT、CT和数字装配之间需接进二次PT和CT。这样就增加了装配的复杂性。是以，开发新的测系统，直接将高压侧的高电压和电流直接变换为数字型控制、庇护、测和计所需的输进旌旗灯号是电力系统自动化和信息化面临的紧迫使命。
2.1新型电压和电流变换器（EVT&ECT）
数字光电电气测系统由毫瓦级输出功率的电压/电流互感器或光电电压/电流变换器和数字信息处置装配及其相互毗连的光缆组成。电压/电流变换器按原理可分为半常规电压/电流变换器和电－光变换器。基来源根基理分类如表1所示。
2.1.1电阻/电容型电压变换器
电阻/电容型电压变换器采用电阻/电容直接分压的工作原理，如图1所示：
原理与常规的电容式电压互感器不异，分歧的是其额定容在毫瓦级，输出电压不跨越±5V。是以，R1（或ZC1）应到达数百兆欧以上，而R2（或ZC2）在数十千欧数目级，为使电压变比K2接近K02=R2/(R1 R2)或C1/(C1 C2)，要求负载阻抗Z>>R2（或ZC2）。同时分压所用电阻和电容在－40℃- 80℃的情况温度中应阻值稳定，并有屏障措施，避免外界电磁干扰。
2.1.2微型CT和罗柯夫斯基电流变换器
微型CT是带铁芯的小旌旗灯号电流互感器，罗柯夫斯基电流变换器长短磁性材料小截面芯子的电流互感器，它们的工作原理与常规CT一样都是电磁感应原理，其等效电路图如图2所示。
图中微型CT的电阻Rb≈1W，m>1000m0；罗柯夫斯基线圈的电阻Rb≈a，m≈m0。
微型CT的输出电压U2=i2·Rb，与一次电流il成正比，而罗柯夫斯基电流变换器的输出电压U2与一次电流的微分成正比，凭据输出的积分才能算出一次电流。与常规电流互感器分歧的是输出仅为电压旌旗灯号，功率为毫瓦级。这样，经过适当的结构设计，可以实现从静态到暂态的线性测。
2.1.3电光电压变换器
光电电压测的基来源根基理是将高电压变换成光旌旗灯号，此旌旗灯号经由过程光纤从高压侧传至低压侧，然后将光旌旗灯号还原为低压电旌旗灯号实现电压丈。高压线路对地电压U是线对地空间电场强度的积分：
普克尔斯光电效应是一类晶体的物理特征，哄骗普克尔斯效应可将电场强度的积分转换成光的强度进行测。电－光电压变换原理如图3所示。
如图3所示，波长为λ、强度为P0的光束穿过偏振片发生偏振光，在电场作用下，由于晶体的普克尔斯效应其输出光强度P随加在晶体上的电场强度即加在其上的电压而变化
式中U0=λ/2γn30称为半波电压，γ为晶体的线性电光系数，n0为无外加电场时的折射率。为确保丈精度和线性度，U应在5U0范围内变化，并选用情况温度在－40℃- 80℃范围内变化时性能稳定的晶体材料。
2.1.4磁光电流变换器
磁光电流变换器的原理是法拉第磁光效应，即线性偏振光经由过程磁光晶体材料时在外界磁场作用下发生偏振面旋转，其旋转角度θ与磁场强度成正比，即
θ=VeHL(3)
式中Ve为磁光晶体费尔德常数（Verdet），H为磁场强度；L为光束经由过程磁场长度。磁光电流变换原理如图4所示。
磁光电流变换器的输出光强度P为：
式中N为一次电流线圈匝数；I为一次电流；P0为输进光强度。为确保测精度和线性度，在一次测电流年夜（短路电流）的情况下，θ应在±5°范围内，应选用在情况温度－40℃- 80℃情况下性能稳定的晶体材料，并采用振荡抵偿措施。
2.2数字光电测系统
新型电压/电流变换器与常规的CT和PT分歧，其输出不直接用于控制和庇护装配，需经过数字信息处置后才能作为二次系统各装配的输进旌旗灯号。数字光电电气测系统由新型电压/电流变换器和数字旌旗灯号处置及其响应毗连装配组成，按结构可分两类：
（1）以电阻/电容电压变换器、微型CT和罗柯夫斯基线圈组成的数字测系统，如图5所示。
（2）以电光电压和电流变换器组成的数字光电测系统，如图6所示。
电压/电流变换器不管是电变电仍是电变光，在现实运用时一般都按相组合为一体，形成组合电压／电流变换器。为顺应今朝庇护和测划分输进的要求，测系统除输出数字旌旗灯号外还可有一路庇护用的模拟输出。
2.3数字光电测系统的特点
新型电压/电流变换器为根蒂根基组成的数字光电测系统与常规的PT和CT相比，具有较着的越性，主要是：①对静态和暂态测具有几近一样的测精度，知足IEC尺度中0.2的精度要求；一套测系统可同时用于测、计、控制、庇护和故障录波；②频带宽、动态响应快；③无磁饱和及剩磁引发的二次输出畸变问题，在故障情况下真实再现高压一次电压和电流特征；④结构紧凑、体积小、重轻、成本低；⑤抗电磁干扰能力强。
3集成开关装备系统
GIS组合电器将断路器、隔离和接地开关、常规PT和CT和母线组合在一个SF6尽缘的密封壳体内，实现了变电站安插的紧凑化，因其制造成本高，今朝多用于土地价格昂贵或空间有限的变电站。但以SF6为尽缘介的断路器今朝已基本取代了少油和空气断路器。在其普遍运用的近30年中，其靠得住性和可用率呈较着上升趋向，主要故障次数已从20年前的0.0158降到0.0067次/每百开关年，下降了60。其主要故障散布如图7所示。从图中可看出，常规的操作机构、二次和辅助系统引发的故障占70以上，采用新的技术可以使这部门故障率下降，SF6断路器的靠得住性将进一步提高。本文所指开关装备的集成是基于SF6尽缘的开关装备系统集成。
3.1集成开关装备系统（IASS）[2]
用于户外变电站的集成开关装备指的是金属壳内、SF6尽缘的开关模块和空气尽缘元件的组合体。今朝列国正在研究和实验的集成开关有分歧的组合模式，能够年夜幅度削减土地占用、削减寿命周期成本的模式是在一个封锁的布满SF6尽缘气体的金属壳内将一个距离内每相的断路器、隔脱离关和接地开关、新型电压和电流变换器组合成一个整体，出线由支持尽缘子引出的集成开关装备系统。图8所示为一种双母线集成开关装备系统和常规开关装备系统的单线图，图9为集成开关装备系统示意图。
在这类集成系统中，SF6尽缘性能好、高压对地尽缘距离短，宜选用电阻/电容电压变换器和微型CT及罗柯夫斯基电流变换器进行电压和电流的测，220kV及以上的系统建议采用电容环分压器和罗柯夫斯基线圈组合为一体的变换器，110kV及以下的系统可斟酌选为电阻分压和微型CT组合为一体的变换器。
3.2集成智能开关装备系统
今朝SF6断路器的操作能已削减到初的20，并可期看进一步削减到10。操作能的年夜幅度削减使断路器的断开与闭合由电力电子和微机组成的控制装配来取代常规的辅助开关、继电器等有触点的控制器来执行成为可能；同时为开关的智能化提供了可能。
集成开关装备系统的智能性主要浮现在以下方面：①按电压波形控制合闸角，按好灭弧时间控制跳闸，以削减操作过电压，延长开关装备寿命；②实现距离内自动闭锁和“五防”功能，保证装备和人身平安；③就地实现重合闸，执行当地可以执行的功能，而不依赖站级的控制系统；④实现装备在线自动监视和诊断，当装备泛起缺陷时，在演变为故障前发出报警旌旗灯号，为状态维修提供参考。
实现开关装备的智能化必需在断路器内嵌进电压和电流变换器及其数字光电测系统，并作为智能控制的输进。集成开关装备系统的智能性由微机控制的二次系统、人工智能接口装配（IED）和响应的智能软件来实现。
4变电站集成自动化[3,4]
今朝，变电站的监视、控制、庇护、故障录波、测与计等虽然实现了微机数字化，但这些装备几近都是功能单一的相互自力的装配和系统。这类按功能划分的变电站自动化系统，硬件重复设置装备摆设、信息不同享、PT和CT负载重、二次结线复杂、整体靠得住性差、投资成本年夜。面向对象将原来涣散的二次装配进行合理的功能集成将简化整个二次系统结构，提高靠得住性和可用率。新型测技术和智能集成开关系统的开发和运用，可提供数据和信息的集中收集，统一传送，分歧功能同享的模式，将推动集成自动化的深进成长。
4.1集成自动化的功能
变电站自动化系统的功能主要取决于变电站在电力系统中的地位、作用、规模、电压品级和一次装备情况。对于高压、超高压变电站来说，主要有以下3个方面；①监视与控制：运行数据和信息的收集、测与计、运行监视、运行操作、自动控制，包括紧急控制与当地后备控制、事务记实和故障录波、RTU功能、统计分析。②继电庇护：线路庇护与自动化重合闸、母线庇护、变压器庇护。当电力系统和变电站自己发生故障时，继电庇护应准确判断故障、跳开响应的断路器迅速切除故障。③装备运行与维护；装备状态数据收集、在线诊断、装备状态和靠得住性维修指导、自动故障恢复。
需强调的是，随着变电站无人值守和装备远方诊断、状态维修和以靠得住性为中心的维修技术的成长，装备运行与维护系统应成为变电站自动化系统的重要组成部门。
4.2自动化系统集成的分类
自动化系统的集成可分为两个条理，即距离级和变电站站级。距离级的集成是修建一个通用的硬件和软件平台，将距离内的控制、庇护、监视、操作闭锁、诊断和计等功能集成在这个通用平台上。通用的硬件平台系由一组元件组成的多功能装配，这类通用硬件平台可所以多CPU组成的并列处置系统；通用的软件平台指的是在多功能硬件装配内建立统一的数据输进与数据库，按功能建立功能软件模块，完成各功能使命，并进行功能协调化。这样原来距离内必需执行的功能将不再设置装备摆设用的硬件装配。站级的集成是自动化需要在站级处置的各个功能经由过程站内通讯网络组合在统一的系统中，这样原来面向分歧使命的分隔系统和多个通讯网络不再需要，从而简化了网络结构和通讯规约。
距离和站级功能集成的划分原则应是：凡距离级能执行的功能不应由站级来执行，凡进程级能执行的功能不应由距离级处置，以实现功能分层散布化处置。例如故障录波功能可以集成到DOIU中。在智能集成开关系统中，其二次系统已实现了智能化，这样，自动重合闸、距离内闭锁等功能即可集成到其二次系统中。
凭据自动化在距离和站级功能的集成水平，变电站自动化系统分为协调型自动化系统和全集成自动化系统。协调型自动化系统指的是距离内依然保留各自自力的控制、庇护装配，经由过程统一的通讯网络与站级相连，由站级的计较机系统对各功能进行协调；全集成自动化系统指的是距离内执行的功能和数据处置集成在一个统一的多功能数字装配内，距离内部、距离间和距离同站级间用少许光纤总线进行网络通讯的自动化系统。
4.3协调自动化系统
协调自动化系统结构如图10所示。
4.4全集成自动化系统
协调型自动化系统的进一步成长将是全集成自动化系统。全集成自动化系统基本结构如图11所示。与协调型自动化系统相比，其距离级的DAP、DAC和Prot由多功能装配取代，结构更简单、经济性更好，但靠得住性设计要求更高。
在整体设计方面要对站级、距离级和进程级的功能进行化，将功能尽散布在进程级。多功能装配集成了较多的功能，应按各功能响应时间和对电力系统的影响水平肯定功能的先级别。继电庇护、紧急控制及与庇护相关的功能要响应快，处于级别。对于靠得住性要求高的变电站庇护、测和数据库等应采用两重模块，互为备用。
4.5站内通讯
由图10、11可知，变电站自动化系统由站级、距离级和进程级3个条理组成，由站控总线和进程总线进行通讯毗连。站控总线处置站级与距离级各控制装备之间通讯，而进程总线处置距离级与进程级各类智能一次装备之间的通讯。由于数据的收集和传送不再是模拟的点对点方式，而采用集中收集和处置，以网络通讯的方式传送，是以距离级出格是进程级各控制装备应有顺应网络通讯的数字接口。
在协调型自动化系统中，测数据经由过程点对点毗连，直接从DOIU送往庇护装配，进程总线用于控制和监视和轮回采样瞬时值的传送，庇护装配对断路器的控制饬令也用点对点传送，这样比力适合于现在数字式继电庇护装配。点对点毗连和进程总线的传输速度要求均为10Mbit/s。在IEC61850系列尺度中，测数据规约是IEC61850-9-1/IEC60044-8，进程总线规约是IEC61850-9-2，进程总线可采用现场总线结构，而站控制总线采用以太网。在全集成自动化系统中，测、控制和庇护的数据和信息传送均经由过程进程总线，进程总线的传输速度应到达100Mbit/s，采用以太网较好。是以，全集成自动化系统中站控和进程总线均采用以太网进行通讯。
4.6组合的进程总线和站控总线
鉴于进程总线和站控总线在全集成自动化系统中采用以太网通讯结构，为了削减距离级控制装配的数字接口，将进程和站控以太网组合为一个以太网是成长的必然，其通讯规约将采用TCP/IP规约。将进程总线和站控总线组合为统一以太网的变电站全集成自动化系统如图12所示。对于靠得住性要求较高的变电站应采用两重站内通讯系统及其响应的两重数字接口。
4.7尺度化
IEC凭据未来基于数字光电电气测、智能开关装备和数字庇护及通讯的变电站全数字自动化系统的预期成长，正在拟定变电站内的开放式通讯系统尺度，即IEC61850系列尺度。该系列尺度笼盖进程总线和站控总线和站内各智能接口的通讯尺度，既顺应现有自动化水平又面向未来成长，是完全开放式的通用尺度。尺度共分10部门，即基来源根基理、名词术语、总的要求、系统和项目经管、通讯要求、变电站结构语言、基本通讯结构（ACSI）、站控总线图（profileforstationbus）、进程总线图（profileforprocessbus）和性能（验收）实验等，方针是依此建立的站内通讯系统面向分歧厂家装备，顺应不异功能和运行要求的装备交换性。今朝国内各厂家生产的变电站自动化系统，包括庇护和控制，通讯系统和尺度各自立门户，晦气于技术成长，增加了设计、调试坚苦和系统的成本，也晦气于市场竞争。IEC61850系列尺度现已部门出书，我国将与接轨，推行此系列尺度。建议各制造厂家赶快向IEC61850尺度靠拢，使系统简化、靠得住，下降成本，促进变电站自动化水平的提高。
5现代紧凑型变电站
现代紧凑型变电站指由上述集成开关装备系统或其他紧凑型开关装备、数字光电电气测系统、集成自动化系统按进步前辈设计理念进行装备安插的变电站。在这类变电站中隔脱离关和接地开关元件数目较着削减，如图13所示，选用单母线毗连的集成开关装备系统组成一个半开关接线，与常规安插相比，一个距离内隔脱离关从8个削减到3个，接地开关从11个削减到3个。这类变电站的一次和二次装备实现了集成，可在工场整体组装、调整和实验，开关装备控制系统、光电电气测系统和距离的控制庇护系统可有机组合在距离电气柜或小室内并将其安插在紧靠一次装备的位置。
现代紧凑型变电站的主要特点是：站内元件和装备数目少、装备安插灵活紧凑、占地面积小、空间视觉佳、年夜削减土建成本，一次和二次装备的集成使尽年夜部门可在工场事前组装、调整和实验，年夜年夜削减了现场的装配、安装、电缆毗连和调整、实验工作。在工场内清洁安装、调试还可提高装备靠得住性，所有带电触头密封于SF6气室内，断路器和整个二次系统可进行接连在线诊断和监视，无需按时检查，可实现状态维修和基于企局域网的远方监控，年夜年夜提高了装备的可用率和靠得住性。
6现代紧凑型变电站的经济性和靠得住性
推动现代紧凑型变电站包括一次和二次系统集成技术的研究、开发和运用的主要动力是它的经济性和靠得住性，在竞争的电力市场情况下，变电站的新建和更新改造可用变电站寿命周期成原本衡。
6.1寿命周期成本小
寿命周期成本指的是变电站的一次投资成本，包括装备的采办、运输、安装和调试，站址的土地征用、土建工程等费用和从变电站系统调试后算起的整个经济运行时代逐年支付的运行、维护、维修、经管和与靠得住性相关连的中断供电损失成本的总和。寿命周期成本（LifeCycleCost），简称LCC
LCC=IC OC MC FC(6)
式中IC为一次投资成本，OC、MC、FC划分为整个经济运行寿命周期内运行、维护和中断供电损失成本的总和。
变电站的经济性和靠得住性要求是：在化的靠得住性条件下，寿命周期成本小。
6.2靠得住性的经济怀抱
随着电力市场的成长，靠得住性将更多地用停电酿成的社会经济损失包括供电企削减供电的损失来怀抱。变电站的靠得住性指标是：停电几率（次/年）和停电延续时间（h/次），两者均包括强制（几率）停电和计划停电。它的经济描写就是停电的经济损失，称为中断供电损失成本（FC）。
式中λj,Tj为j装备平均故障停电几率和延续时间；MTTRj为j装备的平均修复时间；RCj为j装备的平均修复成本；Wj为j装备故障的停电功率；a,b划分为用户停电的功率和电价值。
靠得住性高意味着停电酿成的社会经济损失小，供电企的投资增年夜；靠得住性低意味着停电酿成的社会经济损失增加，保证较低的靠得住性，供电企的投资可响应削减。是以，对变电站的靠得住性要求要依据变电站在电力系统的作用和地位进行化，靠得住性的化指供电企微增靠得住性支出的边际成本等于微增靠得住性削减中断供电损失的边际成本。
6.3具有自我监视和诊断的靠得住性
基于微机的数字装配或系统应当而且可能配备自检系统，实时监视和诊断运行状态，泛起缺陷和故障隐患时即时报警。
具有自我监视和诊断功能的装备及其组成的变电站从理论上讲具有比常规系统更高的靠得住性和可用率。图14给出了具有自我监视和诊断的变电站（或装备）与常规变电站（或装备）靠得住性和可用率的基本差异。
6.4自我监视和诊断功能要求
进程级、距离级和站级三个条理应有完善的自我监视和诊断功能，主要要求是；①接连对开关装备、变压器，出格是断路器进行自检，设置装备摆设各类传感器，监视一次装备运行状态，发现装备的1、二次系统故障隐患，即时报警；②距离级、站级的控制庇护装配和系统接连自我监视诊断，发现致使可能不准确动作的缺陷时即时报警；③站控系统具有周期查询距离级的自检功能，确保各级自检功能的可用性。
6.5紧凑型变电站的靠得住性和经济性分析
哄骗靠得住性和寿命周期成天职析软件可对变电站的靠得住性和寿命周期成本进行计较，从几个可行的方案中选出靠得住性高、寿命周期成本小的方案。
（1）超高压、紧凑型枢纽变电站的经济性和靠得住性[5]比力
例：计划兴修的420kV枢纽变电站原拟采用双母带旁路的主结线方案，常规的1、二次装备和系统以便和两个电厂与系统相连。常规变电站单线图如图15所示。
现采用集成开关装备和微机数字控制庇护装配组成的现代型紧凑变电站，主结线为环型母线。控制庇护装配下放到开关现场，其单线图如图16所示。
对这两个方案，采用CIGRE查询拜访的变电站元件靠得住性数据进行靠得住性和寿命周期成天职析计较，元件靠得住性数据如表2所示，计较成效见表3和表4。计较成效讲明：现代紧凑型变电站的靠得住性和寿命周期成本与常规变电站相比都具有较着的越性。
（2）110kV负荷端紧凑型变电站的经济性[6]比力
对某已投运的110kV变电站划分采用尺度的H型接线方案和采用集成开关装备及微机数字庇护装配组成紧凑型变电站，进行经济性比力，成效见表5。成效讲明：采用紧凑型变电站虽早期一次装备投进较高一些，但基建、安装、调试和维修成本下降很多，总成本仍能显著下降。
7结论
由数字光电电气测系统、智能集成开关装备系统和集成自动化系统组成的现代紧凑型变电站，可实现一次和二次系统的技术集成，结构紧凑，占地面积小，在提高靠得住性的同时可下降整个变电站的建设、运行和维修成本，是从此变电站的成长标的目的和实现技术、经济化的途径。
参考文献
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