数字化变电站高压专业调研报告.docx
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数字化变电站高压专业调研报告
“数字化变电站”高压专业
调研报告
贵州电力试验研究院
2009年7月
工作部门：
高压所
工作人员：
刘华麟
编写人：
审核：
批准：
批准日期：
年月日
数字化变电站高压专业调研报告
近年来随着基于光学和电子学原理的电子式电压、电流互感器技术的不断发展，常规模拟信号和控制电缆将逐步被光电数字信号和光纤代替。
智能化的一次设备开始出现；同时为了实现设备之间的互操作，最终真正实现电力实时数据与资源共享。
国际电工委员会TC57制定了IEC61850标准，因此数字化变电站主要核心技术体现在IEC61850标准以及电子式互感器的应用上，这两大技术的应用对传统的变电站带来了巨大的革命性影响，也代表了未来变电站技术领域发展的主要趋势方向。
目前在国内将光电式互感器技术应用于变电站的已有几十座，贵州电网系统内还没有，正准备上第一个220kV户内GIS数字化变电站——会文变。
为了学习数字化变电站及对数字化变电站运行管理等技术，2009.7.7～2009.7.15在贵州电网公司工程部、建管中心的领导下，组织了贵阳供电局、试研院与设计院对北京四方继保自动化股份有限公司、国电南瑞科技股份有限公司、南京新宁光电自动化有限公司、南京南瑞继保电气有限公司、国电南京自动化股份有限公司、江苏金智科技股份有限公司进行了调研收资工作，我有幸参加了这次调研收资工作，现把我这次调研工作情况报告如下。
1、调研单位概况（单位按考察顺序）
1.1、北京四方继保自动化股份有限公司
北京四方继保自动化股份有限公司成立于1994年，主要从事电力系统自动化及继电保护装置的研究、开发、生产和销售，是为电力系统及相关行业服务的高新技术企业。
目前在数字化变电站中做监控系统、远动系统及间隔层设备，一次的电子式互感器设备已研制出来，还在试验阶段。
1.2、国电南瑞科技股份有限公司
国电南瑞科技股份有限公司成立于2001年2月28日，是由南京南瑞集团公司作为主发起人，以南京南瑞集团公司下属三家分公司的资产经过重组，联合其它七家战略投资者共同发起设立，2003年9月24日在上海证券交易所上市，2006年完成股权分置改革工作。
主要生产电网调度自动化、变电站自动化、轨道交通及电气保护自动化、电力市场技术支持、电能量计量计费、配电自动化、农电自动化、火电厂及工业控制自动化等设备。
南瑞科技股份有限公司与中国航天时代电子公司合资成立了南瑞航天电气控制技术有限公司，该公司致力于电网数字化管理及相关装备的研究、开发和销售、服务，以实现关键技术产业化的高新技术企业，大力发展符合电力系统要求的光CT和光PT的研发和产业化，并拓展同源技术应用于计量表计、保护、控制、故障录波等电力系统的相关产业。
1.3、南京新宁光电自动化有限公司
南京新宁光电公司是专业从事电子式互感器、电力系统自动化设备的技术研究、产品开发、生产销售和工程服务的一家搞新技术企业。
该企业生产OET700系列电子式互感器，包括电流电压组合式互感器、电流互感器、电压互感器，电压等级涵盖10kV至500kV；安装类型包括支柱式、GIS式、PASS式、开关式、套管式等。
1.4、南京南瑞继保电气有限公司
南京南瑞继保电气有限公司专业从事电力系统保护和控制领域的技术研究、产品开发、生产销售和工程服务，是国家级重点高新技术企业、国家规划布局内重点软件企业、中国软件百强企业和中国电气工业百强企业。
1.5、国电南京自动化股份有限公司
国电南京自动化股份有限公司是1999年在上海证卷交易所上市，前身是南京电力自动化设备总厂，公司主要从事输变电继电保护、电网自动化、电厂自动化、水电自动化、工业及轨道交通自动化、电力节能环保、水环保工程等技术研究、产品开发、生产与销售和工程服务等。
1.6、江苏金智科技股份有限公司
江苏金智科技股份有限公司是源于东南大学，创建于1995年，原名为东大金智科技，后改名为江苏金智科技股份有限公司，2006年在深圳证卷交易所上市。
公司主要生产电网保护及安全控制、变电站保护与自动化、调度自动化、用配电自动化、发电厂电气自动化和水利自动化设备等。
公司目前没有生产电子式互感器类产品。
2、电子式互感器研究生产情况
2.1、国电南瑞科技股份有限公司
图1工作接线图
今年6月该公司生产的全光纤电子式NAE-GL系列电流互感器通过江苏省信息产业厅主持的技术成果鉴定，委员会一致认为，NAE-GL系列全光纤电子式电流互感器解决了光纤电子式电流互感器一般存在的稳定性差，易受温度、外磁场、振动以及应力双折射影响等技术难题；采用闭环控制等技术，测量精度高、频带宽且无饱和现象；技术先进、结构合理、性能可靠，具有自主知识产权，多项技术填补国内空白，并达到国际领先水平，在电网数字化领域有良好的应用前景。
NAE-G系列互感器基本工作原理是利用磁光法拉第效应，通过光波在通电导体的磁场作用下，光的传播发生相位变化，检测光强的相位变化，测出对应电流大小。
工作接线如图1所示，工作原理如图2所示，光波相位如图3所示。
其优点表现在：
敏感元件和传输元件都是光纤；输入输出光路为统一路径，提高了抗干扰能力，安全可靠性高；也采用独特的闭环控制技术，动态范围大和精度高。
图2工作原理图
图3光波相位变化图
2.2、南京新宁光电自动化有限公司
南京新宁光电自动化有限公司生产的OET700系列数字式光电电流电压互感器，是利用电磁感应原理的Rogowski线圈以及串行感应分压器实现的混合式交流电流电压互感器。
OET700系列包括电流电压互感器，电流互感器，电压互感器。
如图4所示，传感头部件包括串行感应分压器、Rogowski线圈、采集器等。
传感头部件与电力设备的高压部分等电位，传变后的电压和电流模拟量由采集器就地转换成数字信号。
采集器与合并器间的数字信号传输及激光电源的能量传输全部通过光纤来进行。
电流互感器传感头部件如下图5所示，P1-P2是一次导线，N1-N2是取能线圈，1S1-1S2是测量用低功率线圈，1L1-1L2是保护用罗氏线圈。
如有多个测量线圈和保护线圈，则为2S1-2S2和2L1-2L2等，P1和1S1、1L1等是同名端，P2和1S1、1L1等是对应端。
1L1-1L2输出的信号在相位上超出P1-P2中电流信号90o.
图4OET700系列互感器工作框图
图5电流互感器传感头部件
图6电压互感器分压原理图
数字式光电电压互感器是利用串行感应分压器实现的电压互感器，分压原理如下图6所示，在额定电压下数字量输出为1.5V。
将电流电压结合在一起，就是电子式电流电压互感器，传感头部件由电流传感器，串接式感应分压器，采集器单元（OESC），取能线圈，光电转换单元，屏蔽环，铝铸件等构成。
对于10kV~35kV互感器，传感头部件中不包含采集器单元，模拟信号直接由合并器完成模数转换，如图7所示。
图7传感头部件及信号柱结构图
信号柱由环氧筒构成支撑件，筒内填充绝缘脂，以增强绝缘并保护光缆。
2.3、南京南瑞继保电气有限公司
南瑞继保电气有限公司现已在独立开发电子式互感器，有光学电流互感器、光学电压互感器、光学电流电压互感器，电子式电流电压互感器就是将电流互感器和电压互感器组合为一体。
产品分为独立型电子式互感器与GIS型电子式互感器。
2.3.1.独立型电子式互感器
2.3.1.1电子式电流互感器
电子式电流互感器采用低功率铁芯线圈（LPCT）传感测量电流，采用空芯线圈传感保护电流，这样可使电流互感器具有较高的测量准确度、较大的动态范围及较好的暂态特性，采用硅橡胶复合绝缘子，绝缘结构简单可靠、体积小、重量轻。
图7电子式电流互感器结构原理示意图
图7所示为电子式电流互感器的结构原理图。
电子式电流互感器主要由四部分组成：
（1）一次传感器，一次传感器位于高压侧，包括一个低功率CT、两个空芯线圈、一个高压电流取能线圈。
低功率CT用于传感测量级电流信号，空芯线圈用于传感保护级电流信号，取能线圈用于从一次电流获取电能供远端电子模块工作；
（2）远端电子模块，远端电子模块也称一次转换器，位于高压侧。
电子式电流互感器有两个完全相同远端模块，两个远端模块互为备用，保证互感器具有较高的可靠性。
远端电子模块接收并处理低功率CT及空芯线圈的输出信号，远端电子模块的输出为串行数字光信号。
远端电子模块的工作电源由合并单元内的激光器或高压电流取能线圈提供，当一次电流小于20A时远端模块的工作电源由激光器提供，当一次电流大于20A时远端模块的工作电源由高压电流取能线圈提供，两种供电方式可实现无缝切换；（3）光纤绝缘子，绝缘子为内嵌光纤的实芯支柱式复合绝缘子。
绝缘子内嵌8根62.5/125um的多模光纤，实际使用4根光纤（两根传输激光，两根传输数字信号），另外4根光纤备用。
光纤绝缘子高压端光纤以ST头与远端模块对接，低压端光纤以熔接的方式与传输信号的光缆对接；（4）合并单元，合并单元置于控制室，合并单元一方面为远端模块提供供能激光，另一方面接收并处理三相电流互感器及三相电压互感器远端模块下发的数据，对三相电流电压信号进行同步，并将测量数据按规定的协议（IEC60044-8或IEC61850-9-1/2）输出供二次设备使用。
合并单元的输出信号采用62.5/125um多模光纤传送，接头为ST型。
2.3.1.2电子式电压互感器
电子式电压互感器采用电容分压器传感被测电压，体积较小、重量较轻、线性度好。
图8电子式电压互感器结构原理示意图
电子式电压互感器主要由三部分组成：
（1）电容分压器，电容分压器将被测高电压分出一较低电压信号给远端模块进行处理。
电容分压器采用已在系统中获得广泛应用的CVT电容分压器，性能稳定可靠。
电容分压器的外绝缘采用硅橡胶复合绝缘子，重量较轻。
电容分压器可以兼作载波通讯；
（2）远端电子模块，远端电子模块也称一次转换器，位于低压侧的底座内。
电子式电压互感器有两个完全相同远端模块，两个远端模块互为备用，保证互感器具有较高的可靠性。
远端电子模块接收并处理电容分压器的输出信号，远端电子模块的输出为串行数字光信号。
远端电子模块的工作电源由变电站内直流220V或直流110V电源提供；
（3）合并单元，合并单元置于控制室，合并单元同时接收并处理三相电压互感器及三相电流互感器远端模块下发的数据，对三相电流电压信号进行同步，并将测量数据按规定的协议（IEC60044-8或IEC61850-9-1/2）输出供二次设备使用。
合并单元的输出信号采用62.5/125um多模光纤传送，接头为ST型。
图8为电子式电流互感器的结构原理图。
2.3.1.3电子式电流电压组合互感器
电子式电流电压组合互感器将电流互感器和电压互感器组合为一体，主要由四部分组成：
（1）一次电流传感器，一次电流传感器位于高压侧，包括一个低功率CT、两个空芯线圈、一个高压电流取能线圈。
低功率CT用于传感测量级电流信号，空芯线圈用于传感保护级电流信号，取能线圈用于从一次电流获取电能供远端电子模块工作；
（2）远端电子模块，远端电子模块也称一次转换器，位于高压侧。
互感器有两个完全相同的远端模块，两个远端模块互为备用，保证互感器具有较高的可靠性。
远端电子模块同时接收并处理低功率CT、空芯线圈及电容分压器的输出信号，远端电子模块的输出为串行数字光信号。
远端电子模块的工作电源由合并单元内的激光器或高压电流取能线圈提供，当一次电流小于20A时远端模块的工作电源由激光器提供，当一次电流大于20A时远端模块的工作电源由高压电流取能线圈提供，两种供电方式可实现无缝切换；（3）电容分压器，电容分压器将被测高电压分出一较低电压信号给远端模块进行处理，分压信号从电容分压器的高压端引出。
电容分压器采用已在系统中获得广泛应用的CVT电容分压器，性能稳定可靠。
电容分压器的外绝缘采用硅橡胶复合绝缘子，重量较轻。
在复合绝缘子的环氧筒外侧嵌有8根62.5/125um的多模光纤，用以传输激光及数字信号，实际使用4根光纤（两根传输激光，两根传输数字信号），另外4根光纤备用。
高压端光纤以ST头与远端模块对接，低压端光纤以熔接的方式与传输信号的光缆对接。
电容分压器可以兼作载波通讯；（4）合并单元，合并单元置于控制室，合并单元一方面为远端模块提供供能激光，另一方面接收并处理三相电流电压互感器远端模块下发的数据，对三相电流电压信号进行同步，并将测量数据按规定的协议（IEC60044-8或IEC61850-9-1/2）输出供二次设备使用。
合并单元的输出信号采用62.5/125um多模光纤传送，接头为ST型。
图9为电子式电流电压组合互感器的结构原理图。
图9电子式电流电压组合互感器结构原理示意图
2.3.1.4互感器交接试验
互感器安装前或安装后进行下列现场试验项目：
（1）外观检查，仔细检查互感器的外观有无损伤；
（2）核对铭牌，核对产品的铭牌参数与使用要求是否一致；（3）短时工频（或变频）耐压试验；（4）互感器变比测试（有条件时可进行准确度试验）；（5）极性检验；（6）光纤传光性能检验。
2.3.2.气体绝缘开关（GIS）用电子式电流电压互感器
2.3.2.1电子式电流电压互感器
电流互感器采用低功率铁芯线圈（LPCT）传感测量电流，采用空芯线圈传感保护电流，这样可使电流互感器具有较高的测量准确度、较大的动态范围及较好的暂态特性。
GIS用电子式电流电压互感器主要由三部分组成：
（1）一次结构主体，包括互感器罐体、变径壳体、绝缘盆子、一次导体等，互感器罐体接地，内装电流电压传感器等部件，变径壳体的主要作用是使电子式互感器能够适用于不同厂家的GIS，一次导体固定于绝缘盆子上，一次导体与互感器罐体间充SF6绝缘气体；
（2）一次传感器，包括两套完全相同的传感元件，每套传感元件包括一个低功率CT、一个空芯线圈、一个同轴电容分压器。
低功率CT用于传感测量级电流信号，空芯线圈用于传感保护级电流信号，电容分压器用于传感电压信号；（3）远端电子模块，远端电子模块也称一次转换器。
电子式电流电压互感器有两个完全相同远端模块，两个远端模块互为备用，保证电子式互感器具有较高的可靠性。
远端模块接收并处理低功率CT、空芯线圈及电容分压器的输出信号，远端模块输出的串行数字光信号由光缆送至合并单元。
远端模块的工作电源由GIS汇控柜内的DC220V（或DC110V）提供。
一次传感器及远端模块均位于低压侧，双重化冗余布置，其结构框图如图10所示。
2.3.2.2电流传感器
电流传感器利用空芯线圈及低功率CT传感被测一次电流。
低功率CT（LPCT）的工作原理与常规CT的原理相同，只是LPCT的输出功率要求很小，因此其铁芯截面就较小。
空芯线圈是一种密绕于非磁性骨架上的螺线管，如图11所示。
空芯线圈不含铁芯，具有很好的线性度。
空芯线圈的输出信号e与被测电流i有如下关系：
式中0为真空磁导率，n为线圈匝数密度，s为线圈截面积。
据上式，利用电子电路对线圈的输出信号进行积分变换便可求得被测电流i。
空芯线圈无铁芯，其性能易受温度及外磁场等干扰因素的影响。
采取恰当的绕制技术可减小干扰的影响，本产品绕制的空芯线圈受温度及外磁场干扰的影响很小。
图11空心线圈
2.3.2.3电压传感器
电压传感器利用利用同轴电容分压器测量电压。
如图12所示，为提高电压测量的精度，改善电压测量的暂态特性，在电容分压器的输出端并一精密小电阻。
电容分压器的输出信号uo（t）与被测电压ui（t）有如下关系：
（
）
式中C1为高压电容，C2为低压电容。
据上式，利用电子电路对电压传感器的输出信号进行积分变换便可求得被测电压。
图12电容分压器
2.3.2.4互感器交接试验
使用前，必须对产品充至额定气压，并进行如下交接试验：
（1）短时工频（或变频）耐压试验（与GIS本体一起进行）；
（2）密封性检测（与GIS本体一起进行）；（3）SF6气体水分含量试验（与GIS本体一起进行）；（4）检查各接地点是否可靠；（5）光纤传光性能检测；（6）互感器变比测试。
2.4、国电南京自动化股份有限公司
国电南京自动化股份有限公司生产的电子式互感器与南京南瑞继保电气有限公司的产品原理是一样的，目前只生产独立式的电子式互感器，包括电流电压互感器、电流互感器、电压互感器，还没有生产GIS用电子式互感器产品。
PSET6000系列电子式互感器可实现交流高电压大电流的传变，并以数字信号形式通过光纤提供给保护、测量等相应装置；合并单元还具有模拟量输入接口，可以把来自其它模拟式互感器的信号量转换成数字信号，以光纤以太网或光纤串行接口输出数据，简化了保护、计量等功能装置的接线。
电子式电流电压互感器是利用电磁感应原理的Rogowski线圈以及新型电容分压器实现的混合式交流电流电压互感器。
产品系列包括电流电压互感器，电流互感器，电压互感器。
该互感器涵盖了传统电磁式互感器的所有应用场合，其中对交直流高压、超高压以及对精度、暂态特性要求高的场合尤其适合。
图13互感器工作框图
如图13所示，传感头部件包括电容分压器、Rogowski线圈、采集器等。
传感头部件与电力设备的高压部分等电位，传变后的电压和电流模拟量由采集器就地转换成数字信号。
采集器与合并单元间的数字信号传输及激光电源的能量传输全部通过光纤来进行。
3、电子式互感器技术性能比较
基于光学传感技术的无源光学电流互感器和无源光学电压互感器以及基于空芯线圈的有源电子互感器有效克服了传统电磁式互感器的缺点，近20年来一直受到美国、日本、法国和中国等国学者和工程技术人员的广泛关注和深入研究，逐步成为互感器发展的主要方向。
与传统电磁式互感器相比，电子式互感器具有非常明显的优点，表现在以下：
（1）电子式互感器实现的大电流传变，使得光电电流互感器具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好等优点。
光电电压互感器采用了串行感应分压器，解决了传统电压互感器可能出现铁磁谐振的问题；
（2）采集器处于和被测量电压等电位的密闭屏蔽的传感头部件中，采集器和合并器通过光纤相连，数字信号在光缆中传输，增强了抗EMI性能，数据可靠性大大提高；（3）光电互感器通过光纤连接互感器的高低压部分，绝缘结构大为简单。
以绝缘脂替代了传统互感器的油或SF6，互感器性能更加稳定，同时避免了传统充油互感器渗漏油现象，也避免了SF6互感器的SF6气体对环境的影响。
无需检压检漏，运行过程中免维护；（4）无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故；高低压部分的光电隔离，使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能导致危及设备或人身安全等问题不复存在；（5）光电互感器完备的自检功能，若出现通讯故障或光电互感器故障，保护装置将会因收不到校样码正确的数据而可以直接判断出互感器异常；（6）价格低廉的光纤光缆的应用，大大降低了光电互感器的综合使用成本。
由于绝缘结构简单，在高压和超高压中，光电互感器这一优点尤其显著。
目前几个厂家生产的电子式电流互感器中，国电南瑞科技股份有限公司的NAE-GL系列产品是全光纤的，其余南京新宁光电自动化有限公司、南京南瑞继保电气有限公司、国电南京自动化股份有限公司均采用的是Rogowski线圈与磁光玻璃原理，其原理比较如下表1。
表1电子式互感器性能比较
全光纤的电子式电流互感器性能较好，但由于需要使用陀螺仪，且价格贵导致其电流互感器产品价格贵。
电子式电压互感器使用的基本原理有电容分压原理、电感分压原理、电阻分压原理，应用于产品中的就电容分压原理与电感分压原理，南京新宁光电自动化有限公司利用的是电感分压原理；南京南瑞继保电气有限公司与国电南京自动化股份有限公司采用的是电容分压原理；国电南瑞科技股份有限公司还没有电子式电压互感器产品。
4、各种电子式互感器应用情况
目前全国多个省市已有新建或者改造的数字化变电站投入运行，所采用的电子式互感器设备是国内这几家厂商提供的。
南瑞科技股份的电子式互感器目前应用较少，只有几个站，有敞开式的也有GIS式的；南京新宁光电的应用较多，基本是敞开式变电站应用；南瑞继保的电子式互感器目前在GIS应用较多，敞开式的也有；目前掌握的资料中有南自的数字化产品已应用于多个35kV-500kV变电站，但电子式互感器的应用情况方面的资料没有找到。
如下表2所示电子式互感器应用情况表。
表2电子式互感器应用情况表
项目单位
工程名称
设备名称
电压等级
规格型号
数量
生产厂家
河北省承德电力公司
110kV西地变电站改造
电子式电压互感器
110kV
NAL-GL
3只
南瑞科技
广东电网江门供电局
110kV沙坪变电站改造
电子式电压互感器
110kV
NAL-GL
18只
南瑞科技
上海市电力公司
220kV南汇变电站科研工程
电子式电压互感器
220kV
NAL-GL
4只
南瑞科技
上海市电力公司
110kV封周变电站工程
电子式电压互感器
110kV
GIS式NAL-GL
18只
南瑞科技
上海市电力公司
110kV蒙自变电站工程
电子式电压互感器
110kV
GIS式NAL-GL
27只
南瑞科技
南京供电局
六合220kV变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
3只
南京新宁
甘肃兰州供电局
兰州永登330kV变电站
电子式互感器
330kV
OET733ACTZ
3只
南京新宁
河南焦作供电局
河南焦作修武220kV变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
9只
南京新宁
内蒙古乌兰察布电业局
杜尔伯特220kV变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
14只
南京新宁
OET722AVTZ
9只
国网公司
500KV江西吉安变电站
电子式互感器
500kV
OET750ACTZ
3只
南京新宁
华电国际电力股份有限公司宁夏代表处
灵武电厂一期（2*600MW）机组
电子式互感器
220kV
OET722ACTL
2只
南京新宁
重庆大学
220kV数字化（教学）变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
3组
南京新宁
山西地方电力电网有限公司
山西交口220kV变
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
10只
南京新宁
OET722AVTZ
6只
山西兴光输电有限公司
兴县220kV变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
9只
南京新宁
OET722AVTZ
7只
广东中山电业局
三乡220KV变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
33只
南京新宁
OET722AVTZ
13只
河北省邯郸电业局
大名220kV数字化变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
15只
南京新宁
OET722AVTZ
8只
华北电网唐山供电公司
郭家屯220kV数字化变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
15只
南京新宁
OET722AVTZ
18只
天津市电力公司
陈甫220kV变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
15只
南京新宁
OET722AVTZ
6只
云南电网公司昆明供电局
220kV晋城数字化变电站
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
8只
南京新宁
OET722AVTZ
6只
江苏省电力试验研究有限公司
江苏省电力试验研究有限公司实验室
电子式互感器
220kV
OET722ACTZ
3只
南京新宁
中电投南阳方城风力发电有限公司
南阳方城23.25
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