古樹平，吳明波，李天平

（1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214）

互感器是水電站信息采集的重要環(huán)節(jié)，其數(shù)字化問題關(guān)系到水電站能否實現(xiàn)基礎(chǔ)信息采集數(shù)字化?；ジ衅鲾?shù)字化廣義上包括設(shè)備本體數(shù)字化和數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字化，解決好這兩方面問題對數(shù)字化水電站至關(guān)重要。

水電行業(yè)一直致力于數(shù)字化水電站的理論和方案研究，并適時推進關(guān)聯(lián)設(shè)備的研發(fā)[1-4]。數(shù)字化水電站的定義尚未統(tǒng)一，作者所在單位聯(lián)合相關(guān)建設(shè)單位開展了專項研究，將其暫定義為：以主要機電設(shè)備為數(shù)字化對象，按照IEC61850（DL/T860）標(biāo)準(zhǔn)分為站控層、單元層、過程層構(gòu)建；采用電子式互感器、智能終端、數(shù)字化自動化元件或者數(shù)字化采集單元等具有數(shù)字化接口的智能機電設(shè)備，以網(wǎng)絡(luò)通信平臺為基礎(chǔ)，采用IEC61850（DL/T860）數(shù)據(jù)建模和通信協(xié)議；實現(xiàn)水電站監(jiān)測信號、控制命令、保護跳閘命令的數(shù)字化采集、傳輸、處理和數(shù)據(jù)共享，達到信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化的水電站。

互感器的數(shù)字化需從數(shù)字化水電站關(guān)聯(lián)的設(shè)備需求入手，針對水電站的特點尋求滿足各系統(tǒng)接口要求的解決方案。

1 常規(guī)互感器存在的問題

常規(guī)互感器即電磁式電流、電壓互感器，其應(yīng)用已非常成熟，電力行業(yè)的技術(shù)發(fā)展進步使常規(guī)互感器逐步顯現(xiàn)出局限性，主要表現(xiàn)為：

（1）電磁式電流互感器存在飽和問題，引起鐵心飽和原因諸多，例如一次電流過大、電流頻率過低、二次電纜過長等。鐵心一旦飽和，一、二次電流間失去線性關(guān)系，使得保護單元無法準(zhǔn)確采集電流，可能導(dǎo)致差動等保護誤動。鐵心飽和還衍生出CT動態(tài)范圍存在局限性、精度易受負載影響等問題。電磁式電流互感器二次繞組不允許開路，否則會產(chǎn)生高電壓，對運維人員的人身安全造成威脅。此外，其二次輸出為小電流模擬量，容易受到干擾，在長距離傳輸時衰減程度較高。

（2）電磁式電壓互感器因鐵心的非線性易引起鐵磁諧振，產(chǎn)生諧振過電壓，將損壞設(shè)備，存在安全隱患，需要靠回路電阻去限制過電壓幅值，或在一次回路設(shè)置消諧器或二次回路加裝微機消諧裝置，存在不可控因素。電磁式電壓互感器二次側(cè)不允許短路運行，否則二次側(cè)電流迅速增大，將可能損壞互感器，同時危及運行操作人員的安全。

（3）常規(guī)互感器與一次系統(tǒng)直接聯(lián)系，在制造及實施過程中絕緣問題尤為重要，隨著電壓等級的提高，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣水平的要求也隨之提高。為提高絕緣水平，通常要犧牲對體積和重量的控制，高電壓等級的電磁式互感器，往往體積大、質(zhì)量重，對安裝和運行維護帶來影響。

（4）為滿足測量、保護等系統(tǒng)的需求，電磁式互感器往往具有多個二次繞組，帶來大量電流、電壓量的重復(fù)采集以及大量電纜的使用，二次回路通常非常復(fù)雜，不利于二次系統(tǒng)的檢修維護，也容易產(chǎn)生電磁干擾。此外，對于電磁式電流互感器，還存在同一個二次繞組供多個裝置使用的情況，造成CT回路串接，靈活性差且容易產(chǎn)生安全問題。

2 電子互感器特點及應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）類型

根據(jù)一次轉(zhuǎn)換器部分是否需要工作電源，電子式互感器可分為有源式和無源式2大類。根據(jù)二次傳感器原理，有源電子式電流互感器包括基于電磁感應(yīng)原理的羅氏線圈型和低功率線圈型2類，無源電子式互感器包括基于磁光效應(yīng)的全光纖型和磁光玻璃型2類；有源電子式電壓互感器包括電容分壓型和電阻分壓型，無源電子式電壓互感器分為基于逆壓電效應(yīng)的光線型和基于普克爾效應(yīng)的電光晶體型[5-6]。

（2）信息采集及輸出

電子式互感器通過自身集成的傳感器及轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)就地信息數(shù)字化，信息的輸出需借助配套設(shè)備合并單元。信息采集及輸出如圖1所示。

圖1 電子式互感器信息采集、輸出示意圖

合并單元是實現(xiàn)電子式互感器與保護、測控及錄波等二次設(shè)備接口的關(guān)鍵裝置，通過合并單元將電流電壓數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)共享或直接送至其他智能裝置。合并單元可同時接受并處理三相電流和三相電壓信號，并按IEC60044-8或IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)輸出給二次設(shè)備使用，其接受外部公共時鐘同步信號的接口，實現(xiàn)獨立采樣的三相電流和三相電壓信號的同步[7]。合并單元接口如圖2所示。

圖2 合并單元接口示意圖

（3）優(yōu)勢

電子式互感器是一種基于現(xiàn)代電子學(xué)、光學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的新型互感器，其特點及與常規(guī)互感器的區(qū)別主要表現(xiàn)見表1。

表1 電子式互感器與常規(guī)互感器比較表

（4）應(yīng)用現(xiàn)狀

電子式互感器從2010年啟動智能變電站、數(shù)字化變電站建設(shè)開始到現(xiàn)在已得到大量應(yīng)用，其中有源電子式互感器技術(shù)較為成熟，在變電領(lǐng)域各種電壓等級（10～1000 kV）、各種應(yīng)用場合（AIS、GIS等）均有應(yīng)用[8-10]；而光學(xué)電流互感器總體還處于試點應(yīng)用階段，光學(xué)電壓互感器多數(shù)廠家處于研制過程中，暫不具備使用條件。目前國內(nèi)生產(chǎn)電子式互感器的設(shè)備廠家主要有南瑞繼保、許繼電氣、國電南自、長園深瑞等，各自產(chǎn)品均已在工程中得到應(yīng)用。

在發(fā)電廠領(lǐng)域，也有工程嘗試采用了電子式互感器。比較有代表性的為沙河抽水蓄能電站、觀音巖水電站、諫壁火力發(fā)電站，上述項目在機組中性點試點使用了柔性光學(xué)電子式電流互感器，目前運行較為穩(wěn)定，但長期可靠性還需時間檢驗。

水電站與變電站有類似的開關(guān)站結(jié)構(gòu)，互感器的應(yīng)用場景和關(guān)聯(lián)的二次系統(tǒng)設(shè)備均相似，將電子式互感器引入到水電站中具備理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實經(jīng)驗。有此基礎(chǔ)，數(shù)字化水電站信息采集環(huán)節(jié)可突破傳統(tǒng)限制，采用新的模式。

3 電子式互感器數(shù)據(jù)傳輸接口

互感器關(guān)聯(lián)的水電站二次系統(tǒng)設(shè)備主要包括監(jiān)控、保護、調(diào)速、勵磁、同期等系統(tǒng)，數(shù)字化水電站中的上述設(shè)備均為數(shù)字化設(shè)備，因此，互感器需在數(shù)字化水電站自動化體系結(jié)構(gòu)前提下，滿足各系統(tǒng)的數(shù)字化接口需求。

電子式互感器位于數(shù)字化水電站自動化體系結(jié)構(gòu)的過程層，承擔(dān)為保護、測控、調(diào)速、勵磁及同期等智能裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的任務(wù)。電子式互感器數(shù)據(jù)傳輸方式，主要體現(xiàn)為其配套的合并單元與其他智能裝置之間的信息傳輸接口模式。

合并單元與其他智能裝置的接口存在2種方式，一種是合并單元與智能裝置之間點對點光纖通信，即“直采”模式；一種是合并單元接入SV網(wǎng)交換機，智能裝置通過SV網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，即“網(wǎng)采”模式，2種采集實現(xiàn)方式如圖3、4所示。

圖4 網(wǎng)采模式示意圖

無論數(shù)字化水電站的保護、測控、調(diào)速、勵磁及同期等智能裝置要求采用“直采”還是“網(wǎng)采”模式，電子式互感器通過合并單元均能實現(xiàn)。數(shù)字化水電站各系統(tǒng)的智能裝置根據(jù)自身需求選擇合適的數(shù)據(jù)采集模式，本文主要論述網(wǎng)采模式。

4 數(shù)字化水電站互感器解決方案

根據(jù)水電站的物理條件以及數(shù)字化水電站的體系結(jié)構(gòu)，選擇在合適部位裝設(shè)電子式互感器，以滿足各系統(tǒng)的數(shù)字化需求，下面分區(qū)域論述數(shù)字化水電站的互感器解決方案。

4.1 發(fā)變組互感器數(shù)字化

發(fā)變組部分的互感器配置方案為：機組機端、主變兩側(cè)、主變中性點均采用有源電子式電流、電壓互感器。對于機組中性點電流互感器，在安裝空間充足時可采用有源電子式互感器，安裝條件受限時可采用柔性光學(xué)電流互感器。

發(fā)變組部分的電子式互感器主要與機組勵磁、調(diào)速、保護及監(jiān)控系統(tǒng)（機組LCU）存在接口聯(lián)系。需要特別說明的是，主變高壓側(cè)電子式電流互感器數(shù)據(jù)除需送至機組SV網(wǎng)外，還需同時送至開關(guān)站SV網(wǎng)，以滿足開關(guān)站母線保護及故障錄波裝置的需求。發(fā)變組部分的電子式互感器解決方案如圖5所示。

圖5 發(fā)變組電子式互感器配置及接口示意圖

4.2 開關(guān)站互感器數(shù)字化

開關(guān)站部分的互感器配置方案為：高壓母線、線路、3/2接線各間隔等均采用有源電子式互感器。開關(guān)站部分的電子式互感器主要與開關(guān)站保護、測控存在接口聯(lián)系。開關(guān)站部分的電子式互感器解決方案如下頁圖6所示。

對于保護、安穩(wěn)等智能裝置對互感器數(shù)據(jù)源有雙重化要求時，電子式互感器從傳感線圈、轉(zhuǎn)換器到合并單元均需按雙套配置，合并單元和開關(guān)站SV網(wǎng)雙網(wǎng)之間采用單套對單網(wǎng)的連接方式，以保證采樣值數(shù)據(jù)源輸入具有獨立性。主變高壓側(cè)電流及高壓母線電壓數(shù)據(jù)同時送開關(guān)站、機組SV網(wǎng)，以滿足各自智能裝置所需。

開關(guān)站部分的電子式互感器通過合并單元接入SV網(wǎng)，其他智能裝置均通過SV網(wǎng)獲取電流、電壓數(shù)據(jù)，傳輸介質(zhì)采用全光纖，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享，避免了信息的重復(fù)采集，大大簡化了開關(guān)站的二次系統(tǒng)。對3/2接線的500 kV開關(guān)站，電子式互感器接口關(guān)系與圖6類似，不再贅述，只是在母線電壓的獲取環(huán)節(jié)稍有不同。

圖6220 kV開關(guān)站電子式互感器配置及接口示意圖

需要注意的是，開關(guān)站需配置母線電壓合并單元，根據(jù)開關(guān)站接線形式確定其是否應(yīng)具備電壓并列功能，各間隔所需母線電壓量主要用于檢同期。

采用雙母線接線的220 kV開關(guān)站，其電壓并列、切換方式為：母線電壓合并單元通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)接收斷路器及刀閘位置信息，并列后通過光纖點對點方式將并列后電壓輸送至各間隔合并單元。各間隔合并單元通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)接受本間隔刀閘位置信息，經(jīng)判斷后將并列后的I、II母電壓切換成一路母線電壓，進而再輸送給保護、測控裝置使用。

4.3 廠用電互感器數(shù)字化

目前水電站廠用電系統(tǒng)的電磁式互感器、廠用變保護裝置等設(shè)備均裝于高壓開關(guān)柜內(nèi)。數(shù)字化水電站廠用電系統(tǒng)將采用保護測控一體化裝置，依然安裝于開關(guān)柜內(nèi)，互感器數(shù)據(jù)無傳輸至柜外的需求。因此，互感器與保護測控裝置之間的連接屬于柜內(nèi)接線，采用電子式互感器在節(jié)約電纜、簡化二次回路等方面優(yōu)勢不明顯。

大中型水電站廠用電一般分為高、低壓兩級廠用變，高廠變需獨立配置差動、速斷、過流等保護功能，為保證差動保護性能，兩側(cè)電流互感器應(yīng)同型配置。綜合以上考慮，廠用電部分互感器的配置方案為：保持傳統(tǒng)模式，采用電磁式互感器?；ジ衅鞯慕涌诼?lián)系圖如圖7所示。

圖7 廠用電互感器配置及接口示意圖

5 結(jié)論

互感器采樣是數(shù)字化水電站的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電子式互感器的運用為采樣數(shù)字化、信息共享網(wǎng)絡(luò)化帶來可能。電子式互感器優(yōu)點突出，將其推廣至數(shù)字化水電站不存在技術(shù)障礙，在水電站中開展電子式互感器的試點應(yīng)用具有十分重要的意義。