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摘 要： 光电数字化技术在35KV变电站的应用，使变电站的建设和改造施工更加简化，设备的安全可靠性能大为提高，设备防浪涌、防雷电效果更加显著，技术数据传输更加快捷准确，代表当今变电站综合自动化发展的方向。
关键词： 光电数字化技术；变电站；35KV
中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820115－02
0 引言
为解决以往35KV变电站自动化技术运用中的局限性问题：一次电气设备和二次装置之间的信息交互依靠强电控制、模拟信号传送和硬节点输入；开关场一次电气设备和二次装置之间需要敷设大量的二次电缆，电力设计、电建施工、运行维护工作量大；一次电气设备模拟信号和状态信号的数字化处理依靠二次装置来完成，无法做到一次电气设备（高压系统）和二次设备（弱点系统）的电气隔离；现有的二次设备（无论是测控装置还是保护装置）支持各类不同的通信协议和传输介质，且越来越多的智能电子设备应用于变电站，互操作性问题日益突出。对此，实现变电站内一次设备信息处理的数字化，并在此基础上按照IEC61850标准建设光电数字化变电站，已经公认为技术发展方向。
1 光电数字化技术特征
① 以光电数字信号代替传统变电站中模拟信号。
② 一套测控系统满足所有监控、保护信号输入要求。
③ 测量精度高于传统方案的精度。
④ 采用自同步技术，合并器装置和饱和装置合一，降低用户使用成本，提高可用性。
⑤ 采用光纤数字终端，采集断路器开关量，执行分合闸操作，使保护装置与一次设备的通讯介质全部采用光纤。
⑥ 全部采用DSP数字信号处理器。
2 光电数字化技术的实用特点
1）实行光电数字化系统解决方案。综合考虑经济性、实用性，在充分满足技术指标的前提下，实现光电数字化系统解决方案。方案主要特点：
① 采用电压/电流组合电子式互感器。
② 不独立设置合并单元（MU），而将合并单元置于保护测控装置内部。
③ 不设置同步采样时钟系统，各个互感器进行等间隔独立采样，相关电压、电流进行向量运算时采用插值法进行同步。
④ 采用智能光纤数字终端﹢传统开关方案解决开关智能化问题。
⑤ 多个二次装置公用的信号，采用光电集线器的方式扇出多路光信号。
2）采用电压/电流组合电子式互感器。不独立设置合并单元（MU），而将合并单元置于保护测控装置内部。不设置同步采样时钟系统，各个互感器进行等间隔独立采样，相关电压、电流行向量运算时采用插值法进行同步。采用智能光线数字终端﹢传统开关方案解决开关智能化问题。多个二次装置公用的信号，采用光电集线器的方式扇出多路光信号。
3）数字化光电互感器采用罗氏线圈结构，其安全性、可靠性比较传统互感器提高。光纤代替控制电缆，有效实现一次、二次系统的电气隔离。保护测控系统实现直接数字接口，减少变换环节，减少数据精度损失。施工周期大为缩短，接线方便。
3 光电数字化技术的实际应用
3.1 光电数字化变电站系统
光电数字化变电站系统的整体结构是按IEC61850的通信体系设计，分为变电站层、间隔层和过程层。过程层的设备包括带有光纤数字接口的电子式器和智能汇控箱，间隔层的设备包括主变差动、后备及线路等各保护装置，变电的设置指通讯工作站，完成变电站的通讯管理以及调度的通讯。
3.2 电子式互感器
传统的电磁式电流、电压互感器，采用模拟强电输出（5安培/1安培、100伏），输出容量大，传输距离短，易被电磁干扰。电磁式电流互感器由于铁芯的磁滞和饱和特性，引起暂态特性差，动态范围小、频带范围窄。电子式互感器的实用化在经济性、可用性、功能性、简约性和可维护性上，比较传统电磁式互感器明显优越。
3.2.1 电子式互感器的选型
按传感原理来分，无源全光性电子式互感器是基于纯光学原理的互感器，光电电流互感器利用法拉第的磁光效应测量电流，光学电压互感器利用Pockels光电效应测量电压。无源全光性互感器基于光学传感技术，其一次侧光学电流、电压传感器无需工作电源，具有较大的技术优势；但光学传感器的制造工艺复杂，稳定性及一致性不容易控制，制造成本很高。综合考虑到技术的实施性、最终产品的性价比，电子式互感器采用是有源型电子式互感器。
3.2.2 基于罗氏线圈结构的有源电子式CT的工作原理
罗氏线圈的原理结构：将导线均匀地环绕在一个截面均匀地非磁性材料的骨架上，即可构成罗氏线圈，罗氏线圈的输出电压e（t）与被测电流i（t）的时间导数成正比，将e（t）积分求得电流i（t），e（t）经积分变换及A/D变换后，变成离散化的数字信号，编码后转换为数字化信号经光缆输出。
3.2.3 电容分压结构的有源电子式PT的工作原理
被测高压经电容分压器分压后变成弱电压信号经A/D变换后，离散化的数字信号，编码后的LED转换为数字光信号经光缆输出。
3.2.4 有源电子式互感器的供能方案
有源型电子互感器的电子元器件的供电电源大体上有三种方式即激光供电方式、线圈抽能方式和隔离供电方式。激光供电方式是完成测量的电子线路在高压侧，数据通过光纤传送到二次侧，同时从二次侧将电能转换成光能经光纤送至一次侧，再由光电池把光能还原为电能供高压测电子线路工作。线圈抽能方式是完成测量的电子线路在高压侧，采用特制的线圈直接从高压线上抽取电能，为光电件供电。隔离供电方式是完全测量的电子线路在低压二次侧，直接从二次侧提供电源。
交流电源是变电站上经UPS加隔离变压器后送出的纯净的正弦波，送到各个电子式互感器间隔后，首先经过避雷器对高压浪涌进行滤除，然后经隔离变压器输入到滤波回路，经过上述二个环节后，一般的浪涌和共模干扰信号就已经被屏蔽，经高压滤波送到降压变压器的交流电为稳定电源，可以进行处理后提供给A/D和E/O电路使用。这种供电方式解决了光电池成本过高和电压抽能不稳定的问题，在两端加入隔离变压器后可以完全隔离雷电浪涌的冲击。
3.3 信号的同步方案
根据IEC60044规定，各个电子式互感器同步采样有同步脉冲法、插值同步法实现方案。一般在高压系统中，间隔层需要设置独立的合并器，实现相关电信号的同步采集。合并器为各个独立的互感器提供同步采样脉冲，其他二次装置与合并器接口得到所需数据。将合并器的功能置于保护装置中，采用线性插值法实现相关信号的自同步。
3.4 公用信号分录方案
针对主变低压侧电流这类的公用信号的情况，不设独立的单元，采用一个光电集线器解决。光纤信号进入光电集线器后，先进行光电转换，转换成电气信号以后就可以任意进出多路电气信号，每路电气信号分别电光转换，这样整个过程完全由硬件实现，没有延时。
3.5 光纤数字终端
对开关的控制输出（分合闸）以及开关的各个信号量输入采用光纤传送，设置智能光纤数字终端。开关的位置信号和控制信号就近接入智能光纤数字终端，光纤数字终端进行智能化处理后通过光纤与主控室内的保护装置通讯。保护装置的分合闸指令通过光纤送到光纤数字终端，光纤数字终端启动相应继电器动作断路器。断路器的状态信号由光纤数字终端采集，送到保护装置。
3.6 光纤保护装置功能设计
3.6.1 光纤线路保护装置
三段式方向过电流保护（带低压闭锁）；零序电流保护；小电流接地选线；三相一次重合闸（检无压或检同期可选）和后加速；低频减载（滑差闭锁、低压闭锁、低流闭锁）；PT断线检测并闭锁方向或保护，控制字可投退。突变量启动故障录波。两元件遥测。通讯功能：通过CAN总线与通讯管理单元通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时和遥控命令。光纤传输，用于与电子式互感器和智能汇控箱通讯。
3.6.2 光纤电容器保护装置
速断、过流保护、零序电流保护；过压；欠压及有流闭锁欠压；零序电压保护；PT断线检测。突变量启动故障录波。两元件测量。通讯功能：通过CAN总线与通讯管理单元通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时和遥控命令。光纤传输，用于与电子式互感器和智能汇控箱通讯。
3.6.3 光纤变压器后备保护装置
复合电压闭锁过流保护，设二段、每段三时限，一时限跳母联、二时限跳低压侧、三时限跳高压侧；过流保护，设一段一时限，动作后跳母联、低压侧及高压侧；过负荷告警；单相接地检测；PT断线检测。保护电流取主变高压侧、测量电流和电压取主变低压侧。突变量启动故障波。三元件遥测。通讯功能：通过CAN总线与通讯管理单元通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时和遥控命令。光纤传输，用于与电子式互感器和智能汇控箱通讯。
3.6.4 光纤变压器主保护装置
二次谐波制动比率差动保护；差动速断保护；差流过大告警；CT断线检测可侧电流相位调整；启动通风、闭锁调压。重瓦斯、有载重瓦斯、压力释放、轻瓦斯、有载轻瓦斯等本体保护功能。突变量启动故障录波。通讯功能：通过CAN总线与通讯管理单元通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时和遥控命令。光纤传输，用于与电子式互感器和智能汇控箱通讯。
3.6.5 主变综合采集装置
直流量测量配合油温变送器可测量主变油温。交流量测量可测量主变的Uab、Ubc。遥信可测量主变的档位箱信号。通讯功能：通过CAN总线与通讯工作站通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时。
4 结论
光电数字化技术在35KV变电站的实用化应用，为变电站的安全可靠运行，从设备上提高了科学水平，从技术上增强了供电保障，从电力发展上开创了广阔前景，意义十分深远。
参考文献：
[1]韩富春，变电站综合自动化通信网络几种方式的研究[J].太原理工大学学报，2000（06）.
[2]任雁铭、马师模，计算机网络技术在变电站自动化系统中的应用[J].电力自动化设备，2000（06）.
作者简介：
郝方舟（1988-），男，硕士研究生，研究方向：智能化检测与控制技术。
关键词： 光电数字化技术；变电站；35KV
中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820115－02
0 引言
为解决以往35KV变电站自动化技术运用中的局限性问题：一次电气设备和二次装置之间的信息交互依靠强电控制、模拟信号传送和硬节点输入；开关场一次电气设备和二次装置之间需要敷设大量的二次电缆，电力设计、电建施工、运行维护工作量大；一次电气设备模拟信号和状态信号的数字化处理依靠二次装置来完成，无法做到一次电气设备（高压系统）和二次设备（弱点系统）的电气隔离；现有的二次设备（无论是测控装置还是保护装置）支持各类不同的通信协议和传输介质，且越来越多的智能电子设备应用于变电站，互操作性问题日益突出。对此，实现变电站内一次设备信息处理的数字化，并在此基础上按照IEC61850标准建设光电数字化变电站，已经公认为技术发展方向。
1 光电数字化技术特征
① 以光电数字信号代替传统变电站中模拟信号。
② 一套测控系统满足所有监控、保护信号输入要求。
③ 测量精度高于传统方案的精度。
④ 采用自同步技术，合并器装置和饱和装置合一，降低用户使用成本，提高可用性。
⑤ 采用光纤数字终端，采集断路器开关量，执行分合闸操作，使保护装置与一次设备的通讯介质全部采用光纤。
⑥ 全部采用DSP数字信号处理器。
2 光电数字化技术的实用特点
1）实行光电数字化系统解决方案。综合考虑经济性、实用性，在充分满足技术指标的前提下，实现光电数字化系统解决方案。方案主要特点：
① 采用电压/电流组合电子式互感器。
② 不独立设置合并单元（MU），而将合并单元置于保护测控装置内部。
③ 不设置同步采样时钟系统，各个互感器进行等间隔独立采样，相关电压、电流进行向量运算时采用插值法进行同步。
④ 采用智能光纤数字终端﹢传统开关方案解决开关智能化问题。
⑤ 多个二次装置公用的信号，采用光电集线器的方式扇出多路光信号。
2）采用电压/电流组合电子式互感器。不独立设置合并单元（MU），而将合并单元置于保护测控装置内部。不设置同步采样时钟系统，各个互感器进行等间隔独立采样，相关电压、电流行向量运算时采用插值法进行同步。采用智能光线数字终端﹢传统开关方案解决开关智能化问题。多个二次装置公用的信号，采用光电集线器的方式扇出多路光信号。
3）数字化光电互感器采用罗氏线圈结构，其安全性、可靠性比较传统互感器提高。光纤代替控制电缆，有效实现一次、二次系统的电气隔离。保护测控系统实现直接数字接口，减少变换环节，减少数据精度损失。施工周期大为缩短，接线方便。
3 光电数字化技术的实际应用
3.1 光电数字化变电站系统
光电数字化变电站系统的整体结构是按IEC61850的通信体系设计，分为变电站层、间隔层和过程层。过程层的设备包括带有光纤数字接口的电子式器和智能汇控箱，间隔层的设备包括主变差动、后备及线路等各保护装置，变电的设置指通讯工作站，完成变电站的通讯管理以及调度的通讯。
3.2 电子式互感器
传统的电磁式电流、电压互感器，采用模拟强电输出（5安培/1安培、100伏），输出容量大，传输距离短，易被电磁干扰。电磁式电流互感器由于铁芯的磁滞和饱和特性，引起暂态特性差，动态范围小、频带范围窄。电子式互感器的实用化在经济性、可用性、功能性、简约性和可维护性上，比较传统电磁式互感器明显优越。
3.2.1 电子式互感器的选型
按传感原理来分，无源全光性电子式互感器是基于纯光学原理的互感器，光电电流互感器利用法拉第的磁光效应测量电流，光学电压互感器利用Pockels光电效应测量电压。无源全光性互感器基于光学传感技术，其一次侧光学电流、电压传感器无需工作电源，具有较大的技术优势；但光学传感器的制造工艺复杂，稳定性及一致性不容易控制，制造成本很高。综合考虑到技术的实施性、最终产品的性价比，电子式互感器采用是有源型电子式互感器。
3.2.2 基于罗氏线圈结构的有源电子式CT的工作原理
罗氏线圈的原理结构：将导线均匀地环绕在一个截面均匀地非磁性材料的骨架上，即可构成罗氏线圈，罗氏线圈的输出电压e（t）与被测电流i（t）的时间导数成正比，将e（t）积分求得电流i（t），e（t）经积分变换及A/D变换后，变成离散化的数字信号，编码后转换为数字化信号经光缆输出。
3.2.3 电容分压结构的有源电子式PT的工作原理
被测高压经电容分压器分压后变成弱电压信号经A/D变换后，离散化的数字信号，编码后的LED转换为数字光信号经光缆输出。
3.2.4 有源电子式互感器的供能方案
有源型电子互感器的电子元器件的供电电源大体上有三种方式即激光供电方式、线圈抽能方式和隔离供电方式。激光供电方式是完成测量的电子线路在高压侧，数据通过光纤传送到二次侧，同时从二次侧将电能转换成光能经光纤送至一次侧，再由光电池把光能还原为电能供高压测电子线路工作。线圈抽能方式是完成测量的电子线路在高压侧，采用特制的线圈直接从高压线上抽取电能，为光电件供电。隔离供电方式是完全测量的电子线路在低压二次侧，直接从二次侧提供电源。
交流电源是变电站上经UPS加隔离变压器后送出的纯净的正弦波，送到各个电子式互感器间隔后，首先经过避雷器对高压浪涌进行滤除，然后经隔离变压器输入到滤波回路，经过上述二个环节后，一般的浪涌和共模干扰信号就已经被屏蔽，经高压滤波送到降压变压器的交流电为稳定电源，可以进行处理后提供给A/D和E/O电路使用。这种供电方式解决了光电池成本过高和电压抽能不稳定的问题，在两端加入隔离变压器后可以完全隔离雷电浪涌的冲击。
3.3 信号的同步方案
根据IEC60044规定，各个电子式互感器同步采样有同步脉冲法、插值同步法实现方案。一般在高压系统中，间隔层需要设置独立的合并器，实现相关电信号的同步采集。合并器为各个独立的互感器提供同步采样脉冲，其他二次装置与合并器接口得到所需数据。将合并器的功能置于保护装置中，采用线性插值法实现相关信号的自同步。
3.4 公用信号分录方案
针对主变低压侧电流这类的公用信号的情况，不设独立的单元，采用一个光电集线器解决。光纤信号进入光电集线器后，先进行光电转换，转换成电气信号以后就可以任意进出多路电气信号，每路电气信号分别电光转换，这样整个过程完全由硬件实现，没有延时。
3.5 光纤数字终端
对开关的控制输出（分合闸）以及开关的各个信号量输入采用光纤传送，设置智能光纤数字终端。开关的位置信号和控制信号就近接入智能光纤数字终端，光纤数字终端进行智能化处理后通过光纤与主控室内的保护装置通讯。保护装置的分合闸指令通过光纤送到光纤数字终端，光纤数字终端启动相应继电器动作断路器。断路器的状态信号由光纤数字终端采集，送到保护装置。
3.6 光纤保护装置功能设计
3.6.1 光纤线路保护装置
三段式方向过电流保护（带低压闭锁）；零序电流保护；小电流接地选线；三相一次重合闸（检无压或检同期可选）和后加速；低频减载（滑差闭锁、低压闭锁、低流闭锁）；PT断线检测并闭锁方向或保护，控制字可投退。突变量启动故障录波。两元件遥测。通讯功能：通过CAN总线与通讯管理单元通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时和遥控命令。光纤传输，用于与电子式互感器和智能汇控箱通讯。
3.6.2 光纤电容器保护装置
速断、过流保护、零序电流保护；过压；欠压及有流闭锁欠压；零序电压保护；PT断线检测。突变量启动故障录波。两元件测量。通讯功能：通过CAN总线与通讯管理单元通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时和遥控命令。光纤传输，用于与电子式互感器和智能汇控箱通讯。
3.6.3 光纤变压器后备保护装置
复合电压闭锁过流保护，设二段、每段三时限，一时限跳母联、二时限跳低压侧、三时限跳高压侧；过流保护，设一段一时限，动作后跳母联、低压侧及高压侧；过负荷告警；单相接地检测；PT断线检测。保护电流取主变高压侧、测量电流和电压取主变低压侧。突变量启动故障波。三元件遥测。通讯功能：通过CAN总线与通讯管理单元通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时和遥控命令。光纤传输，用于与电子式互感器和智能汇控箱通讯。
3.6.4 光纤变压器主保护装置
二次谐波制动比率差动保护；差动速断保护；差流过大告警；CT断线检测可侧电流相位调整；启动通风、闭锁调压。重瓦斯、有载重瓦斯、压力释放、轻瓦斯、有载轻瓦斯等本体保护功能。突变量启动故障录波。通讯功能：通过CAN总线与通讯管理单元通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时和遥控命令。光纤传输，用于与电子式互感器和智能汇控箱通讯。
3.6.5 主变综合采集装置
直流量测量配合油温变送器可测量主变油温。交流量测量可测量主变的Uab、Ubc。遥信可测量主变的档位箱信号。通讯功能：通过CAN总线与通讯工作站通讯，保护装置上发遥测、遥信并接收对时。
4 结论
光电数字化技术在35KV变电站的实用化应用，为变电站的安全可靠运行，从设备上提高了科学水平，从技术上增强了供电保障，从电力发展上开创了广阔前景，意义十分深远。
参考文献：
[1]韩富春，变电站综合自动化通信网络几种方式的研究[J].太原理工大学学报，2000（06）.
[2]任雁铭、马师模，计算机网络技术在变电站自动化系统中的应用[J].电力自动化设备，2000（06）.
作者简介：
郝方舟（1988-），男，硕士研究生，研究方向：智能化检测与控制技术。