方誌遠
（中鐵第一勘察設計院集團有限公司電化處 新疆 烏魯木齊 83000）
摘要根據烏魯木齊鐵路局烏拉泊水廠變電所改造工程的設計、施工以及運行經驗，本文通過對智能變電站一次設備智能化技術的探討，說明智能化一次設備在智能變電站技術發展過程中發揮著重要作用。
關鍵詞 智能變電站 電子式互感器 智能斷路器 合併單元 智能終端
作為智能電網重要組成部分，基於IEC61850 標準的智能變電站將變革傳統的變電站運行、檢修模式。由於其具有常規變電站無法比擬的一系列優勢，越來越受到人們的重視。智能變電站的關鍵技術環節之一是一次設備智能化，即斷路器、互感器等設備的智能化。
一、智能變電站概念及其特點
1.智能變電站基本概念。智能變電站是指以變電站一、二次設備為數字化對象，以高速網絡通信平台為基礎，通過對數字信息進行標準化，實現站內外信息共享和互操作，實現測量監視、控制保護、信息管理、智能狀態監測等功能的變電站，它是常規變電站綜合自動化技術的延伸和發展。智能變電站在邏輯上分為過程層(第一層）、間隔層（第二層)、站控層（第三層）三層體系架構。過程層主要包括斷路器、隔離開關、電流/ 電壓互感器等一次設備；間隔層主要包括繼電保護裝置、系統測控裝置、故障錄波器等二次設備；站控層由監控主機、操作員工作站、遠動通信裝置和其他各種功能站構成。
2.智能變電站主要特點。智能變電站基於IEC61850 標準，具有「一次設備智能化、全站信息數字化、通信平台網絡化、信息共享標準化、輔助系統智能化、高級應用互動化」等重要特徵，其傳輸信息為數字光信號，而常規變電站綜合自動化系統傳輸信息為模擬量信號，這是智能變電站與常規變電站綜合自動化系統之間的顯著區別，所以智能變電站要解決的關鍵技術問題之一是實現變電站過程層一次設備的智能化，即實現互感器採樣值的數字化及斷路器、隔離開關等設備開入開出命令和信號的數字化以及一次設備狀態的在線監測。智能化一次設備包括電子式互感器和智能斷路器等。
二、電子式互感器
電子式互感器依其變換原理分為兩大類，即採用線圈測量方式的有源電子式互感器和採用光學測量原理的無源電子式互感器。有源電子式互感器又稱為電子式電壓/ 電流互感器（EVT/ECT），其特點是需要向傳感頭提供電源。電子式電流互感器主要基於小功率輸出的傳統電磁感應技術，電流變換即可用微型電流互感器，也可用羅式線圈，但由於後者具有更好的暫態響應特性，故一般採用後者作為電流變換。電子式電壓互感器主要基於電容和電阻分壓技術。
無源電子式互感器又稱為光電式電壓/ 電流互感器（OVT/OCT），其特點是無須向傳感頭提供電源。光電式電流互感器主要是利用晶體的法拉第效應，即光束通過磁場作用下的晶體產生旋轉，測量光線旋轉角度來測量電流。光電式電壓互感器主要是利用晶體的普克爾效應，通過測量電場強度來測量電壓。根據構成材料，光電式電流互感器分為兩類，即磁光效應互感器和純光纖互感器。
由於無源電子式互感器還存在一些難以突破的技術問題，其穩定性和可靠性還未達到實用化的要求，所以，目前智能變電站多採用有源電子式互感器。
1.電子式電流互感器（ECT）。ECT 的結構如下圖所示，其主要由以下四部分組成：
（1）一次傳感器。一次傳感器位於高壓側，包括一個低功耗線圈（LPCT）、兩個羅氏線圈、一個高壓電流取能線圈。低功耗線圈用於傳感測量級電流信號，羅氏線圈用於傳感保護級電流信號，取能線圈用於從一次側電流獲取電能供遠端電子模塊工作。
羅氏線圈是一種較成熟的測量元件，它實際上是一種特殊結構的空心線圈，將測量導線均勻地繞在截面均勻的非磁性材料的框架上，線圈兩端接上採樣電阻組成。羅式線圈的感應信號與被測電流的微分成正比，經積分變換等信號處理便可獲知被測電流的大小。
（2）遠端電子模塊。遠端電子模塊包括一次轉換器和電光轉換器，遠端電子模塊採集低功耗線圈及羅氏線圈的的輸出信號，經濾波、積分變換及A/D 轉換後變為數位訊號，通過電光轉換電路將數位訊號變為串行數字光信號，然後通過光纖將數字光信號送至低壓側，供繼電保護和電能等設備使用。
（3）光纖絕緣子。絕緣子為內嵌光纖的實芯支柱式復合絕緣子。絕緣子內嵌8 根62.5/ 125um 的多模光纖，實際使用4 根光纖（兩根傳輸雷射，兩根傳輸數位訊號），另外4 根光纖備用。光纖絕緣子高壓端光纖以ST 頭與遠端電子模塊對接，低壓端光纖以熔接的方式與傳輸信號的光纜對接。
（4）合併單元。合併單元一方面為遠端電子模塊提供供能雷射；另一方面接收並處理遠端電子模塊下發的數據，對三相電流、電壓信號進行同步，並將測量數據按規定的協議輸出供二次設備使用。合併單元的輸出信號採用62.5/125um 多模光纖傳送，接頭為ST 型。合併單元可以作為獨立設備單獨設置，也可以集成於電子式互感器。
2.電子式電壓互感器（EVT）。電子式電壓互感器（EVT) - 般由一次側傳感器（分壓器）、遠端電子模塊、光纖絕緣子與合併單元組成。分壓器低壓臂輸出的模擬信號通過遠端電子模塊進行模/ 數轉換、數/ 光轉換，經光纖將數字光信號傳送至合併單元。
根據一次側傳感器的分壓原理的不同又可劃分為電容分壓或電阻分壓，利用與電子式電流互感器類似的電子模塊處理信號，使用光纖傳輸信號。
三、智能斷路器及智能終端
斷路器、隔離開關等一次設備的智能化實現方式有兩種，一種是將智能控制模塊形成一個獨立裝置-- 智能終端，安裝在一次設備附近，實現一次設備的智能化；另一種方式是直接將智能控制模塊內嵌在斷路器中，形成一個不可分割的整體，可直接提供網絡通信接口，稱之為智能斷路器。
在傳統斷路器等一次設備旁邊安裝智能終端，該裝置負責採集與斷路器、主變壓器、隔離開關、接地刀等設備相關的開入信號，並負責控制斷路器、隔離開關、接地刀的操作。通過智能終端實現一個間隔內相關一次設備的就地數字化。智能終端作為過程層的一部分，為非智能的一次設備提供了外掛的智能接口。
智能終端通過電纜與一次設備連接，通過光纖與間隔層的保護、控制裝置通信，將開人信息上傳，並接收間隔層設備的控制命令。通過智能終端，完全取消了間隔層與過程層之間的電纜。目前，這種方式比較容易實現，國內智能化變電站建設基本採用常規斷路器+ 智能終端的方案。
將智能終端和斷路器一體化，可解決智能終端後期不便安裝及後期安裝影響開關設備本體電氣或絕緣性能等問題；同時將智能終端高度集成於斷路器本體，可實現信息資源共享，減少信號重複採集，並減少二次接線的工作量，使產品安裝調試簡單方便；另外，就地信號就地處理，提高了設備響應速度和抗干擾能力，並且真正實現了一次設備狀態的在線監測。
四、結束語
電子式互感器和智能斷路器及智能化一次設備的應用，實現了互感器採樣值的數字化及開關設備開入開出命令和信號的數字化，在智能變電站技術中發揮著十分重要的作用。也期待智能化一次設備變電站在新疆的鐵路行業得到更廣泛的應用，為新疆的發展做出貢獻。
參考文獻
[1]高翔.智能變電站技術。北京：中國電力出版社，2013.
[2]馮軍.智能變電站原理及測試技術.北京：中國電力出版社，2011.
[3]劉延冰，劉紅斌，余春雨.電子式互感器原理、技術及應用.北京：科學出版社，2009.
（中鐵第一勘察設計院集團有限公司電化處 新疆 烏魯木齊 83000）
摘要根據烏魯木齊鐵路局烏拉泊水廠變電所改造工程的設計、施工以及運行經驗，本文通過對智能變電站一次設備智能化技術的探討，說明智能化一次設備在智能變電站技術發展過程中發揮著重要作用。
關鍵詞 智能變電站 電子式互感器 智能斷路器 合併單元 智能終端
作為智能電網重要組成部分，基於IEC61850 標準的智能變電站將變革傳統的變電站運行、檢修模式。由於其具有常規變電站無法比擬的一系列優勢，越來越受到人們的重視。智能變電站的關鍵技術環節之一是一次設備智能化，即斷路器、互感器等設備的智能化。
一、智能變電站概念及其特點
1.智能變電站基本概念。智能變電站是指以變電站一、二次設備為數字化對象，以高速網絡通信平台為基礎，通過對數字信息進行標準化，實現站內外信息共享和互操作，實現測量監視、控制保護、信息管理、智能狀態監測等功能的變電站，它是常規變電站綜合自動化技術的延伸和發展。智能變電站在邏輯上分為過程層(第一層）、間隔層（第二層)、站控層（第三層）三層體系架構。過程層主要包括斷路器、隔離開關、電流/ 電壓互感器等一次設備；間隔層主要包括繼電保護裝置、系統測控裝置、故障錄波器等二次設備；站控層由監控主機、操作員工作站、遠動通信裝置和其他各種功能站構成。
2.智能變電站主要特點。智能變電站基於IEC61850 標準，具有「一次設備智能化、全站信息數字化、通信平台網絡化、信息共享標準化、輔助系統智能化、高級應用互動化」等重要特徵，其傳輸信息為數字光信號，而常規變電站綜合自動化系統傳輸信息為模擬量信號，這是智能變電站與常規變電站綜合自動化系統之間的顯著區別，所以智能變電站要解決的關鍵技術問題之一是實現變電站過程層一次設備的智能化，即實現互感器採樣值的數字化及斷路器、隔離開關等設備開入開出命令和信號的數字化以及一次設備狀態的在線監測。智能化一次設備包括電子式互感器和智能斷路器等。
二、電子式互感器
電子式互感器依其變換原理分為兩大類，即採用線圈測量方式的有源電子式互感器和採用光學測量原理的無源電子式互感器。有源電子式互感器又稱為電子式電壓/ 電流互感器（EVT/ECT），其特點是需要向傳感頭提供電源。電子式電流互感器主要基於小功率輸出的傳統電磁感應技術，電流變換即可用微型電流互感器，也可用羅式線圈，但由於後者具有更好的暫態響應特性，故一般採用後者作為電流變換。電子式電壓互感器主要基於電容和電阻分壓技術。
無源電子式互感器又稱為光電式電壓/ 電流互感器（OVT/OCT），其特點是無須向傳感頭提供電源。光電式電流互感器主要是利用晶體的法拉第效應，即光束通過磁場作用下的晶體產生旋轉，測量光線旋轉角度來測量電流。光電式電壓互感器主要是利用晶體的普克爾效應，通過測量電場強度來測量電壓。根據構成材料，光電式電流互感器分為兩類，即磁光效應互感器和純光纖互感器。
由於無源電子式互感器還存在一些難以突破的技術問題，其穩定性和可靠性還未達到實用化的要求，所以，目前智能變電站多採用有源電子式互感器。
1.電子式電流互感器（ECT）。ECT 的結構如下圖所示，其主要由以下四部分組成：
（1）一次傳感器。一次傳感器位於高壓側，包括一個低功耗線圈（LPCT）、兩個羅氏線圈、一個高壓電流取能線圈。低功耗線圈用於傳感測量級電流信號，羅氏線圈用於傳感保護級電流信號，取能線圈用於從一次側電流獲取電能供遠端電子模塊工作。
羅氏線圈是一種較成熟的測量元件，它實際上是一種特殊結構的空心線圈，將測量導線均勻地繞在截面均勻的非磁性材料的框架上，線圈兩端接上採樣電阻組成。羅式線圈的感應信號與被測電流的微分成正比，經積分變換等信號處理便可獲知被測電流的大小。
（2）遠端電子模塊。遠端電子模塊包括一次轉換器和電光轉換器，遠端電子模塊採集低功耗線圈及羅氏線圈的的輸出信號，經濾波、積分變換及A/D 轉換後變為數位訊號，通過電光轉換電路將數位訊號變為串行數字光信號，然後通過光纖將數字光信號送至低壓側，供繼電保護和電能等設備使用。
（3）光纖絕緣子。絕緣子為內嵌光纖的實芯支柱式復合絕緣子。絕緣子內嵌8 根62.5/ 125um 的多模光纖，實際使用4 根光纖（兩根傳輸雷射，兩根傳輸數位訊號），另外4 根光纖備用。光纖絕緣子高壓端光纖以ST 頭與遠端電子模塊對接，低壓端光纖以熔接的方式與傳輸信號的光纜對接。
（4）合併單元。合併單元一方面為遠端電子模塊提供供能雷射；另一方面接收並處理遠端電子模塊下發的數據，對三相電流、電壓信號進行同步，並將測量數據按規定的協議輸出供二次設備使用。合併單元的輸出信號採用62.5/125um 多模光纖傳送，接頭為ST 型。合併單元可以作為獨立設備單獨設置，也可以集成於電子式互感器。
2.電子式電壓互感器（EVT）。電子式電壓互感器（EVT) - 般由一次側傳感器（分壓器）、遠端電子模塊、光纖絕緣子與合併單元組成。分壓器低壓臂輸出的模擬信號通過遠端電子模塊進行模/ 數轉換、數/ 光轉換，經光纖將數字光信號傳送至合併單元。
根據一次側傳感器的分壓原理的不同又可劃分為電容分壓或電阻分壓，利用與電子式電流互感器類似的電子模塊處理信號，使用光纖傳輸信號。
三、智能斷路器及智能終端
斷路器、隔離開關等一次設備的智能化實現方式有兩種，一種是將智能控制模塊形成一個獨立裝置-- 智能終端，安裝在一次設備附近，實現一次設備的智能化；另一種方式是直接將智能控制模塊內嵌在斷路器中，形成一個不可分割的整體，可直接提供網絡通信接口，稱之為智能斷路器。
在傳統斷路器等一次設備旁邊安裝智能終端，該裝置負責採集與斷路器、主變壓器、隔離開關、接地刀等設備相關的開入信號，並負責控制斷路器、隔離開關、接地刀的操作。通過智能終端實現一個間隔內相關一次設備的就地數字化。智能終端作為過程層的一部分，為非智能的一次設備提供了外掛的智能接口。
智能終端通過電纜與一次設備連接，通過光纖與間隔層的保護、控制裝置通信，將開人信息上傳，並接收間隔層設備的控制命令。通過智能終端，完全取消了間隔層與過程層之間的電纜。目前，這種方式比較容易實現，國內智能化變電站建設基本採用常規斷路器+ 智能終端的方案。
將智能終端和斷路器一體化，可解決智能終端後期不便安裝及後期安裝影響開關設備本體電氣或絕緣性能等問題；同時將智能終端高度集成於斷路器本體，可實現信息資源共享，減少信號重複採集，並減少二次接線的工作量，使產品安裝調試簡單方便；另外，就地信號就地處理，提高了設備響應速度和抗干擾能力，並且真正實現了一次設備狀態的在線監測。
四、結束語
電子式互感器和智能斷路器及智能化一次設備的應用，實現了互感器採樣值的數字化及開關設備開入開出命令和信號的數字化，在智能變電站技術中發揮著十分重要的作用。也期待智能化一次設備變電站在新疆的鐵路行業得到更廣泛的應用，為新疆的發展做出貢獻。
參考文獻
[1]高翔.智能變電站技術。北京：中國電力出版社，2013.
[2]馮軍.智能變電站原理及測試技術.北京：中國電力出版社，2011.
[3]劉延冰，劉紅斌，余春雨.電子式互感器原理、技術及應用.北京：科學出版社，2009.
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