西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第11页 2.3.2数字化变电站基本架构体系 远方调度 变电站层 站控单元 人机界面 通信控制器 站级总线 局域网接 局域网接 口装置 口装置 间隔级1 星形耦 间隔级N 星形耦 合器 合器 间隔层 间隔数 向隔数 间隔保 间隔数 间隔数 间隔保 据采集 据采集 据采集 据采集 和处理 和控制 护单元 和处理 护单元 和控制 过程层总线 单元 单元 单元 单元 智能过程设备 智能过程设备 开关控 开关控 过程层 数字式断路 制模块 合并单元 数字式断路 合并单元 器控制单元 制模块 器控制单元 图2-3数字化变电站系统架构图 基于EC61850标准数字化变电站用非常规互感器代替常规继电保护、测控装置I/O 接口，以交换式以太网代替传统二次电缆回路，间隔层正D实现了信息集成，以功能 的软件冗余代替常规变电站装置冗余，最终使系统实现分层分布设计：智能化一次设 备使控制回路数字化，尽可能下放常规变电站间隔层控制功能，实现整个变电站的小 型化、紧凑化设计。 EC61850根据变电站自动化系统要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信息 分层概念，从逻辑和物理概念上将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层， 并定义了层与层之间的通信接口，其基本架构如图2-3所示，1)
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第”页 2．3．2数字化变电站基本架构体系 过 图2．3数字化变电站系统架构图 基于mC61 850标准数字化变电站用非常规互感器代替常规继电保护、测控装置I／O 接口，以交换式以太网代替传统二次电缆回路，间隔层lED实现了信息集成，以功能 的软件冗余代替常规变电站装置冗余，最终使系统实现分层分布设计：智能化一次设 备使控制回路数字化，尽可能下放常规变电站间隔层控制功能，实现整个变电站的小 型化、紧凑化设计。 IEC 61850根据变电站自动化系统要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信息 分层概念，从逻辑和物理概念上将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层， 并定义了层与层之间的通信接口，其基本架构如图2．3所示[zj3】
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第12页 远方控制NCC 技术服务 变电站层 功能A 功能B 26 9 6 8 间隔层及 远方保护 保护 控制 控制 保护 (②)远方保护 4⑤ 过程层 过程层接口 传感器 执行部件 过程层一次设备 图24EC61850标准变电站信息流接口模型 图2-4是IEC61850标准信息接口模型，各接口具体含义如下： 接口1：间隔层与变电站层保护数据交换： 接口2：间隔层与远方保护保护数据交换（非EC61850范围）： 接口3：间隔层内数据交换： 接口4：过程层与间隔层流互、压互瞬时数据交换； 接口5：过程层与间隔层控制数据交换： 接口6：间隔层与变电站层控制数据交换： 接口7：变电站层与远方工程师站数据交换： 接口8：间隔层之间直接数据交换（特别如连锁之类的快速功能）： 接口9：变电站层内数据交换： 接口10：变电站层和远方控制中心控制数据交换（非正C61850范围）： 变电站层和间隔层间应用通信被抽象为ACSI通过SCSM映射到制造报文规范 (MMS)、传输控制协议/网际协议(TCPP)以太网或光纤网。间隔层与过程层之间 的网络采用单点向多点的单向以太网通信。 对于数字化变电站三层的具体功能分析如下，)。 一、过程层 过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要完成开关量/O、模拟量的采集和
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第12页 变电 间隔层及 远方保护 过程层 图2-4 IEC61 850标准变电站信息流接口模型 图2．4是IEC61850标准信息接口模型，各接口具体含义如下【13】： 接口1：间隔层与变电站层保护数据交换； 接口2：间隔层与远方保护保护数据交换(非IEC61850范围)； 接口3：间隔层内数据交换； 接口4：过程层与间隔层流互、压互瞬时数据交换； 接口5：过程层与间隔层控制数据交换； 接口6：间隔层与变电站层控制数据交换； 接口7：变电站层与远方工程师站数据交换； 接1：3 8：间隔层之间直接数据交换(特别如连锁之类的快速功能)； 接口9：变电站层内数据交换； 接口10：变电站层和远方控制中心控制数据交换(非IEC61850范围)； 变电站层和间隔层间应用通信被抽象为ACSI通过SCSM映射到制造报文规范 (MMS)、传输控制协议／网际协议(TCP／p)以太网或光纤网。间隔层与过程层之间 的网络采用单点向多点的单向以太网通信。 对于数字化变电站三层的具体功能分析如下【l，131。 一、过程层 过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要完成开关量I／O、模拟量的采集和
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第13页 控制命令的传送执行等与一次设备相关的功能，这些功能通过逻辑接口4和5与间隔 层通信。过程层所要完成的具体功能如下： (1)变电站运行实时信息采集 过程层完成变电站运行电流、电压、相位及谐波分量的采集，间隔层设备通过计 算得出有功、无功。信息采集采用光电电流/电压互感器取代传统电磁式电流/电压互 感器，输出数字量并通过光纤传输，抗干扰能力强，抗饱和特性好。 (2)变电站运行设备状态参数在线监测 过程层需要进行变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系 统状态参数检测，内容包括温度、压力、绝缘、机械特性和相关工作状态等。 (3)操作控制的执行与驱动 操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断 路器、刀闸的合分控制，直流电源充放电控制，在执行控制命令时具有智能性，能判 别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合 闸，选相分闸，在选定相角下实现断路器的关合和开断。 二、间隔层 间隔层由保护测控单元、数字化计量设备等组成，完成保护、控制和测量功能。 通过逻辑接口3实现间隔层内通信，通过逻辑接口4和5与过程层远方/O、智能传 感器和控制器通信。间隔层具体功能如下： 1)收集本间隔过程层实时数据，实施对一次设备的保护和控制功能，并高速完成与过 程层及变电站层的通信，实现数据共享： 2)实施操作控制功能，实施本间隔防误闭锁功能，对数据采集及控制命令发出具有优 先级选择： 三、变电站层 变电站层所要完成的功能如下： (1)使用多个间隔或者全站数据，作用于多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制， 通过逻辑接口8通信。 (2)站控层的人机接口MI功能，与远方控制中心的远动接口TCI功能，与监视和 维护远方工程管理的TMⅡ接口功能，通过逻辑接口1和6与间隔层通信，通过逻辑接 口7和远方控制接口与外部通信。 2.3.31EC61850标准数字化变电站过程层技术分析 一、非常规互感器 传统电磁式互感器存在的问题： 1)产品结构复杂，重量大，造价高。 2)电磁式电流互感器存在电磁饱和，一次电流较大时会使二次输出发生畸变，影响保
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第13页 控制命令的传送执行等与一次设备相关的功能，这些功能通过逻辑接口4和5与间隔 层通信。过程层所要完成的具体功能如下： (1)变电站运行实时信息采集 过程层完成变电站运行电流、电压、相位及谐波分量的采集，间隔层设备通过计 算得出有功、无功。 信息采集采用光电电流／电压互感器取代传统电磁式电流／电压互 感器，输出数字量并通过光纤传输，抗干扰能力强，抗饱和特性好。 (2)变电站运行设备状态参数在线监测 过程层需要进行变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系 统状态参数检测，内容包括温度、压力、绝缘、机械特性和相关工作状态等。 (3)操作控制的执行与驱动 操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断 路器、刀闸的合分控制，直流电源充放电控制，在执行控制命令时具有智能性，能判 别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合 闸，选相分闸，在选定相角下实现断路器的关合和开断。 二、间隔层 间隔层由保护测控单元、数字化计量设备等组成，完成保护、控制和测量功能。 通过逻辑接口3实现间隔层内通信，通过逻辑接口4和5与过程层远方FO、智能传 感器和控制器通信。间隔层具体功能如下： 1)收集本间隔过程层实时数据，实施对一次设备的保护和控制功能，并高速完成与过 程层及变电站层的通信，实现数据共享； 2)实施操作控制功能，实施本间隔防误闭锁功能，对数据采集及控制命令发出具有优 先级选择； 三、变电站层 变电站层所要完成的功能如下： ．． (1)使用多个间隔或者全站数据，作用于多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制， 通过逻辑接口8通信。 (2)站控层的人机接口阳Ⅲ功能，与远方控制中心的远动接口TCI功能，与监视和 维护远方工程管理的nⅢ接口功能，通过逻辑接口1和6与间隔层通信，通过逻辑接 口7和远方控制接口与外部通信。 ． 2．3。3 l EG61 850标准数字化变电站过程层技术分析 一、非常规互感器 传统电磁式互感器存在的问题： 1)产品结构复杂，重量大，造价高。 2)电磁式电流互感器存在电磁饱和，一次电流较大时会使二次输出发生畸变，影响保
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第14页 护设备故障判断，造成保护误动或拒动。 3)电磁式互感器输出模拟量，不能与数字化二次设备直接接口。 非常规互感器是新一代有别于传统电磁式电压/电流互感器的新型互感器。按照原 理可以将其分为有源和无源两大类，如图2-5所示川。 NCIT/OVT OCT/OVT ECT/EVT 电流变换 法拉第效应 赛格奈克效应 Rogowik战图 电压变换 普克尔效应 电容分压 电阻分压 无源型传感系统 有源型传感系统 图25非常规互感器原理分布图 1、有源非常规互感器 有源非常规互感器又称为电子式电压/电流互感器ECT/EVT(Electrical Current//Voltage Transformer),这种互感器需要向传感头提供电源，利用电磁感应原理 感应电压、电流信号，主要由罗科夫斯基线圈和电容、电阻分压原理实现。 基于Rogowski线圈的ECT是将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成 空心电感线圈，待测电流从线圈中心流过，在线圈中产生感应电势。由于没有铁芯， 线圈输出低电压模拟信号，可直接与微机系统接口。ECT必须同时满足测量、保护要 求，一般采用两个Rogowski线圈分别用于测量和保护通道。基于电容、电阻分压EVT 原理与传统的电容式电压互感器相同，这里不做介绍。 电子式互感器传感头位于高压侧，如果将其输出信号直接送往低压侧处理，将会 受到电磁干扰的严重影响，因此增加了高压侧数据采集系统，如图2-6所示。 Rogowski 线豳信号 信号 逻辑 电 光 采样 控制 光转 转 K- 调整 电路 隔层设 合并单元 电容分压 输出信号 图2-6电子互感器高压侧数据采集系统
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 4页 护设备故障判断，造成保护误动或拒动。 3)电磁式互感器输出模拟量，不能与数字化二次设备直接接121。 非常规互感器是新一代有别于传统电磁式电压／电流互感器的新型互感器。按照原 理可以将其分为有源和无源两大类，如图2—5所示IlJ。 图2．5非常规互感器原理分布图 l、有源非常规互感器 有源非常规互感器又称为电子式电压／电流互感器ECT／EVT(Electrical CurrenWoltage Transformer)，这种互感器需要向传感头提供电源，利用电磁感应原理 感应电压、电流信号，主要由罗科夫斯基线圈和电容、电阻分压原理实现。 基于Rogowski线圈的ECT是将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成 空心电感线圈，待测电流从线圈中心流过，在线圈中产生感应电势。由于没有铁芯， 线圈输出低电压模拟信号，可直接与微机系统接口。ECT必须同时满足测量、保护要 求，一般采用两个Rogowski线圈分别用于测量和保护通道。基于电容、电阻分压EVT 原理与传统的电容式电压互感器相同，这里不做介绍。 电子式互感器传感头位于高压侧，如果将其输出信号直接送往低压侧处理，将会 受到电磁干扰的严重影响，因此增加了高压侧数据采集系统，如图2-6所示。 Rogowski ～ 线圈信号 矿 卜、 间 信号 逻辑 电 ／ 光 合 隔 采样 控制 刀 卜、 光 电 刀 卜、 并 卜 层 N y 转 转 ＼ ∥ 盥 V 调整 电路 一 设 换 ／1 换 兀 备 ’电容分压 入 ～ 输出信号 矿 图2-6电子互感器高压侧数据采集系统
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第15页 该系统由逻辑控制单元和信号采样调整单元构成。逻辑控制单元接收合并单元同 步采样控制信号，通过信号采样和调整单元，对传感头输出的模拟信号进行高速同步 采样，并将采样值按照一定的标准进行组帧编码，通过电光转换实现光纤传输，使得 高压侧与低压侧实现光电隔离，减小电磁干扰，保证数据传输可靠性。 2、无源非常规互感器 无源非常规互感器又称光电式电压/电流互感器OVT/OCT(Optical Current//Voltage Transformer),其不需向传感头供电，主要采用光学测量原理。 光电电流互感器利用法拉第磁光效应和塞格奈克效应感应被测信号，法拉第效应 原理是线性偏振光通过光玻璃等磁场中的介质，偏振方向发生旋转，只要测量出法拉 第旋转角，就可求出磁场强度，得出磁场电流大小。光电电压互感器利用普克尔效应 和逆压电效应感应被测信号，常用普克尔效应。 在实际工程应用中，电子式互感器比较适合于小绝缘距离的高电压系统，由电容 分压和罗氏线圈构成的系统比较适合于全封闭气体绝缘装置(GS),光电互感器则比 较适合于超高压系统。这两种互感器都大大减少了占地面积，减少了传统的二次电缆 连线，必将在工程中得到广泛应用。 二、合并单元4,14 要推动基于EC61850标准数字化变电站建设，其基础是非常规互感器，而解决非 常规互感器与间隔层保护、测控设备的数字接口是关键。鉴于此，正C61850标准详细 定义了合并单元QMU,并严格规范了它与保护、测控设备的接口方式。 根据EC61850标准定义，合并单元作为非常规互感器的数字接口，其主要功能是 产生同步采样信号传送到12路电子互感器，接收12路电子互感器的采样数据帧，汇 总合并为一路符合EC61850-9-1/2标准的带GPS时标的以太网帧，通过以太网传送到 二次保护、测控设备。如图2-7所示为合并单元的一个功能模型。 GPS秒脉冲 同步信号 发送12路 同步采样 信号给电 异常信号 同步模块 子互感器 序模块 据处理 串行发送模 以太网传输 接收 解 码 块 12路 采样 数据 模 块 图2-7合并单元功能模型
西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 5页 jilit'l —itiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii 该系统由逻辑控制单元和信号采样调整单元构成。逻辑控制单元接收合并单元同 步采样控制信号，通过信号采样和调整单元，对传感头输出的模拟信号进行高速同步 采样，并将采样值按照一定的标准进行组帧编码，通过电光转换实现光纤传输，使得 高压侧与低压侧实现光电隔离，减小电磁干扰，保证数据传输可靠性。 2、无源非常规互感器 无源非常规互感器又称光电式电压／电流互感器OVT／OCT(Optical CurrenWoltage Transfor'rner)，其不需向传感头供电，主要采用光学测量原理。 光电电流互感器利用法拉第磁光效应和塞格奈克效应感应被测信号，法拉第效应 原理是线性偏振光通过光玻璃等磁场中的介质，偏振方向发生旋转，只要测量出法拉 第旋转角，就可求出磁场强度，得出磁场电流大小。光电电压互感器利用普克尔效应 和逆压电效应感应被测信号，常用普克尔效应。 在实际工程应用中，电子式互感器比较适合于小绝缘距离的高电压系统，由电容 分压和罗氏线圈构成的系统比较适合于全封闭气体绝缘装置(GIS)，光电互感器则比 较适合于超高压系统。这两种互感器都大大减少了占地面积，减少了传统的二次电缆 连线，必将在工程中得到广泛应用。 二、合并单元[4,141 要推动基于IEC61850标准数字化变电站建设，其基础是非常规互感器，而解决非 常规互感器与间隔层保护、测控设各的数字接口是关键。鉴于此，IEC 61850标准详细 定义了合并单元@m)，并严格规范了它与保护、测控设备的接口方式。 根据IEC61850标准定义，合并单元作为非常规互感器的数字接口，其主要功能是 产生同步采样信号传送到12路电子互感器，接收12路电子互感器的采样数据帧，汇 总合并为一路符合IEC61850．9．1／2标准的带GPS时标的以太网帧，通过以太网传送到 二次保护、测控设备。如图277所示为合并单元的一个功能模型。 发送12路 同步采样 信号给电 子互感器 接收 12路 采样 数据 图2．7合并单元功能模型 网传输