方志远
（中铁第一勘察设计院集团有限公司电化处 新疆 乌鲁木齐 83000）
摘要根据乌鲁木齐铁路局乌拉泊水厂变电所改造工程的设计、施工以及运行经验，本文通过对智能变电站一次设备智能化技术的探讨，说明智能化一次设备在智能变电站技术发展过程中发挥着重要作用。
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关键词 智能变电站 电子式互感器 智能断路器 合并单元 智能终端
作为智能电网重要组成部分，基于IEC61850 标准的智能变电站将变革传统的变电站运行、检修模式。由于其具有常规变电站无法比拟的一系列优势，越来越受到人们的重视。智能变电站的关键技术环节之一是一次设备智能化，即断路器、互感器等设备的智能化。
一、智能变电站概念及其特点
1.智能变电站基本概念。智能变电站是指以变电站一、二次设备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，通过对数字信息进行标准化，实现站内外信息共享和互操作，实现测量监视、控制保护、信息管理、智能状态监测等功能的变电站，它是常规变电站综合自动化技术的延伸和发展。智能变电站在逻辑上分为过程层(第一层）、间隔层（第二层)、站控层（第三层）三层体系架构。过程层主要包括断路器、隔离开关、电流/ 电压互感器等一次设备；间隔层主要包括继电保护装置、系统测控装置、故障录波器等二次设备；站控层由监控主机、操作员工作站、远动通信装置和其他各种功能站构成。
2.智能变电站主要特点。智能变电站基于IEC61850 标准，具有“一次设备智能化、全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、辅助系统智能化、高级应用互动化”等重要特征，其传输信息为数字光信号，而常规变电站综合自动化系统传输信息为模拟量信号，这是智能变电站与常规变电站综合自动化系统之间的显著区别，所以智能变电站要解决的关键技术问题之一是实现变电站过程层一次设备的智能化，即实现互感器采样值的数字化及断路器、隔离开关等设备开入开出命令和信号的数字化以及一次设备状态的在线监测。智能化一次设备包括电子式互感器和智能断路器等。
二、电子式互感器
电子式互感器依其变换原理分为两大类，即采用线圈测量方式的有源电子式互感器和采用光学测量原理的无源电子式互感器。有源电子式互感器又称为电子式电压/ 电流互感器（EVT/ECT），其特点是需要向传感头提供电源。电子式电流互感器主要基于小功率输出的传统电磁感应技术，电流变换即可用微型电流互感器，也可用罗式线圈，但由于后者具有更好的暂态响应特性，故一般采用后者作为电流变换。电子式电压互感器主要基于电容和电阻分压技术。
无源电子式互感器又称为光电式电压/ 电流互感器（OVT/OCT），其特点是无须向传感头提供电源。光电式电流互感器主要是利用晶体的法拉第效应，即光束通过磁场作用下的晶体产生旋转，测量光线旋转角度来测量电流。光电式电压互感器主要是利用晶体的普克尔效应，通过测量电场强度来测量电压。根据构成材料，光电式电流互感器分为两类，即磁光效应互感器和纯光纤互感器。
由于无源电子式互感器还存在一些难以突破的技术问题，其稳定性和可靠性还未达到实用化的要求，所以，目前智能变电站多采用有源电子式互感器。
1.电子式电流互感器（ECT）。ECT 的结构如下图所示，其主要由以下四部分组成：
（1）一次传感器。一次传感器位于高压侧，包括一个低功耗线圈（LPCT）、两个罗氏线圈、一个高压电流取能线圈。低功耗线圈用于传感测量级电流信号，罗氏线圈用于传感保护级电流信号，取能线圈用于从一次侧电流获取电能供远端电子模块工作。
罗氏线圈是一种较成熟的测量元件，它实际上是一种特殊结构的空心线圈，将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，线圈两端接上采样电阻组成。罗式线圈的感应信号与被测电流的微分成正比，经积分变换等信号处理便可获知被测电流的大小。
（2）远端电子模块。远端电子模块包括一次转换器和电光转换器，远端电子模块采集低功耗线圈及罗氏线圈的的输出信号，经滤波、积分变换及A/D 转换后变为数字信号，通过电光转换电路将数字信号变为串行数字光信号，然后通过光纤将数字光信号送至低压侧，供继电保护和电能等设备使用。
（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 头与远端电子模块对接，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。合并单元一方面为远端电子模块提供供能激光；另一方面接收并处理远端电子模块下发的数据，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。合并单元可以作为独立设备单独设置，也可以集成于电子式互感器。
2.电子式电压互感器（EVT）。电子式电压互感器（EVT) - 般由一次侧传感器（分压器）、远端电子模块、光纤绝缘子与合并单元组成。分压器低压臂输出的模拟信号通过远端电子模块进行模/ 数转换、数/ 光转换，经光纤将数字光信号传送至合并单元。
根据一次侧传感器的分压原理的不同又可划分为电容分压或电阻分压，利用与电子式电流互感器类似的电子模块处理信号，使用光纤传输信号。
三、智能断路器及智能终端
断路器、隔离开关等一次设备的智能化实现方式有两种，一种是将智能控制模块形成一个独立装置-- 智能终端，安装在一次设备附近，实现一次设备的智能化；另一种方式是直接将智能控制模块内嵌在断路器中，形成一个不可分割的整体，可直接提供网络通信接口，称之为智能断路器。
在传统断路器等一次设备旁边安装智能终端，该装置负责采集与断路器、主变压器、隔离开关、接地刀等设备相关的开入信号，并负责控制断路器、隔离开关、接地刀的操作。通过智能终端实现一个间隔内相关一次设备的就地数字化。智能终端作为过程层的一部分，为非智能的一次设备提供了外挂的智能接口。
智能终端通过电缆与一次设备连接，通过光纤与间隔层的保护、控制装置通信，将开人信息上传，并接收间隔层设备的控制命令。通过智能终端，完全取消了间隔层与过程层之间的电缆。目前，这种方式比较容易实现，国内智能化变电站建设基本采用常规断路器+ 智能终端的方案。
将智能终端和断路器一体化，可解决智能终端后期不便安装及后期安装影响开关设备本体电气或绝缘性能等问题；同时将智能终端高度集成于断路器本体，可实现信息资源共享，减少信号重复采集，并减少二次接线的工作量，使产品安装调试简单方便；另外，就地信号就地处理，提高了设备响应速度和抗干扰能力，并且真正实现了一次设备状态的在线监测。
四、结束语
电子式互感器和智能断路器及智能化一次设备的应用，实现了互感器采样值的数字化及开关设备开入开出命令和信号的数字化，在智能变电站技术中发挥着十分重要的作用。也期待智能化一次设备变电站在新疆的铁路行业得到更广泛的应用，为新疆的发展做出贡献。
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参考文献
[1]高翔.智能变电站技术。北京：中国电力出版社，2013.
[2]冯军.智能变电站原理及测试技术.北京：中国电力出版社，2011.
[3]刘延冰，刘红斌，余春雨.电子式互感器原理、技术及应用.北京：科学出版社，2009.