變電站一次設(shè)備智能化技術(shù)

0 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要建設(shè)環(huán)節(jié)。保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定是一個(gè)系統(tǒng)工程，取決于諸多因素，不是單靠提高變電站的智能化就可以實(shí)現(xiàn)的。變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行是與變電站接入方案是否可靠、系統(tǒng)網(wǎng)架是否合理、運(yùn)行方式是否合適分不開的。必須明確“智能化”是確保電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段，而不是目的。智能化不能犧牲電網(wǎng)原有的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

智能變電站與數(shù)字變電站的區(qū)別如下：(1)一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與一次設(shè)備智能化;(2)一體化信息平臺(tái)與智能高級(jí)應(yīng)用;(3)輔助系統(tǒng)智能化。

1 智能變電站的定義

智能變電站的如下定義：由先進(jìn)、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的設(shè)備組合而成。以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為信息傳輸基礎(chǔ)，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能。并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用功能的變電站。

2 智能變電站的特征

智能變電站的特征：一次設(shè)備智能化、信息交換標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)高度集成化、運(yùn)行控制自動(dòng)化、保護(hù)控制協(xié)同化、分析決策在線化。智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分。高可靠性的設(shè)備是變電站堅(jiān)強(qiáng)的基礎(chǔ)，綜合分析、自動(dòng)協(xié)同控制是變電站智能的關(guān)鍵，設(shè)備信息數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化是發(fā)展方向。

3 智能變電站的結(jié)構(gòu)

智能變電站設(shè)備分為過程層、間隔層、站控層。

(1)過程層：指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層的主要功能分3類：電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測(cè);運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè);操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。

(2) 間隔層：其設(shè)備的主要功能是匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息;實(shí)施對(duì)一次設(shè)備保護(hù)控制功能;實(shí)施本間隔操作閉鎖功能;實(shí)施操作同期及其他控制功能;對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級(jí)別的控制;承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

(3)站控層：其主要任務(wù)是通過2級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，按時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù);按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心;接收調(diào)度域控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行;具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;具有(或備有)站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能;具有對(duì)問隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)的功能;具有(或備有)變電站故障自動(dòng)分析和操作培訓(xùn)功能[1]。

過程層設(shè)備是聯(lián)系一次設(shè)備和二次系統(tǒng)的橋梁，為間隔層設(shè)備提供一次設(shè)備的數(shù)據(jù)，執(zhí)行間隔層和站控層對(duì)一次設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)等功能。間隔層設(shè)備完成對(duì)一次設(shè)備的測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量、檢測(cè)等功能。智能組件以測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動(dòng)化為特征，集成了過程層和間隔層的部分功能，具備測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量、檢測(cè)中的全部或部分功能。高壓一次設(shè)備與相關(guān)智能組件的有機(jī)結(jié)合構(gòu)成了智能化一次設(shè)備，這種有機(jī)結(jié)合可以是獨(dú)立運(yùn)行的高壓設(shè)備加外置的智能組建，也可以是高壓設(shè)備內(nèi)嵌部分智能組建再加外置智能組件，還可以是高壓設(shè)備內(nèi)嵌相關(guān)智能組件。智能組件是一次設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化的主要途徑。

4 一次設(shè)備智能化

變電站設(shè)備主要包括變壓器、斷路器、互感器、母線等一次設(shè)備和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、智能組件等二次設(shè)備。

一次設(shè)備智能化是智能變電站的重要標(biāo)志之一。采用標(biāo)準(zhǔn)的信息借口，實(shí)現(xiàn)融狀態(tài)監(jiān)測(cè)、測(cè)控保護(hù)、信息通信等技術(shù)于一體的智能化一次設(shè)備，可滿足整個(gè)智能電網(wǎng)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流一體化的需求。智能化一次設(shè)備通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段和可靠的自評(píng)價(jià)體系，可以科學(xué)地判斷一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)別故障的早期征兆，并根據(jù)分析診斷結(jié)果為設(shè)備運(yùn)維管理部門合理安排檢修和調(diào)度部門調(diào)整運(yùn)行方式提供輔助決策依據(jù)，在發(fā)生故障時(shí)能對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障分析，對(duì)故障的部位、嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估。大規(guī)模間隙發(fā)電和分布式發(fā)電接入，要求電網(wǎng)具有很高的靈活性，而一次設(shè)備智能化是滿足這種要求的重要基礎(chǔ)。

把一次設(shè)備智能化的信息傳輸至信息一體化平臺(tái)，建設(shè)變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，智能變電站通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元實(shí)現(xiàn)主要一次設(shè)備重要參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，為電網(wǎng)設(shè)備管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。實(shí)時(shí)狀態(tài)信息通過專家系統(tǒng)分析處理后可作出初步?jīng)Q策，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)智能設(shè)備自診斷功能。

智能組件是一次設(shè)備智能化的核心部分，對(duì)智能組件應(yīng)有如下要求：

a 智能組件的投入和使用不應(yīng)改變和影響一次設(shè)備的正常運(yùn)行;

b 智能組件應(yīng)能自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ);

c 智能組件應(yīng)具有自檢和報(bào)警功能;

d 智能組件應(yīng)具有較好的抗干擾能力和合理的監(jiān)測(cè)靈敏度;

e 監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)具有較好的可靠性、重復(fù)性以及合理的準(zhǔn)確度;

f 應(yīng)具有狀態(tài)標(biāo)定其監(jiān)測(cè)靈敏度的功能。

(1)主變壓器智能化

主要包括油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)、油中微水在線監(jiān)測(cè)、套管絕緣在線監(jiān)測(cè)(含環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè))、局部放電在線監(jiān)測(cè)、溫度負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)等單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油溶解氣體，油中微水，局部放電，變壓器鐵芯和夾件電流，套管絕緣介損、電容值、泄漏電流值、溫度負(fù)荷趨勢(shì)、油溫、油位、風(fēng)扇狀態(tài)、油泵狀態(tài)等的在線監(jiān)測(cè)功能。

油色譜可以區(qū)分放電類型與過熱類型、油過熱與油-絕緣紙過熱等。微水檢測(cè)可以反映油的受潮程度。局部放電監(jiān)測(cè)可以反映電暈、油中氣體放電等多種缺陷。

總體而言，變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能方面已經(jīng)一定突破，實(shí)現(xiàn)了將各自獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器所有主要部件進(jìn)行監(jiān)控;但變壓器智能化的核心 ——專家診斷系統(tǒng)，還需要積累大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，挖掘設(shè)備運(yùn)行特性，研究診斷方法開發(fā)分析系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)診斷智能化。另外，考慮到傳感器的使用壽命，尤其內(nèi)置傳感器，對(duì)于主設(shè)備本體運(yùn)行的影響，監(jiān)測(cè)量的選擇以及傳感器布點(diǎn)方面仍有待研究。

(2)開關(guān)設(shè)備智能化

GIS密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SF6氣體的密度、微水監(jiān)測(cè)功能;GIS局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GIS局放的在線監(jiān)測(cè)功能;GIS設(shè)備光纖測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)，利用溫度傳感器采集GIS內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，可以直觀地反映GIS內(nèi)部溫度變化。

目前GIS絕緣在線監(jiān)測(cè)最有效地方法是局部放電監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備制造和安裝及維修時(shí)引入的導(dǎo)電微粒及其他雜物，電極表面產(chǎn)生的毛刺、刮傷等損傷，導(dǎo)電或接地接觸不良，支持絕緣內(nèi)部的氣隙等缺陷，多點(diǎn)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)故障定位。

斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了斷路器的SF6氣體密度、微水;分合閘線圈電流的波形狀態(tài)、斷路器的特征分合閘速度、儲(chǔ)能電機(jī)電流波形、儲(chǔ)能狀態(tài)、儲(chǔ)能時(shí)間、頻率等參量的在線監(jiān)測(cè)功能;

(3)避雷器設(shè)備智能化

避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了避雷器的全電流、泄漏電流值以及計(jì)數(shù)器動(dòng)作次數(shù)的在線監(jiān)測(cè)功能。

(4)電容性設(shè)備智能化

主要實(shí)現(xiàn)介質(zhì)損耗因數(shù)、電容量以及三相不平衡電流的監(jiān)測(cè)，掌握其絕緣特性。

(5)電纜

主要監(jiān)測(cè)電力電纜的局部放電、介質(zhì)損耗因數(shù)、直流分量等參量，掌握其絕緣特性。

(6)電子式互感器

電子式互感器是實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行實(shí)時(shí)信息數(shù)字化的主要設(shè)備之一，在電網(wǎng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)、提高繼電保護(hù)可靠性等方面具有重要作用。準(zhǔn)確的電流、電壓動(dòng)態(tài)測(cè)量，為提高電力系統(tǒng)運(yùn)行控制的整體水平奠定測(cè)量基礎(chǔ)。

電子式互感器利用電磁感應(yīng)等原理感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，對(duì)于電子式電流互感器，采用羅氏線圈;對(duì)于電子式電壓互感器，則采用電阻、電容或電感分壓等方式。羅氏線圈為纏繞在環(huán)狀非鐵磁性骨架上的空心線圈，不會(huì)出現(xiàn)磁飽和及磁滯等問題。電子式互感器的高壓平臺(tái)傳感頭部分具有需用電源供電的電子電路，在一次平臺(tái)上完成模擬量的數(shù)值采樣，采用光纖傳輸將數(shù)字信號(hào)傳送到二次的保護(hù)、測(cè)控和計(jì)量系統(tǒng)。電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)包括電源供電技術(shù)、遠(yuǎn)端電子模塊的可靠性和采集單元的可維護(hù)性等[2]。

光學(xué)電子式電流互感器采用法拉第磁光效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，傳感頭部分又分為塊狀玻璃和全光纖兩種方式。目前的光學(xué)電子式電壓互感器大多利用Pokels電光效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)信號(hào)。光學(xué)電子式互感器傳感頭部分不需要復(fù)雜的供電裝置，整個(gè)系統(tǒng)的線性度比較好。光學(xué)電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)包括光學(xué)傳感材料的穩(wěn)定性、傳感頭的組裝技術(shù)、微弱信號(hào)調(diào)制解調(diào)器、溫度對(duì)精度的影響、振動(dòng)對(duì)精度的影響、長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性等。

與傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式電流互感器相比，電子式互感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)高、低壓完全隔離，具有優(yōu)良的絕緣性能;(2)不含鐵芯，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問題;(3)動(dòng)態(tài)范圍大，頻率范圍寬，測(cè)量精度高;(4)抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無開路和短路危險(xiǎn);(5)互感器無油可以避免火災(zāi)和爆炸等危險(xiǎn)，體積小，重量輕;(6)經(jīng)濟(jì)性好，電壓等級(jí)越高效益越明顯。

5 狀態(tài)檢修技術(shù)

目前電力系統(tǒng)中電力設(shè)備大多采用的計(jì)劃?rùn)z修體制存在著嚴(yán)重缺陷，如臨時(shí)性維修頻繁、維修不足或維修過剩、盲目維修等，這使每年在設(shè)備維修方面耗資巨大。

隨著傳感技術(shù)、微電子、計(jì)算機(jī)軟硬件和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊理論等綜合智能系統(tǒng)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷中的應(yīng)用，使基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和先進(jìn)診斷技術(shù)的狀態(tài)檢修研究得到發(fā)展和應(yīng)用。

狀態(tài)檢修，即根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所提示的檢修需求進(jìn)行檢修，也就是說對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按設(shè)備的健康狀態(tài)來安排檢修，這種檢修方式解決了多年來在預(yù)防性檢修中存在檢修過?；驒z修不足的問題，可以節(jié)約大量的維修費(fèi)用和資源，并提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

一次設(shè)備智能化的目的是為了及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測(cè)設(shè)備剩余壽命的目的。

通過智能變電站一次設(shè)備智能化的研發(fā)及設(shè)備智能化改造，建設(shè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)器，具備數(shù)據(jù)管理及分析功能，實(shí)現(xiàn)全站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸、匯總和診斷分析;建設(shè)設(shè)備狀態(tài)自診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)包括變壓器油溫測(cè)量數(shù)據(jù)等檢測(cè)儀表讀數(shù)，并通過在傳統(tǒng)檢測(cè)儀器儀表基礎(chǔ)上增設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集裝置，提取設(shè)備自身故障模式的典型特征參量并進(jìn)行智能化處理、分析，給出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、可靠性水平、典型故障風(fēng)險(xiǎn)水平、壽命曲線等信息，為電網(wǎng)運(yùn)行提供實(shí)時(shí)的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)，服務(wù)于電網(wǎng)的智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)靈活優(yōu)化控制，降低電網(wǎng)的事故風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。通過基于智能設(shè)備的檢修優(yōu)化策略以及全壽命周期成本管理，實(shí)現(xiàn)針對(duì)變電設(shè)備狀態(tài)的智能化監(jiān)測(cè)檢測(cè)、設(shè)備的控制與調(diào)整、設(shè)備狀態(tài)的自診斷功能。

6 全壽命周期管理技術(shù)

資產(chǎn)全壽命周期管理，是指資產(chǎn)從構(gòu)思、決策、設(shè)計(jì)、建造、使用，經(jīng)過有形磨損，直至在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上不宜繼續(xù)使用，需要進(jìn)行更新所經(jīng)歷的時(shí)間，開展資產(chǎn)全壽命周期管理的目的就是加強(qiáng)資產(chǎn)管理，降低資產(chǎn)維護(hù)檢修成本，延長(zhǎng)資產(chǎn)使用時(shí)間，提高資產(chǎn)利用率。

資產(chǎn)全壽命周期管理是從資產(chǎn)的長(zhǎng)期效益出發(fā)，通過技術(shù)手段和管理方法的創(chuàng)新，統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)、招標(biāo)采購(gòu)、運(yùn)行維護(hù)、退役更新等各環(huán)節(jié)，在確保規(guī)劃合理、工程優(yōu)質(zhì)、電網(wǎng)安全、設(shè)備可靠的前提下，實(shí)現(xiàn)成本收益率最大化。它是對(duì)資產(chǎn)壽命期各環(huán)節(jié)的投入和收益的綜合決策，是依靠技術(shù)和經(jīng)濟(jì)手段對(duì)管理制度和模式的創(chuàng)新 [3]。

智能變電站資產(chǎn)全壽命周期管理應(yīng)首先以一次設(shè)備為重點(diǎn)，涵蓋變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)、采購(gòu)基建、運(yùn)行維護(hù)、更新改造、退役處理的全壽命周期跨度的管理，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與狀態(tài)檢修、壽命預(yù)測(cè)等技術(shù)手段的輔助下，完善資產(chǎn)全壽命管理策略，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)全壽命期內(nèi)增值、優(yōu)質(zhì)、安全的目標(biāo)。

7 結(jié)論及建議

(1) 智能變電站與數(shù)字化變電站及傳統(tǒng)變電站在一次設(shè)備上的區(qū)別如下:

a 一次主設(shè)備采用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài),即設(shè)備狀態(tài)可視化;

b 在線監(jiān)測(cè)裝置及保護(hù)裝置采取智能組件方式，就地安裝，以減少信號(hào)及控制電纜的長(zhǎng)度;

c 狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量的通信符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn);

d 狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量集成在集控室信息一體化平臺(tái)中;

e 互感器均采用電子式或光電式。

(2)智能變電站一次設(shè)備智能化是基于在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上建設(shè)，需要準(zhǔn)確選擇在線監(jiān)測(cè)參量。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司 Q/GDW 393-2009 《110(66)kV～220kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]及 Q/GDW 394-2009《330kV～750kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，一次設(shè)備監(jiān)測(cè)參量有：主變——油中溶解氣體;220kV GIS——SF6 氣體密度、微水;110kV GIS——SF6氣體密度、微水;避雷器——泄漏電流、動(dòng)作次數(shù);220kV GIS 局放應(yīng)綜合考慮安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行維護(hù)方便等要求，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，需認(rèn)真考慮例如主變的超高頻局放、套管介損、繞組溫度等在線監(jiān)測(cè)參量是否選取，是否需要增加其他有效的在線監(jiān)測(cè)參量。

(3)在線監(jiān)測(cè)智能終端采用就近安裝，即室外運(yùn)行，智能單元從本質(zhì)上仍是電子元件，工作年限一般不超過12年，與一次設(shè)備(20年及以上)不匹配，因此其長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行的測(cè)量精確性及使用壽命有待檢驗(yàn)。

(4)根據(jù)已投入的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在線監(jiān)測(cè)裝置易發(fā)生誤報(bào)警。應(yīng)在主變、開關(guān)設(shè)計(jì)之初就考慮融入智能傳感器、控制設(shè)備等，使主設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊、設(shè)計(jì)更加合理、絕緣更加可靠、監(jiān)測(cè)參量更加精確。