智能變電站一次設(shè)備智能化技術(shù)的現(xiàn)狀及展望

16/16智能變電站一次設(shè)備智能化技術(shù)的現(xiàn)狀與展望彭發(fā)東，姚森敬，喇元(廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州510080)摘要：智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。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)備上的要緊區(qū)不是一次設(shè)備智能化。文章介紹了智能變電站的定義、結(jié)構(gòu)及特征，并總結(jié)了一次設(shè)備智能化的要緊技術(shù)與進展方向，并提出了智能變電站中一次設(shè)備智能化的相關(guān)建議。Abstract:Intelligentsubstationisanimportantpartofsmartgrid.ThemaindifferencebetweenintelligentsubstationandtraditionalsubstationisanintelligentPrimaryEquipment.Thisarticleintroducesthedefinition,structureandcharacteristicsofintelligentsubstation,andintroducesthemaintechnologyanddevelopmentofintelligentprimaryequipment,thengivesrecommendationsforintelligentprimaryequipment.關(guān)鍵詞：智能變電站，一次設(shè)備智能化，狀態(tài)檢修，資產(chǎn)全壽命周期治理Keyword:intelligentsubstation;intelligentprimaryequipment;condition-basedmaintenance;LCM中圖分類號：TM63,文獻標識碼：A0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能夠?qū)崿F(xiàn)的。變電站的安全穩(wěn)定運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)濟運行的手段，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)濟性。智能變電站與數(shù)字變電站的區(qū)不如下：（1）一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與一次設(shè)備智能化；（2）一體化信息平臺與智能高級應(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、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)通信平臺為信息傳輸基礎(chǔ)，自動完成信息采集、測量、操縱、愛護、計量和監(jiān)測等差不多功能。并可依照需要支持電網(wǎng)實時自動操縱、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應(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、信息交換標準化、系統(tǒng)高度集成化、運行操縱自動化、愛護操縱協(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)備是變電站堅強的基礎(chǔ)，綜合分析、自動協(xié)同操縱是變電站智能的關(guān)鍵，設(shè)備信息數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化是進展方向。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。過程層的要緊功能分3類：電力運行實時的電氣量檢測；運行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測；操作操縱執(zhí)行與驅(qū)動。(2)間隔層：其設(shè)備的要緊功能是匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息；實施對一次設(shè)備愛護操縱功能；實施本間隔操作閉鎖功能；實施操作同期及其他操縱功能；對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及操縱命令的發(fā)出具有優(yōu)先級不的操縱；承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時，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：其要緊任務(wù)是通過2級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫；按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或操縱中心；接收調(diào)度域操縱中心有關(guān)操縱命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行；具有在線可編程的全站操作閉鎖操縱功能；具有(或備有)站內(nèi)當?shù)乇O(jiān)控，人機聯(lián)系功能；具有對問隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護、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一次設(shè)備的操縱、調(diào)節(jié)等功能。間隔層設(shè)備完成對一次設(shè)備的測量、操縱、愛護、計量、檢測等功能。智能組件以測量數(shù)字化、操縱網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動化為特征，集成了過程層和間隔層的部分功能，具備測量、操縱、愛護、計量、檢測中的全部或部分功能。高壓一次設(shè)備與相關(guān)智能組件的有機結(jié)合構(gòu)成了智能化一次設(shè)備，這種有機結(jié)合能夠是獨立運行的高壓設(shè)備加外置的智能組建，也能夠是高壓設(shè)備內(nèi)嵌部分智能組建再加外置智能組件，還能夠是高壓設(shè)備內(nèi)嵌相關(guān)智能組件。智能組件是一次設(shè)備實現(xiàn)智能化的要緊途徑。4一次設(shè)備智能化變電站設(shè)備要緊包括變壓器、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志之一。采納標準的信息借口，實現(xiàn)融狀態(tài)監(jiān)測、測控愛護、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)備通過先進的狀態(tài)監(jiān)測手段和可靠的自評價體系，能夠科學地推斷一次設(shè)備的運行狀態(tài)，識不故障的早期征兆，并依照分析診斷結(jié)果為設(shè)備運維治理部門合理安排檢修和調(diào)度部門調(diào)整運行方式提供輔助決策依據(jù)，在發(fā)生故障時能對設(shè)備進行故障分析，對故障的部位、嚴峻程度進行評估。大規(guī)模間隙發(fā)電和分布式發(fā)電接入，要求電網(wǎng)具有專門高的靈活性，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，建設(shè)變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，智能變電站通過狀態(tài)監(jiān)測單元實現(xiàn)要緊一次設(shè)備重要參數(shù)的在線監(jiān)測，為電網(wǎng)設(shè)備治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。實時狀態(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)改變和阻礙一次設(shè)備的正常運行；b智能組件應(yīng)能自動連續(xù)地進行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和存儲；c智能組件應(yīng)具有自檢和報警功能；d智能組件應(yīng)具有較好的抗干擾能力和合理的監(jiān)測靈敏度；e監(jiān)測結(jié)果應(yīng)具有較好的可靠性、重復(fù)性以及合理的準確度；f應(yīng)具有狀態(tài)標定其監(jiān)測靈敏度的功能。（1）主變壓器智能化要緊包括油中溶解氣體在線監(jiān)測、油中微水在線監(jiān)測、套管絕緣在線監(jiān)測(含環(huán)境溫濕度監(jiān)測)、局部放電在線監(jiān)測、溫度負荷在線監(jiān)測等單元，實現(xiàn)對變壓器油溶解氣體，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、溫度負荷趨勢、油溫、油位、風扇狀態(tài)、油泵狀態(tài)等的在線監(jiān)測功能。油色譜能夠區(qū)分放電類型與過熱類型、油過熱與油-絕緣紙過熱等。微水檢測能夠反映油的受潮程度。局部放電監(jiān)測能夠反映電暈、油中氣體放電等多種缺陷。圖1主變油色譜、局放在線監(jiān)測傳感器圖2主變在線監(jiān)測智能組件總體而言，變壓器狀態(tài)監(jiān)測功能方面差不多一定突破，實現(xiàn)了將各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)集成為一個系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器所有要緊部件進行監(jiān)控；但變壓器智能化的核心——專家診斷系統(tǒng)，還需要積存大量運行數(shù)據(jù)，挖掘設(shè)備運行特性，研究診斷方法開發(fā)分析系統(tǒng)，從而實現(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，關(guān)于主設(shè)備本體運行的阻礙，監(jiān)測量的選擇以及傳感器布點方面仍有待研究。（2）開關(guān)設(shè)備智能化GIS密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了SF6氣體的密度、微水監(jiān)測功能；GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了GIS局放的在線監(jiān)測功能；GIS設(shè)備光纖測溫在線監(jiān)測，利用溫度傳感器采集GIS內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，能夠直觀地反映GIS內(nèi)部溫度變化。目前GIS絕緣在線監(jiān)測最有效地點法是局部放電監(jiān)測，能夠發(fā)覺GIS設(shè)備制造和安裝及維修時引入的導(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，多點監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)故障定位。斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(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、儲能電機電流波形、儲能狀態(tài)、儲能時刻、頻率等參量的在線監(jiān)測功能；（3）避雷器設(shè)備智能化避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了避雷器的全電流、泄漏電流值以及計數(shù)器動作次數(shù)的在線監(jiān)測功能。（4）電容性設(shè)備智能化要緊實現(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，掌握其絕緣特性。（5）電纜要緊監(jiān)測電力電纜的局部放電、介質(zhì)損耗因數(shù)、直流重量等參量，掌握其絕緣特性。（6）電子式互感器電子式互感器是實現(xiàn)變電站運行實時信息數(shù)字化的要緊設(shè)備之一，在電網(wǎng)動態(tài)觀測、提高繼電愛護可靠性等方面具有重要作用。準確的電流、電壓動態(tài)測量，為提高電力系統(tǒng)運行操縱的整體水平奠定測量基礎(chǔ)。電子式互感器利用電磁感應(yīng)等原理感應(yīng)被測信號，關(guān)于電子式電流互感器，采納羅氏線圈；關(guān)于電子式電壓互感器，則采納電阻、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，可不能出現(xiàn)磁飽和及磁滯等問題。電子式互感器的高壓平臺傳感頭部分具有需用電源供電的電子電路，在一次平臺上完成模擬量的數(shù)值采樣，采納光纖傳輸將數(shù)字信號傳送到二次的愛護、測控和計量系統(tǒng)。電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)包括電源供電技術(shù)、遠端電子模塊的可靠性和采集單元的可維護性等[2]。光學電子式電流互感器采納法拉第磁光效應(yīng)感應(yīng)被測信號，傳感頭部分又分為塊狀玻璃和全光纖兩種方式。目前的光學電子式電壓互感器大多利用Pokels電光效應(yīng)感應(yīng)被測信號。光學電子式互感器傳感頭部分不需要復(fù)雜的供電裝置，整個系統(tǒng)的線性度比較好。光學電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)包括光學傳感材料的穩(wěn)定性、傳感頭的組裝技術(shù)、微弱信號調(diào)制解調(diào)器、溫度對精度的阻礙、振動對精度的阻礙、長期運行的穩(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：（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）動態(tài)范圍大，頻率范圍寬，測量精度高；（4）抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無開路和短路危險；（5）互感器無油能夠幸免火災(zāi)和爆炸等危險，體積小，重量輕；（6）經(jīng)濟性好，電壓等級越高效益越明顯。表1一次設(shè)備在線監(jiān)測參量一次設(shè)備監(jiān)測參量主變油中溶解氣體、油中微水、套管絕緣、局部放電在線監(jiān)測、溫度負荷開關(guān)GIS氣體密度、微水、光纖測溫、局部放電；斷路器機械特性、溫度特性避雷器全電流（容性電流和阻性電流）、計數(shù)器動作次數(shù)容性設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)、電容量以及三相不平衡電流電纜局部放電、介質(zhì)損耗因數(shù)、直流重量5狀態(tài)檢修技術(shù)目前電力系統(tǒng)中電力設(shè)備大多采納的打算檢修體制存在著嚴峻缺陷，如臨時性維修頻繁、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、計算機軟硬件和數(shù)字信號處理技術(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)測及故障診斷中的應(yīng)用，使基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和先進診斷技術(shù)的狀態(tài)檢修研究得到進展和應(yīng)用。狀態(tài)檢修，即依照狀態(tài)監(jiān)測所提示的檢修需求進行檢修，也確實是講對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測，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，能夠節(jié)約大量的維修費用和資源，并提高設(shè)備運行的可靠性。一次設(shè)備智能化的目的是為了及時掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供依據(jù)，進而達到預(yù)測設(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)測服務(wù)器，具備數(shù)據(jù)治理及分析功能，實現(xiàn)全站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(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)，實現(xiàn)自動監(jiān)測包括變壓器油溫測量數(shù)據(jù)等檢測儀表讀數(shù)，并通過在傳統(tǒng)檢測儀器儀表基礎(chǔ)上增設(shè)實時監(jiān)測和數(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行智能化處理、分析，給出設(shè)備的運行狀態(tài)、可靠性水平、典型故障風險水平、壽命曲線等信息，為電網(wǎng)運行提供實時的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)，服務(wù)于電網(wǎng)的智能調(diào)度，實現(xiàn)電網(wǎng)靈活優(yōu)化操縱，降低電網(wǎng)的事故風險，提高電網(wǎng)的運行可靠性。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治理，實現(xiàn)針對變電設(shè)備狀態(tài)的智能化監(jiān)測檢測、設(shè)備的操縱與調(diào)整、設(shè)備狀態(tài)的自診斷功能。6全壽命周期治理技術(shù)資產(chǎn)全壽命周期治理，是指資產(chǎn)從構(gòu)思、決策、設(shè)計、建筑、使用，通過有形磨損，直至在技術(shù)上或經(jīng)濟上不宜接著使用，需要進行更新所經(jīng)歷的時刻，開展資產(chǎn)全壽命周期治理的目的確實是加強資產(chǎn)治理，降低資產(chǎn)維護檢修成本，延長資產(chǎn)使用時刻，提高資產(chǎn)利用率。資產(chǎn)全壽命周期治理是從資產(chǎn)的長期效益動身，通過技術(shù)手段和治理方法的創(chuàng)新，統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計、招標采購、運行維護、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，實現(xiàn)成本收益率最大化。它是對資產(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)濟手段對治理制度和模式的創(chuàng)新[3]。智能變電站資產(chǎn)全壽命周期治理應(yīng)首先以一次設(shè)備為重點，涵蓋變電站規(guī)劃設(shè)計、采購基建、運行維護、更新改造、退役處理的全壽命周期跨度的治理，在風險評估與狀態(tài)檢修、壽命預(yù)測等技術(shù)手段的輔助下，完善資產(chǎn)全壽命治理策略，實現(xiàn)資產(chǎn)全壽命期內(nèi)增值、優(yōu)質(zhì)、安全的目標。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)不如下:a一次主設(shè)備采納在線監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài),即設(shè)備狀態(tài)可視化；b在線監(jiān)測裝置及愛護裝置采取智能組件方式，就地安裝，以減少信號及操縱電纜的長度；c狀態(tài)監(jiān)測參量的通信符合IEC61850標準；d狀態(tài)監(jiān)測參量集成在集控室信息一體化平臺中；e互感器均采納電子式或光電式。（2）智能變電站一次設(shè)備智能化是基于在線監(jiān)測的基礎(chǔ)上建設(shè)，需要準確選擇在線監(jiān)測參量。依照國網(wǎng)公司Q／GDW393-2009《110（66）kV～220kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》[4]及Q／GDW394-2009《330kV～750kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》[5]，一次設(shè)備監(jiān)測參量有：主變——油中溶解氣體；220kVGIS——SF6氣體密度、微水；110kVGIS——SF6氣體密度、微水；避雷器——泄漏電流、動作次數(shù)；