智能電網(wǎng)、電子式互感器、電力一次設備三者在線(xiàn)監測

1.智能電網(wǎng)的發(fā)展

1. 1 《美國復蘇與再投資法案》

2009年2月17日美國總統奧巴馬簽署了2009年《美國復蘇與再投資法案》(American Recovery and Reinvestment Act—ARRA)。此法案規定撥款給美國能源部(Department of Energy-DOE)來(lái)支持研發(fā)智能電網(wǎng)(smart grid)的經(jīng)費和示范工程，美國能源部即于2009年4月19日公布了《基金機遇通告》(FOA，(Funding Opportunity Announcementr))，將智能電網(wǎng)示范工程規定如下：①地區示范——核實(shí)智能電網(wǎng)技術(shù)生存能力和確認智能電網(wǎng)的商務(wù)模型。②電力公司電能儲存示范——測試費用和收益，檢驗各種電能儲存方法的技術(shù)性能，如新型電池、特殊電容器、飛輪、風(fēng)與光電組合以及壓縮空氣能量系統等。③同步相量測量示范-建立廣域信息網(wǎng)絡(luò )(即相量測量裝置PMU/廣域測量系統WAMS)來(lái)調度和規劃電力系統。

美國能源部統計，通過(guò)對美國電網(wǎng)的智能化改造，預計未來(lái)20年內可節省投資近千億美元。智能電網(wǎng)技術(shù)革新將打開(kāi)電信、電網(wǎng)、電視網(wǎng)等整合的通道，為全球電力、電信產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)、電視媒體等的改革提供獨特的機遇。

1.2 中國智能電網(wǎng)的研發(fā)

2009年5月21日舉行的“2009特高壓輸電技術(shù)國際會(huì )議”上，國家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞表示，積極發(fā)展智能電網(wǎng)已成為世界電力發(fā)展的新趨勢，到2020年，中國將全面建成統一的堅強智能電網(wǎng)。我國國家電網(wǎng)結合基本國情和特高壓實(shí)踐，確立了加快建設堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展目標，即加快建設以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展，具有信息化、數字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的統一的堅強智能電網(wǎng)。國網(wǎng)公司將按照統籌規劃、統一標準、試點(diǎn)先行、整體推進(jìn)的原則，在加快建設由1000kV交流和±800kV、±1000kV直流構成的特高壓骨干網(wǎng)架，實(shí)現各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展的同時(shí)，分階段推進(jìn)堅強智能電網(wǎng)發(fā)展。

按照規劃，國家電網(wǎng)公司的智能電網(wǎng)建設將分3階段：在2010年之前完成規劃與試點(diǎn)工作;在2010～2015年大面積推開(kāi);到2020年，全面建成統一的堅強智能電網(wǎng)。

2.堅強智能電網(wǎng)與電子式互感器及電力一次設備在線(xiàn)監測

2.1自愈性智能電網(wǎng)(Self-Healing Smart Grid)

目前各大國都逐步建立了特大電網(wǎng)，為保證電網(wǎng)的安全運行，美國、歐盟、俄羅斯、日本、巴西等國先后都在進(jìn)行智能電網(wǎng)的研究。

我國特高壓骨干網(wǎng)架將由1000kV級交流輸電網(wǎng)和±800kV、±1000kV直流直流系統構成。我國地域遼闊，各大區電網(wǎng)互聯(lián)，大量的西電東送，使國家大電網(wǎng)跨越了幾個(gè)時(shí)區。為保證電網(wǎng)的安全、穩定、可靠運行，對智能電網(wǎng)的研發(fā)，則是急迫和至關(guān)重要的任務(wù)。由于這種跨越幾個(gè)時(shí)區的特大電網(wǎng)存在大面積停電的危險，而這種危險大多涉及調度員處理是否得當的人為因素，如2003年 “8.14”美加大停電事故。為解決此問(wèn)題，美國電力研究院(EPRI)最先提出以相量測量裝置PMU，Phasor Measurement Unit)/廣域測量系統(WAMS，Wide Area Measurement System)為基礎的突出自愈功能的智能電網(wǎng)概念。它要求對電網(wǎng)節點(diǎn)的電壓相角測量快速而準確。20世紀80年代同步相量測量的研究在美國已經(jīng)開(kāi)始，并成為廣域測量系統的一部分。1996年夏季美國兩次大停電事故中，WAMS進(jìn)行了較全面準確的記錄。1997年法國電力公司(EDF，Electric de France)也建設了基于PMU的協(xié)調防御控制系統。但是系統動(dòng)作響應時(shí)間卻很長(cháng)，達到1.03s。2003年“8.14” 美加大停電事故更推進(jìn)了WAMS的建設。只要在全網(wǎng)PMU合理化布點(diǎn)的基礎上(滿(mǎn)足可觀(guān)測性)，就可對現代化大電網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)功角穩定裕度監視;在線(xiàn)擾動(dòng)識別;分析電網(wǎng)的短路故障、機組振蕩與失步和系統電壓失穩等;利用實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)功率和相對相角等參量的頻譜特性(特征頻率以及對應的衰減因子)識別系統低頻振蕩;在系統發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)監視機組間相對功角的暫態(tài)過(guò)程;進(jìn)行發(fā)電機組進(jìn)相運行監測;電壓動(dòng)態(tài)過(guò)程監測與動(dòng)態(tài)穩定預報。以及實(shí)現暫態(tài)穩定監控等。

為此， 在PMU /WAMS的基礎上就能實(shí)現包括暫態(tài)穩定性、電壓穩定性和頻率穩定性在內的動(dòng)態(tài)安全評估。當電網(wǎng)出現危機之前就能立即提出網(wǎng)絡(luò )重構、調整保護定值和穩定補救等安全對策。[1]

文獻[1]指出，電網(wǎng)自愈功能的目標是：“實(shí)時(shí)評價(jià)電力系統行為，應對電力系統可能發(fā)生的各種事件組合、防止大面積停電，并快速從緊急狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)。其實(shí)現方法，可概括為快速仿真決策、協(xié)調/自適應控制和分布能源(DER, Distributed Energy Resource)集成等3個(gè)方面。”

2.2電子式互感器

(1)自愈性智能電網(wǎng)對電子式互感器的要求

自愈性智能電網(wǎng)要求高速和高準確度的PMU，這樣才能高準確度進(jìn)行電網(wǎng)運行參數(如I、δI、 U、δU、cosφ、f、P、Q )的測量, 監控電網(wǎng)的運行。目前常規電磁式電流互感器鐵芯在電力系統故障狀態(tài)下的鐵芯飽和及磁滯回線(xiàn)，會(huì )引起電流測量極其不準確。從而使PMU/ WAMS的測量也不準確，嚴重威脅現代化電網(wǎng)的安全穩定運行，增加了繼保裝置的復雜性;抗電磁干擾能力減弱;絕緣技術(shù)、體積、質(zhì)量和價(jià)格都隨電壓等級的升高而越來(lái)越大;運輸、安裝和維護困難;量測受頻率影響;變電站占地大，成本高等。為此，有必要研發(fā)能克服上述缺點(diǎn)并滿(mǎn)足智能電網(wǎng)要求的新型電子式電流互感器。

這種新型電子式電流互感器要求既快速又高度準確，并將為現代化大電網(wǎng)的安全可靠和經(jīng)濟運行提供關(guān)鍵的基礎。它也是電力一次、二次設備的完美結合，解決了電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的“瓶頸”?，F代化大電網(wǎng)的安全穩定控制技術(shù)也急需滿(mǎn)足要求的電子式互感器的出現。因此電子式互感器不是一般的對電磁式互感器的升級換代，而是現代化大電網(wǎng)安全穩定運行的需求。

電網(wǎng)的安全運行要求電力設備安全可靠。而據統計，電網(wǎng)中的電力設備平均每年有1/3的事故都是因為互感器所致，如雷電季節，打雷或閃電都有可能導致互感器爆炸或燃燒。電子式互感器的使用將大大減少這方面的事故。

電子式互感器是電網(wǎng)一次的重要主設備，它們擔負著(zhù)電網(wǎng)的精確“測量和計量”，以及故障“監測”的作用。要求量測的電網(wǎng)運行參數高度精確;裝置本身應具有相當的可靠性。它是為智能電網(wǎng)、數字化繼電保護、電網(wǎng)實(shí)時(shí)PMU、WAMS、電網(wǎng)快速狀態(tài)估計、電網(wǎng)暫態(tài)穩定監控、特高壓輸電線(xiàn)路的電暈測量、電網(wǎng)實(shí)時(shí)經(jīng)濟調度、諧波在電網(wǎng)中的應用、電網(wǎng)輸電阻塞的緩解(美國)、解決輸電走廊問(wèn)題的分相輸電技術(shù)、實(shí)現準確的故障測距和緊湊型一次智能設備等提供可靠保證。對現代電網(wǎng)運行和設備革命發(fā)揮重要的作用。因此，要求它必須具有高準確性、快速數據傳輸的高性能。

(2)電子式互感器的國際標準和國家標準

國際電工委員會(huì )和國內標準化組織近年來(lái)也相應頒布了有關(guān)協(xié)議和標準以作為指導。IEC61850協(xié)議是變電站自動(dòng)化系統建設的依據。完全符合IEC61850協(xié)議的一次和二次數字化設備的研制和產(chǎn)品化是建設智能電網(wǎng)的堅實(shí)基礎。IEC 61850-5-13規定了變電站內智能電子設備(IED，Intelligent Electronic Device)的同步標準以及電力系統有關(guān)參數值的指標，是變電站自動(dòng)化系統的設計，電子式互感器及IED的性能研制和生產(chǎn)以及電力部門(mén)招標必須依據的標準。IEC60044-7/8標準也是電子式互感器制造檢測和招標應遵循的標準。我國于2007年1月正式頒布等同于IEC60044-7/8的國家標準 GT20840-7/8，并于2007年8月1日起實(shí)施。[3]

⑴根據國際標準IEC61850-5-13的要求，電子式互感器需為各種智能IED提供高準確度的電流I和電壓U，其數據采樣率必須≥12000次/s，三相同步時(shí)間應為±1μs。[3]，[4]

⑵PMU與WAMS的連接應滿(mǎn)足IEEE 37.118的準確性標準(1級)并對數據傳輸使用IEEE 37.118標準。 要求PMU的數據采樣率≥12000次/s，測量頻率的絕對準確度為± 1 mHz，絕對相角準確度為± 0.02度，時(shí)間準確度為± 1 μs。數據傳輸率為50/60 Hz。要達到此要求，提供給PMU和WAMS原始數據的電子式互感器對I、U的測量準確度應小于0.2%, 三相同步時(shí)間為± 1 μs，相位移應滿(mǎn)足IEC60044-7/8的要求。[3]

⑶IEC61850-9-1對以太網(wǎng)物理層傳輸速率的要求

電子式互感器的綜合單元對保護、測量等IED的輸出傳輸速率應與IED的采樣率匹配。根據IEC61850-5-13的規定：保護裝置IED的采樣率為480、960和1920次/s;測量?jì)x表的IED采樣率為1500、4000和12000次/s。

IEC61850-9-1規定：電子式電流/電壓互感器的綜合單元對保護、測量等IED的輸出傳輸速率應與IED的采樣率匹配。[3]，[5]

2.3 電力一次設備在線(xiàn)監測對堅強智能電網(wǎng)的作用

目前，大電網(wǎng)的安全防護已與涉及自然和社會(huì )因素的災害防護緊密相連，因此大電網(wǎng)的安全防護受到了美國白宮科技政策辦公室和美國國內安全部的重視。美國政府已于2007年通過(guò)了《能源獨立和安全法規(Energy Independence and Security Act)》, 有專(zhuān)門(mén)一章就是智能電網(wǎng)。[2]

參考文獻[2]在解釋智能電網(wǎng)的具體內容時(shí)指出：“在輸電的每個(gè)元件(如開(kāi)關(guān)、變壓器等)、每個(gè)變電站和發(fā)電廠(chǎng)中皆設置一個(gè)具有堅強的操作系統獨立的處理器(processor)，也可用作獨立的代理器(agent)，在這些處理器或代理器之間能進(jìn)行雙向快速通信，從而形成一個(gè)巨大的分布式平臺。每個(gè)代理器必須與相應元部件的傳感器連接，以評估其運行狀況，并用高速寬帶光纖通信系統將傳感器的數據傳送到其它處理器(代理器)，各處的代理器既是獨立動(dòng)作的，又是彼此通信互連的，可以進(jìn)行協(xié)調控制。”

智能電網(wǎng)的自愈控制是在事故影響電網(wǎng)之前就從本地或局部地區對事故進(jìn)行處理后，從而達到自愈的效果。由此可見(jiàn)，電力一次設備的在線(xiàn)安全監測裝置就是智能電網(wǎng)實(shí)現自愈控制的智能代理器最基礎部分。電力一次設備的在線(xiàn)安全監測裝置最初是為了對一次設備進(jìn)行常規診斷，后來(lái)實(shí)現狀態(tài)檢修，以代替傳統的計劃檢修。當然，目前的在線(xiàn)安全監測，還不是實(shí)時(shí)的在線(xiàn)監測。在此基礎上，若狀態(tài)監測的可信度大大提高，并加快對設備狀態(tài)的監測頻率，就可逐步成為自愈智能電網(wǎng)的智能代理器。這樣，當新型的傳感器、在線(xiàn)監測裝置和執行機構研制出來(lái)后就可形成智能代理器，從而加強電網(wǎng)的自適應和重組控制能力。

智能電網(wǎng)的智能代理器要求新型傳感器對電網(wǎng)運行參數的測量速度和高準確度與對電子式互感器的要求應是一致的，甚至對某些數據的測量準確度的要求更高，如對電暈損失的測量,其采樣率最好采用250k次/s，相當每周期(50Hz)采樣5000次。

在線(xiàn)監測裝置主要是監測電容型設備的介質(zhì)損耗，電容及其變化量，泄漏電流及其變化量，不平衡電壓，避雷器的全電流和阻性電流，變壓器套管的介損和油中氫氣含量，變壓器的局部放電、油中色譜，少油開(kāi)關(guān)的泄漏電流及其他設備(如發(fā)電機放電)等。對變電站關(guān)鍵電力設備的電氣絕緣綜合在線(xiàn)監測研究具有重要的意義，并要加強在線(xiàn)監測裝置的防干擾措施。

3.結論

①隨著(zhù)特高壓、大容量、超大規模電網(wǎng)的逐步形成，為保證電網(wǎng)的安全、穩定、可靠運行，研發(fā)智能電網(wǎng)和進(jìn)行示范工程是急迫及至關(guān)重要的任務(wù)。

②為保證智能電網(wǎng)實(shí)現自愈性，要求研制和生產(chǎn)高速及高準確度的電子式互感器。

③研制新型的傳感器、在線(xiàn)檢測裝置是實(shí)現智能電網(wǎng)所需的智能代理器的基礎。

參考文獻

[1] 王明俊. 突出自愈功能的智能電網(wǎng). 動(dòng)力與電氣工程師，2007，2(2)：12~16.

[2] 何大愚. 應用智能網(wǎng)絡(luò )技術(shù)構建未來(lái)自愈型輸電網(wǎng). 動(dòng)力與電氣工程師，2008， 3(6):12~16.

[3] 徐立子，萬(wàn)啟發(fā). 現代化電網(wǎng)與國際標準對電子式互感器的要求. 電子式互感器 技術(shù)研討會(huì )交流文集，中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì )成果鑒定辦公室，2007，10：54～66.

[4] IEC 61850-5 Communication Network and Systems in Substations. Part 5-13：Message performance requirements. 2003-07.

[5] IEC 61850-9-1 Communication Network and System in Substation-Part 9-1: Specific communication service mapping (SCSM)—Sampled values over serial unidirectional multi-drop point to point link 2003-05.