變電站一次設備智能化技術(shù)

0 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要建設環(huán)節。保證電網(wǎng)安全穩定是一個(gè)系統工程，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)現的。變電站的安全穩定運行是與變電站接入方案是否可靠、系統網(wǎng)架是否合理、運行方式是否合適分不開(kāi)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。

智能變電站與數字變電站的區別如下：(1)一次設備狀態(tài)監測與一次設備智能化;(2)一體化信息平臺與智能高級應用;(3)輔助系統智能化。

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、節能、環(huán)保、集成的設備組合而成。以高速網(wǎng)絡(luò )通信平臺為信息傳輸基礎，自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能。并可根據需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調節、在線(xiàn)分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級應用功能的變電站。

2 智能變電站的特征

智能變電站的特征：一次設備智能化、信息交換標準化、系統高度集成化、運行控制自動(dòng)化、保護控制協(xié)同化、分析決策在線(xiàn)化。智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分。高可靠性的設備是變電站堅強的基礎，綜合分析、自動(dòng)協(xié)同控制是變電站智能的關(guān)鍵，設備信息數字化、功能集成化、結構緊湊化是發(fā)展方向。

3 智能變電站的結構

智能變電站設備分為過(guò)程層、間隔層、站控層。

(1)過(guò)程層：指智能化電氣設備的智能化部分。過(guò)程層的主要功能分3類(lèi)：電力運行實(shí)時(shí)的電氣量檢測;運行設備的狀態(tài)參數檢測;操作控制執行與驅動(dòng)。

(2) 間隔層：其設備的主要功能是匯總本間隔過(guò)程層實(shí)時(shí)數據信息;實(shí)施對一次設備保護控制功能;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;對數據采集、統計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制;承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過(guò)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(guò)2級高速網(wǎng)絡(luò )匯總全站的實(shí)時(shí)數據信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數據庫，按時(shí)登錄歷史數據庫;按既定規約將有關(guān)數據信息送向調度或控制中心;接收調度域控制中心有關(guān)控制命令并轉間隔層、過(guò)程層執行;具有在線(xiàn)可編程的全站操作閉鎖控制功能;具有(或備有)站內當地監控，人機聯(lián)系功能;具有對問(wèn)隔層、過(guò)程層諸設備的在線(xiàn)維護、在線(xiàn)組態(tài)、在線(xiàn)修改參數的功能;具有(或備有)變電站故障自動(dòng)分析和操作培訓功能[1]。

過(guò)程層設備是聯(lián)系一次設備和二次系統的橋梁，為間隔層設備提供一次設備的數據，執行間隔層和站控層對一次設備的控制、調節等功能。間隔層設備完成對一次設備的測量、控制、保護、計量、檢測等功能。智能組件以測量數字化、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(guò)程層和間隔層的部分功能，具備測量、控制、保護、計量、檢測中的全部或部分功能。高壓一次設備與相關(guān)智能組件的有機結合構成了智能化一次設備，這種有機結合可以是獨立運行的高壓設備加外置的智能組建，也可以是高壓設備內嵌部分智能組建再加外置智能組件，還可以是高壓設備內嵌相關(guān)智能組件。智能組件是一次設備實(shí)現智能化的主要途徑。

4 一次設備智能化

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

一次設備智能化是智能變電站的重要標志之一。采用標準的信息借口，實(shí)現融狀態(tài)監測、測控保護、信息通信等技術(shù)于一體的智能化一次設備，可滿(mǎn)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。智能化一次設備通過(guò)先進(jìn)的狀態(tài)監測手段和可靠的自評價(jià)體系，可以科學(xué)地判斷一次設備的運行狀態(tài)，識別故障的早期征兆，并根據分析診斷結果為設備運維管理部門(mén)合理安排檢修和調度部門(mén)調整運行方式提供輔助決策依據，在發(fā)生故障時(shí)能對設備進(jìn)行故障分析，對故障的部位、嚴重程度進(jìn)行評估。大規模間隙發(fā)電和分布式發(fā)電接入，要求電網(wǎng)具有很高的靈活性，而一次設備智能化是滿(mǎn)足這種要求的重要基礎。

把一次設備智能化的信息傳輸至信息一體化平臺，建設變電站狀態(tài)監測系統，智能變電站通過(guò)狀態(tài)監測單元實(shí)現主要一次設備重要參數的在線(xiàn)監測，為電網(wǎng)設備管理提供基礎數據支撐。實(shí)時(shí)狀態(tài)信息通過(guò)專(zhuān)家系統分析處理后可作出初步?jīng)Q策，實(shí)現站內智能設備自診斷功能。

智能組件是一次設備智能化的核心部分，對智能組件應有如下要求：

a 智能組件的投入和使用不應改變和影響一次設備的正常運行;

b 智能組件應能自動(dòng)連續地進(jìn)行監測、數據處理和存儲;

c 智能組件應具有自檢和報警功能;

d 智能組件應具有較好的抗干擾能力和合理的監測靈敏度;

e 監測結果應具有較好的可靠性、重復性以及合理的準確度;

f 應具有狀態(tài)標定其監測靈敏度的功能。

(1)主變壓器智能化

主要包括油中溶解氣體在線(xiàn)監測、油中微水在線(xiàn)監測、套管絕緣在線(xiàn)監測(含環(huán)境溫濕度監測)、局部放電在線(xiàn)監測、溫度負荷在線(xiàn)監測等單元，實(shí)現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(fēng)扇狀態(tài)、油泵狀態(tài)等的在線(xiàn)監測功能。

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

總體而言，變壓器狀態(tài)監測功能方面已經(jīng)一定突破，實(shí)現了將各自獨立的監控系統集成為一個(gè)系統，可以實(shí)現對變壓器所有主要部件進(jìn)行監控;但變壓器智能化的核心 ——專(zhuān)家診斷系統，還需要積累大量運行數據，挖掘設備運行特性，研究診斷方法開(kāi)發(fā)分析系統，從而實(shí)現設備狀態(tài)診斷智能化。另外，考慮到傳感器的使用壽命，尤其內置傳感器，對于主設備本體運行的影響，監測量的選擇以及傳感器布點(diǎn)方面仍有待研究。

(2)開(kāi)關(guān)設備智能化

GIS密度微水在線(xiàn)監測系統實(shí)現了SF6氣體的密度、微水監測功能;GIS局放在線(xiàn)監測系統實(shí)現了GIS局放的在線(xiàn)監測功能;GIS設備光纖測溫在線(xiàn)監測，利用溫度傳感器采集GIS內部溫度數據，可以直觀(guān)地反映GIS內部溫度變化。

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

斷路器在線(xiàn)監測系統實(shí)現了斷路器的SF6氣體密度、微水;分合閘線(xiàn)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(shí)間、頻率等參量的在線(xiàn)監測功能;

(3)避雷器設備智能化

避雷器在線(xiàn)監測系統實(shí)現了避雷器的全電流、泄漏電流值以及計數器動(dòng)作次數的在線(xiàn)監測功能。

(4)電容性設備智能化

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

(5)電纜

主要監測電力電纜的局部放電、介質(zhì)損耗因數、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)現變電站運行實(shí)時(shí)信息數字化的主要設備之一，在電網(wǎng)動(dòng)態(tài)觀(guān)測、提高繼電保護可靠性等方面具有重要作用。準確的電流、電壓動(dòng)態(tài)測量，為提高電力系統運行控制的整體水平奠定測量基礎。

電子式互感器利用電磁感應等原理感應被測信號，對于電子式電流互感器，采用羅氏線(xiàn)圈;對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(xiàn)圈為纏繞在環(huán)狀非鐵磁性骨架上的空心線(xiàn)圈，不會(huì )出現磁飽和及磁滯等問(wèn)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值采樣，采用光纖傳輸將數字信號傳送到二次的保護、測控和計量系統。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(xué)電子式電流互感器采用法拉第磁光效應感應被測信號，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(xué)電子式電壓互感器大多利用Pokels電光效應感應被測信號。光學(xué)電子式互感器傳感頭部分不需要復雜的供電裝置，整個(gè)系統的線(xiàn)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)傳感材料的穩定性、傳感頭的組裝技術(shù)、微弱信號調制解調器、溫度對精度的影響、振動(dòng)對精度的影響、長(cháng)期運行的穩定性等。

與傳統電磁感應式電流互感器相比，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(wèn)題;(3)動(dòng)態(tài)范圍大，頻率范圍寬，測量精度高;(4)抗電磁干擾性能好，低壓側無(wú)開(kāi)路和短路危險;(5)互感器無(wú)油可以避免火災和爆炸等危險，體積小，重量輕;(6)經(jīng)濟性好，電壓等級越高效益越明顯。

5 狀態(tài)檢修技術(shù)

目前電力系統中電力設備大多采用的計劃檢修體制存在著(zhù)嚴重缺陷，如臨時(shí)性維修頻繁、維修不足或維修過(guò)剩、盲目維修等，這使每年在設備維修方面耗資巨大。

隨著(zhù)傳感技術(shù)、微電子、計算機軟硬件和數字信號處理技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、專(zhuān)家系統、模糊理論等綜合智能系統在狀態(tài)監測及故障診斷中的應用，使基于設備狀態(tài)監測和先進(jìn)診斷技術(shù)的狀態(tài)檢修研究得到發(fā)展和應用。

狀態(tài)檢修，即根據狀態(tài)監測所提示的檢修需求進(jìn)行檢修，也就是說(shuō)對設備狀態(tài)進(jìn)行監測，按設備的健康狀態(tài)來(lái)安排檢修，這種檢修方式解決了多年來(lái)在預防性檢修中存在檢修過(guò)?；驒z修不足的問(wèn)題，可以節約大量的維修費用和資源，并提高設備運行的可靠性。

一次設備智能化的目的是為了及時(shí)掌握設備的運行狀態(tài)，在此基礎上為設備的狀態(tài)檢修提供依據，進(jìn)而達到預測設備剩余壽命的目的。

通過(guò)智能變電站一次設備智能化的研發(fā)及設備智能化改造，建設設備狀態(tài)監測服務(wù)器，具備數據管理及分析功能，實(shí)現全站設備狀態(tài)監測數據的傳輸、匯總和診斷分析;建設設備狀態(tài)自診斷系統，實(shí)現自動(dòng)監測包括變壓器油溫測量數據等檢測儀表讀數，并通過(guò)在傳統檢測儀器儀表基礎上增設實(shí)時(shí)監測和數據采集裝置，提取設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，給出設備的運行狀態(tài)、可靠性水平、典型故障風(fēng)險水平、壽命曲線(xiàn)等信息，為電網(wǎng)運行提供實(shí)時(shí)的設備可靠性數據，服務(wù)于電網(wǎng)的智能調度，實(shí)現電網(wǎng)靈活優(yōu)化控制，降低電網(wǎng)的事故風(fēng)險，提高電網(wǎng)的運行可靠性。通過(guò)基于智能設備的檢修優(yōu)化策略以及全壽命周期成本管理，實(shí)現針對變電設備狀態(tài)的智能化監測檢測、設備的控制與調整、設備狀態(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)從構思、決策、設計、建造、使用，經(jīng)過(guò)有形磨損，直至在技術(shù)上或經(jīng)濟上不宜繼續使用，需要進(jìn)行更新所經(jīng)歷的時(shí)間，開(kāi)展資產(chǎn)全壽命周期管理的目的就是加強資產(chǎn)管理，降低資產(chǎn)維護檢修成本，延長(cháng)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(cháng)期效益出發(fā)，通過(guò)技術(shù)手段和管理方法的創(chuàng )新，統籌規劃設計、招標采購、運行維護、退役更新等各環(huán)節，在確保規劃合理、工程優(yōu)質(zhì)、電網(wǎng)安全、設備可靠的前提下，實(shí)現成本收益率最大化。它是對資產(chǎn)壽命期各環(huán)節的投入和收益的綜合決策，是依靠技術(shù)和經(jīng)濟手段對管理制度和模式的創(chuàng )新 [3]。

智能變電站資產(chǎn)全壽命周期管理應首先以一次設備為重點(diǎn)，涵蓋變電站規劃設計、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管理，在風(fēng)險評估與狀態(tài)檢修、壽命預測等技術(shù)手段的輔助下，完善資產(chǎn)全壽命管理策略，實(shí)現資產(chǎn)全壽命期內增值、優(yōu)質(zhì)、安全的目標。

7 結論及建議

(1) 智能變電站與數字化變電站及傳統變電站在一次設備上的區別如下:

a 一次主設備采用在線(xiàn)監測設備實(shí)時(shí)監測設備狀態(tài),即設備狀態(tài)可視化;

b 在線(xiàn)監測裝置及保護裝置采取智能組件方式，就地安裝，以減少信號及控制電纜的長(cháng)度;

c 狀態(tài)監測參量的通信符合IEC61850標準;

d 狀態(tài)監測參量集成在集控室信息一體化平臺中;

e 互感器均采用電子式或光電式。

(2)智能變電站一次設備智能化是基于在線(xiàn)監測的基礎上建設，需要準確選擇在線(xiàn)監測參量。

根據國網(wǎng)公司 Q/GDW 393-2009 《110(66)kV～220kV智能變電站設計規范》[4]及 Q/GDW 394-2009《330kV～750kV智能變電站設計規范》[5]，一次設備監測參量有：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;220kV GIS 局放應綜合考慮安全可靠、經(jīng)濟合理、運行維護方便等要求，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

根據以上標準，需認真考慮例如主變的超高頻局放、套管介損、繞組溫度等在線(xiàn)監測參量是否選取，是否需要增加其他有效的在線(xiàn)監測參量。

(3)在線(xiàn)監測智能終端采用就近安裝，即室外運行，智能單元從本質(zhì)上仍是電子元件，工作年限一般不超過(guò)12年，與一次設備(20年及以上)不匹配，因此其長(cháng)時(shí)運行的測量精確性及使用壽命有待檢驗。

(4)根據已投入的在線(xiàn)監測設備運行經(jīng)驗，在線(xiàn)監測裝置易發(fā)生誤報警。應在主變、開(kāi)關(guān)設計之初就考慮融入智能傳感器、控制設備等，使主設備結構更加緊湊、設計更加合理、絕緣更加可靠、監測參量更加精確。