變電站一次設備智能化技術

0 引言

智能變電站是智能電網的重要建設環(huán)節(jié)。保證電網安全穩(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可以實現的。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”是確保電網安全、可靠、經濟運行的手段，而不是目的。智能化不能犧牲電網原有的安全性、可靠性和經濟性。

智能變電站與數字變電站的區(qū)別如下：(1)一次設備狀態(tài)監(jiān)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(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、集成的設備組合而成。以高速網絡通信平臺為信息傳輸基礎，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能。并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協同互動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(tǒng)高度集成化、運行控制自動化、保護控制協同化、分析決策在線化。智能變電站是智能電網的重要組成部分。高可靠性的設備是變電站堅強的基礎，綜合分析、自動協同控制是變電站智能的關鍵，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程層、間隔層、站控層。

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

(2) 間隔層：其設備的主要功能是匯總本間隔過程層實時數據信息;實施對一次設備保護控制功能;實施本間隔操作閉鎖功能;實施操作同期及其他控制功能;對數據采集、統(tǒng)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，即同時高速完成與過程層及站控層的網絡通信功能。必要時，上下網絡接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道的冗余度，保證網絡通信的可靠性。

(3)站控層：其主要任務是通過2級高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫，按時登錄歷史數據庫;按既定規(guī)約將有關數據信息送向調度或控制中心;接收調度域控制中心有關控制命令并轉間隔層、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)站內當地監(jiān)控，人機聯系功能;具有對問隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態(tài)、在線修改參數的功能;具有(或備有)變電站故障自動分析和操作培訓功能[1]。

過程層設備是聯系一次設備和二次系統(tǒng)的橋梁，為間隔層設備提供一次設備的數據，執(zhí)行間隔層和站控層對一次設備的控制、調節(jié)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、控制網絡化、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、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智能組件。智能組件是一次設備實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、母線等一次設備和變電站自動化系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、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，實現融狀態(tài)監(jiān)測、測控保護、信息通信等技術于一體的智能化一次設備，可滿足整個智能電網電力流、信息流、業(yè)務流一體化的需求。智能化一次設備通過先進的狀態(tài)監(jiān)測手段和可靠的自評價體系，可以科學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合理安排檢修和調度部門調整運行方式提供輔助決策依據，在發(fā)生故障時能對設備進行故障分析，對故障的部位、嚴重程度進行評估。大規(guī)模間隙發(fā)電和分布式發(fā)電接入，要求電網具有很高的靈活性，而一次設備智能化是滿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(jiān)測系統(tǒng)，智能變電站通過狀態(tài)監(jiān)測單元實現主要一次設備重要參數的在線監(jiān)測，為電網設備管理提供基礎數據支撐。實時狀態(tài)信息通過專家系統(tǒng)分析處理后可作出初步決策，實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 智能組件應能自動連續(xù)地進行監(jiān)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(jiān)測靈敏度;

e 監(jiān)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(jiān)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。微水檢測可以反映油的受潮程度。局部放電監(jiān)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(jiān)測功能方面已經一定突破，實現了將各自獨立的監(jiān)控系統(tǒng)集成為一個系統(tǒng)，可以實現對變壓器所有主要部件進行監(jiān)控;但變壓器智能化的核心 ——專家診斷系統(tǒng)，還需要積累大量運行數據，挖掘設備運行特性，研究診斷方法開發(fā)分析系統(tǒng)，從而實現設備狀態(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(jiān)測量的選擇以及傳感器布點方面仍有待研究。

(2)開關設備智能化

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

目前GIS絕緣在線監(jiān)測最有效地方法是局部放電監(jiān)測，可以發(fā)現GIS設備制造和安裝及維修時引入的導電微粒及其他雜物，電極表面產生的毛刺、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，多點監(jiān)測可以實現故障定位。

斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)實現了斷路器的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)、儲能時間、頻率等參量的在線監(jiān)測功能;

(3)避雷器設備智能化

避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)實現了避雷器的全電流、泄漏電流值以及計數器動作次數的在線監(jiān)測功能。

(4)電容性設備智能化

主要實現介質損耗因數、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

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

(6)電子式互感器

電子式互感器是實現變電站運行實時信息數字化的主要設備之一，在電網動態(tài)觀測、提高繼電保護可靠性等方面具有重要作用。準確的電流、電壓動態(tài)測量，為提高電力系統(tǒng)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。羅氏線圈為纏繞在環(huán)狀非鐵磁性骨架上的空心線圈，不會出現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(tǒng)。電子式互感器的關鍵技術包括電源供電技術、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。光學電子式互感器傳感頭部分不需要復雜的供電裝置，整個系統(tǒng)的線性度比較好。光學電子式互感器的關鍵技術包括光學傳感材料的穩(wěn)定性、傳感頭的組裝技術、微弱信號調制解調器、溫度對精度的影響、振動對精度的影響、長期運行的穩(wěn)定性等。

與傳統(tǒng)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：(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，低壓側無開路和短路危險;(5)互感器無油可以避免火災和爆炸等危險，體積小，重量輕;(6)經濟性好，電壓等級越高效益越明顯。

5 狀態(tài)檢修技術

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

隨著傳感技術、微電子、計算機軟硬件和數字信號處理技術、人工神經網絡、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用，使基于設備狀態(tài)監(jiān)測和先進診斷技術的狀態(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(jiān)測所提示的檢修需求進行檢修，也就是說對設備狀態(tài)進行監(jiān)測，按設備的健康狀態(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，進而達到預測設備剩余壽命的目的。

通過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(jiān)測服務器，具備數據管理及分析功能，實現全站設備狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)，實現自動監(jiān)測包括變壓器油溫測量數據等檢測儀表讀數，并通過在傳統(tǒng)檢測儀器儀表基礎上增設實時監(jiān)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、典型故障風險水平、壽命曲線等信息，為電網運行提供實時的設備可靠性數據，服務于電網的智能調度，實現電網靈活優(yōu)化控制，降低電網的事故風險，提高電網的運行可靠性。通過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，實現針對變電設備狀態(tài)的智能化監(jiān)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

資產全壽命周期管理，是指資產從構思、決策、設計、建造、使用，經過有形磨損，直至在技術上或經濟上不宜繼續(xù)使用，需要進行更新所經歷的時間，開展資產全壽命周期管理的目的就是加強資產管理，降低資產維護檢修成本，延長資產使用時間，提高資產利用率。

資產全壽命周期管理是從資產的長期效益出發(fā)，通過技術手段和管理方法的創(chuàng)新，統(tǒng)籌規(guī)劃設計、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、電網安全、設備可靠的前提下，實現成本收益率最大化。它是對資產壽命期各環(huán)節(jié)的投入和收益的綜合決策，是依靠技術和經濟手段對管理制度和模式的創(chuàng)新 [3]。

智能變電站資產全壽命周期管理應首先以一次設備為重點，涵蓋變電站規(guī)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，在風險評估與狀態(tài)檢修、壽命預測等技術手段的輔助下，完善資產全壽命管理策略，實現資產全壽命期內增值、優(yōu)質、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(tǒng)變電站在一次設備上的區(qū)別如下:

a 一次主設備采用在線監(jiān)測設備實時監(jiān)測設備狀態(tài),即設備狀態(tài)可視化;

b 在線監(jiān)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監(jiān)測的基礎上建設，需要準確選擇在線監(jiān)測參量。

根據國網公司 Q/GDW 393-2009 《110(66)kV～220kV智能變電站設計規(guī)范》[4]及 Q/GDW 394-2009《330kV～750kV智能變電站設計規(guī)范》[5]，一次設備監(jiān)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、動作次數;220kV GIS 局放應綜合考慮安全可靠、經濟合理、運行維護方便等要求，通過技術經濟比較后確定。

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、繞組溫度等在線監(jiān)測參量是否選取，是否需要增加其他有效的在線監(jiān)測參量。

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

(4)根據已投入的在線監(jiān)測設備運行經驗，在線監(jiān)測裝置易發(fā)生誤報警。應在主變、開關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(jiān)測參量更加精確。