教育資料（2021-2022年收藏的）智能變電站一次設(shè)備智能化技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

1、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(xué)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)備上的主要區(qū)別是一次設(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)備智能化的主要技術(shù)與發(fā)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: Intelligent substation is an important part of smart grid. The main difference between intelligent substation

2、 and traditional substation is an intelligent Primary Equipment. This article introduces the definition, structure and characteristics of intelligent substation, and introduces the main technology and development of intelligent primary equipment, then gives recommendations for intelligent primary eq

3、uipment. 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)全壽命周期管理Key word: intelligent substation; intelligent primary equipment; condition-based maintenance; LCM中圖分類號(hào)：TM63, 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(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

4、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

5、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

6、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，按時(shí)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

7、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

8、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)

9、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

10、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。 圖1主變油色譜、局放在線監(jiān)測(cè)傳感器 圖2主變?cè)诰€監(jiān)測(cè)智能組件總體而言，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

11、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

12、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)

13、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

14、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)；（

15、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。表1 一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)參量一次設(shè)備監(jiān)測(cè)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(cè)、溫度負(fù)荷開關(guān)GIS氣體密度、微水、光纖測(cè)溫、局部放電；斷路器機(jī)械特性、溫度特性避雷器全電流（容性電流和阻性電流）、計(jì)數(shù)器動(dòng)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)、直流分量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)

16、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，

17、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，

18、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、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)、采購基建、運(yùn)行維護(hù)

19、、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)國網(wǎng)公司 QGDW 393-2009 110（66）kV220kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范4及 QGDW 394-2009330kV750kV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 GISSF6 氣體密度、微水；110kV G