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摘要：电力变压器、开关设备等变电站重要一次设备的智能化已成为发展坚强智能电网的研究热点。据此，笔者介绍了智能高压设备的组成框架及其技术要求，分析了其可行性及发展趋势，指出智能组件为高压一次设备智能化的关键部件，并对智能高压设备主要技术原理和智能组件的配置方案进行了简单论述，指出了在工程应用中需关注的问题。
关键词：智能设备，智能组件，一次设备
Discussion on the intelligent of high voltage equipment
Li Ji，Xin Yichen，Chen Xi
（School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；）
Abstract： Power transformers， switching equipment， an important secondary equipment of substation intelligent has become a development strong smart grid research. Accordingly， the author introduced the intelligent high-voltage equipment component framework and its technical requirement， analyzed its feasibility and development trend， point out intelligent components for high pressure once equipment intelligent key components， and the intelligent high voltage equipment main technical principle and intelligent component configuration is simply discussed， point out should pay attention to in engineering application the problem.
Key words：intelligent equipment；intelligent components； primary equipment
0 引言
目前世界各国均高度关注智能电网的发展，纷纷结合自身的国情提出了相关的技术标准和战略部署，并搭建相关研究平台，力争处于世界领先地位。智能变电站是坚强智能电网建设中实现能源转换和控制的核心平台之一，是坚强智能电网的重要基础和支撑，而一次设备智能化又是智能变电站的重要标志之一。
智能一次设备不同于常规一次设备主要体现在以下几个方面：
1）测量数字化 对有与运行、控制直接相关的参数进行数字化测量，包括变压器的油温、有载分接开关分接位置信息，开关设备分、合闸位置信息等。
2）控制网络化 对有控制需求的高压设备火气部件实现基于网络的控制。包括变压器的冷却装置、有载分接开关，开关设备的操动机构等。
3）状态可视化 这里的可视化是对于电网调度系统而言，而不是对人的肉眼观测，设备可以实现与电网调度进行信息互动，以便电网准确实时了解设备的运行状态。
4）功能一体化 将测量、计量、保护、控制等功能进行集成化设计，原本由二次设备完成的功能由高压一次设备自身完成。
5）信息互动化 不仅可以完成与站内站控层信息的通信，还可完成与站外调控系统的通信。
目前的数字化变电站二次设备均采用了数字化技术，但对于传统一次设备本身而言，对模拟信号的数字化难度较大，是一次设备智能化急需解决的重点之一。国外ABB，三菱等厂家已生产出具有数字接口的断路器，国内厂商尚未研制出相应产品。
1 智能一次设备框架
智能一次设备为具有自动测量、自动控制、自动调节、状态可自身监测、预警及通信功能的变电站高压电器设备。为便于智能一次设备的开发，设计一种通用的集成框架平台，如图1所示。
■
图1智能一次设备的集成框架设计
Fig.1 Integrated framework for the design of the intelligent primary equipment
电气部分和信息部分是智能一次设备的重要组成部分，一次设备本体及其操动机构、互感器和传感器组成了电气部分，智能组件及其内部所配置的智能单元组成了信息部分。
其中，信息部分完成与站控层和过程层其他智能设备的通信，由网络接口连接；专项接口直接连接智能单元，用于特殊智能单元的快速信息通信。内部接口可根据情况不同选用光纤、内部总线、系统总线等不同连接方式。控制接口连接智能组件和一次设备本体操作机构，用于操作命令的发布；智能组件的互感器接口和状态接口连接了互感器和传感器，用于测量数据的采集获取。
2 实现智能化的可行性分析
数字化变电站由站控层、间隔层和过程层组成，站控层和间隔层通过GOOSE网连接，间隔层和过程层通过MMS网连接。一次设备属于过程层，完成测量、计量、保护等功能的二次设备位于间隔层。若要实现一次设备的智能化，也就意味着过程层和间隔层将合二为一成设备层，原先的三层两网结构将简化为两层一网结构。MMS网的通信将成为设备层的内部通信，这就意味着通信方式可以扩展许多。
该内部网络由各智能一次设备的内部结构决定，尤其是智能组件的硬件网络具备采用数字化变电站的通信标准的条件。而且，基于现有技术，内部网络通信的具体实现不存在太大难度。 高压设备智能化的前提是获取大量的数据化信息，从而进一步实现对状态实时信息的共享和整合，获得全面的监测信息。近年来，随着信息技术、网络通信技术及微电子技术的迅猛发展，数字化的信息采集、传输和处理技术已在国内外广泛应用。国外针对相应标准的应用和研究开始较早，相应的示范工程在制定标准的过程中就开始实施，通过实践来促进数字化设备的发展；国内在数字化变电站设备领域的研究取得了长足进展，一些主要的二次设备生产厂家已具备生产能与智能一次设备直接接口的二次设备，同时采用数字输出的电子式互感器（EVT）数字化变电站已建成了50多座。
智能计量技术、传感与通讯技术、可视化展现与操作技术在工程的实际应用，使得电力设备智能化的实现具备了信息收集方面的技术基础，并提供了实际的工程经验作为参考。此外，南京高级应用联调报告可视化演示更进一步推进了一次设备走向智能化的发展。可视化演示主要进行了四类试验，如表1。
演示过程（四方公司）如图2-6所示
综上所述，无论是在设计的理念方面，研究技术方面，还是在工程设计上，其实现都是完全可行的。
3 智能一次设备的实现方式
在智能变电站改造和新建等不同阶段，一次设备智能化的需求也不尽相同，但一般均采用“高压设备本体+智能组件”的模式。智能组件是各种保护、测量、控制、计量和监测等装置的统称，与高压设备相对独立。智能高压一次设备技术导则中指出：“智能组件是若干智能电子装置集合组成，承担宿主设备的测量、控制、监测等功能；在满足相关标准要求时，还可集成计量、保护等功能”。智能组件包含了传统间隔层的设备，其配置方式既符合现阶段的智能化改造又符合未来的发展趋势。其发展过程可以分为三个阶段，即现阶段（试点阶段）、过渡阶段和成熟阶段。
现阶段，即试点工程建设阶段，智能组件的测控、保护及在线监测等装置都是处于外置独立的，也就是传统的二次设备，这些装置与传统一次设备就构成了一个松垮的“智能设备”。由此可见过程层、间隔层并没有受到设备层的排斥。
过渡阶段，高压设备可嵌入在线监测装置，将传感器直接植入一次设备本体内，迅速反映高压设备的诊断信息，除此以外的组件还是配置在高压设备外部。原本松散的“智能设备”开始向紧凑迈进。
最终的成熟阶段将是融智能组件与高压设备于一体的集成型趋势。体现了功能一体化的紧凑结构，减少了占地面积，为智能变电站的工程建设节约了不少空间。
4 智能组件的设计方案
智能组件是我国在制定智能电网标准时提出的一个新的概念，是集中反映一次设备智能化的关键部件。智能组件一般包括：合并单元、状态监测IED和智能终端。智能组件功能示意图如图7所示。
电子式互感器采集的电压、电流信号经过处理后通过一台合并单元汇集，合并单元再以确定的品质因数传送到保护、测控装置。具体过程为：由测量IED提供测量信息传送至过程层网络，过程层网络将信息同时送给监控主机或远动装置和各监测主IED。监测主IED承担了汇集所有监测IED、测量IED和控制IED的信息，此外，监测主IED在综合分析时还需要系统电压、负载电流等信息，这部分信息通过站控层网络获取（或经过程层网络直接获取合并单元采集量自行计算）[6]。各种信息进行综合分析后得到的智能化信息，再由监测主IED经由站控层网络传送给监控主机、远动装置和监测信息子站等设备。远方主机再根据需要对有控制需求的设备下达控制命令，完成变压器冷却控制、有载分接开关控制和开关设备的分、合闸命令。
智能终端采集本间隔开关设备位置信号、报警信号等实时数据，通过GOOSE服务发布至过程层网络；接收过程层网络的控制指令或继电保护装置的直接控制指令，并驱动相应的出口回路完成本间隔内各开关元件分合闸控制功能；接收授时命令，并准备对时、授时。
需注意的问题：
1）电子部件经常受到大电流开断引起的强磁场干扰，需要对电磁兼容技术进行更深一步的研究，还应对外部接口的通信和电子部件的供电电源等技术进行思索。
2）若智能设备成功实现了将三层两网式变电站结构简化成两层一网式，则对于通信技术的强化无疑是必要的，解决大量信息拥堵问题，应采用优先级算法，对于交换机的要求也势必提高。
5 结语
智能高压设备必须符合电网安全稳定运行条件的约束，要明确智能化是手段而不是目的。要提高设备运行的可靠性，考虑设备的全寿命周期，达到提高电网运行的经济性目的。
本文按照智能高压设备与一次设备的不同，设计了一种通用的智能设备框架，简要介绍了其功能，对现阶段智能设备的发展状况进行了概括说明，并对一次设备能够进行智能化设计进行了可行性分析，最后对智能组件的设计给予说明，指出研究中需要注意的问题。
参考文献
[1] 刘有为，邓彦国，吴立远．高压设备智能化方案及技术特征[J].电网技术，2010，34（7）：1-4．
Liu Youwei，Deng Yanguo，Wu Liyuan．Technical characteristics and solution of smart high-voltage equipment[J] ． Power System Technology，2010，34（7）：1-4（in Chinese）．
[2] 王大鹏， 栗俊凯， 晁军征. 浅谈数字化变电站的发展及应用[J].山东电力技术， 2007（1）：14-18.
Wang Dapeng， Li junkai， Chao junzheng. Discussion on the development and application of digital substation[J]. Shandong Electric Power，2007（1）：14-18
[3] 高 翔， 张沛超. 数字化变电站的主要特征和关键技术[J]. 电网技术， 2006， 30（23）：67-71.
Gao Xiang， Zhang Peichao. The main characteristics of digital substation and the key technology[J]. Power System Technology，2006，30（230：67-71
[4] 赵丽华，高进强，郭相国.浅谈电力设备智能化[J].高压电器，2010，46（12）：1-4
Zhao Lihua， Gao Jinqiang， Guo Xiangguo. Discussion on intelligent electric power equipment[J]. High Voltage Apparatus，2010，46（12）：1-4
[5] 国家电网公司.Q/GDW/Z 410-2010 高压电器设备智能化技术导则[S].北京：中国电力出版社，2010
[6] 刘有为.智能电力变压器信息流方案的设计[J].电网技术，2011，35（1）：1-4.
Liu Youwei. Intelligent power transformer design of the flow of information[J]. Power System Technology，2011，35（1）：1-4．
关键词：智能设备，智能组件，一次设备
Discussion on the intelligent of high voltage equipment
Li Ji，Xin Yichen，Chen Xi
（School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；）
Abstract： Power transformers， switching equipment， an important secondary equipment of substation intelligent has become a development strong smart grid research. Accordingly， the author introduced the intelligent high-voltage equipment component framework and its technical requirement， analyzed its feasibility and development trend， point out intelligent components for high pressure once equipment intelligent key components， and the intelligent high voltage equipment main technical principle and intelligent component configuration is simply discussed， point out should pay attention to in engineering application the problem.
Key words：intelligent equipment；intelligent components； primary equipment
0 引言
目前世界各国均高度关注智能电网的发展，纷纷结合自身的国情提出了相关的技术标准和战略部署，并搭建相关研究平台，力争处于世界领先地位。智能变电站是坚强智能电网建设中实现能源转换和控制的核心平台之一，是坚强智能电网的重要基础和支撑，而一次设备智能化又是智能变电站的重要标志之一。
智能一次设备不同于常规一次设备主要体现在以下几个方面：
1）测量数字化 对有与运行、控制直接相关的参数进行数字化测量，包括变压器的油温、有载分接开关分接位置信息，开关设备分、合闸位置信息等。
2）控制网络化 对有控制需求的高压设备火气部件实现基于网络的控制。包括变压器的冷却装置、有载分接开关，开关设备的操动机构等。
3）状态可视化 这里的可视化是对于电网调度系统而言，而不是对人的肉眼观测，设备可以实现与电网调度进行信息互动，以便电网准确实时了解设备的运行状态。
4）功能一体化 将测量、计量、保护、控制等功能进行集成化设计，原本由二次设备完成的功能由高压一次设备自身完成。
5）信息互动化 不仅可以完成与站内站控层信息的通信，还可完成与站外调控系统的通信。
目前的数字化变电站二次设备均采用了数字化技术，但对于传统一次设备本身而言，对模拟信号的数字化难度较大，是一次设备智能化急需解决的重点之一。国外ABB，三菱等厂家已生产出具有数字接口的断路器，国内厂商尚未研制出相应产品。
1 智能一次设备框架
智能一次设备为具有自动测量、自动控制、自动调节、状态可自身监测、预警及通信功能的变电站高压电器设备。为便于智能一次设备的开发，设计一种通用的集成框架平台，如图1所示。
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图1智能一次设备的集成框架设计
Fig.1 Integrated framework for the design of the intelligent primary equipment
电气部分和信息部分是智能一次设备的重要组成部分，一次设备本体及其操动机构、互感器和传感器组成了电气部分，智能组件及其内部所配置的智能单元组成了信息部分。
其中，信息部分完成与站控层和过程层其他智能设备的通信，由网络接口连接；专项接口直接连接智能单元，用于特殊智能单元的快速信息通信。内部接口可根据情况不同选用光纤、内部总线、系统总线等不同连接方式。控制接口连接智能组件和一次设备本体操作机构，用于操作命令的发布；智能组件的互感器接口和状态接口连接了互感器和传感器，用于测量数据的采集获取。
2 实现智能化的可行性分析
数字化变电站由站控层、间隔层和过程层组成，站控层和间隔层通过GOOSE网连接，间隔层和过程层通过MMS网连接。一次设备属于过程层，完成测量、计量、保护等功能的二次设备位于间隔层。若要实现一次设备的智能化，也就意味着过程层和间隔层将合二为一成设备层，原先的三层两网结构将简化为两层一网结构。MMS网的通信将成为设备层的内部通信，这就意味着通信方式可以扩展许多。
该内部网络由各智能一次设备的内部结构决定，尤其是智能组件的硬件网络具备采用数字化变电站的通信标准的条件。而且，基于现有技术，内部网络通信的具体实现不存在太大难度。 高压设备智能化的前提是获取大量的数据化信息，从而进一步实现对状态实时信息的共享和整合，获得全面的监测信息。近年来，随着信息技术、网络通信技术及微电子技术的迅猛发展，数字化的信息采集、传输和处理技术已在国内外广泛应用。国外针对相应标准的应用和研究开始较早，相应的示范工程在制定标准的过程中就开始实施，通过实践来促进数字化设备的发展；国内在数字化变电站设备领域的研究取得了长足进展，一些主要的二次设备生产厂家已具备生产能与智能一次设备直接接口的二次设备，同时采用数字输出的电子式互感器（EVT）数字化变电站已建成了50多座。
智能计量技术、传感与通讯技术、可视化展现与操作技术在工程的实际应用，使得电力设备智能化的实现具备了信息收集方面的技术基础，并提供了实际的工程经验作为参考。此外，南京高级应用联调报告可视化演示更进一步推进了一次设备走向智能化的发展。可视化演示主要进行了四类试验，如表1。
演示过程（四方公司）如图2-6所示
综上所述，无论是在设计的理念方面，研究技术方面，还是在工程设计上，其实现都是完全可行的。
3 智能一次设备的实现方式
在智能变电站改造和新建等不同阶段，一次设备智能化的需求也不尽相同，但一般均采用“高压设备本体+智能组件”的模式。智能组件是各种保护、测量、控制、计量和监测等装置的统称，与高压设备相对独立。智能高压一次设备技术导则中指出：“智能组件是若干智能电子装置集合组成，承担宿主设备的测量、控制、监测等功能；在满足相关标准要求时，还可集成计量、保护等功能”。智能组件包含了传统间隔层的设备，其配置方式既符合现阶段的智能化改造又符合未来的发展趋势。其发展过程可以分为三个阶段，即现阶段（试点阶段）、过渡阶段和成熟阶段。
现阶段，即试点工程建设阶段，智能组件的测控、保护及在线监测等装置都是处于外置独立的，也就是传统的二次设备，这些装置与传统一次设备就构成了一个松垮的“智能设备”。由此可见过程层、间隔层并没有受到设备层的排斥。
过渡阶段，高压设备可嵌入在线监测装置，将传感器直接植入一次设备本体内，迅速反映高压设备的诊断信息，除此以外的组件还是配置在高压设备外部。原本松散的“智能设备”开始向紧凑迈进。
最终的成熟阶段将是融智能组件与高压设备于一体的集成型趋势。体现了功能一体化的紧凑结构，减少了占地面积，为智能变电站的工程建设节约了不少空间。
4 智能组件的设计方案
智能组件是我国在制定智能电网标准时提出的一个新的概念，是集中反映一次设备智能化的关键部件。智能组件一般包括：合并单元、状态监测IED和智能终端。智能组件功能示意图如图7所示。
电子式互感器采集的电压、电流信号经过处理后通过一台合并单元汇集，合并单元再以确定的品质因数传送到保护、测控装置。具体过程为：由测量IED提供测量信息传送至过程层网络，过程层网络将信息同时送给监控主机或远动装置和各监测主IED。监测主IED承担了汇集所有监测IED、测量IED和控制IED的信息，此外，监测主IED在综合分析时还需要系统电压、负载电流等信息，这部分信息通过站控层网络获取（或经过程层网络直接获取合并单元采集量自行计算）[6]。各种信息进行综合分析后得到的智能化信息，再由监测主IED经由站控层网络传送给监控主机、远动装置和监测信息子站等设备。远方主机再根据需要对有控制需求的设备下达控制命令，完成变压器冷却控制、有载分接开关控制和开关设备的分、合闸命令。
智能终端采集本间隔开关设备位置信号、报警信号等实时数据，通过GOOSE服务发布至过程层网络；接收过程层网络的控制指令或继电保护装置的直接控制指令，并驱动相应的出口回路完成本间隔内各开关元件分合闸控制功能；接收授时命令，并准备对时、授时。
需注意的问题：
1）电子部件经常受到大电流开断引起的强磁场干扰，需要对电磁兼容技术进行更深一步的研究，还应对外部接口的通信和电子部件的供电电源等技术进行思索。
2）若智能设备成功实现了将三层两网式变电站结构简化成两层一网式，则对于通信技术的强化无疑是必要的，解决大量信息拥堵问题，应采用优先级算法，对于交换机的要求也势必提高。
5 结语
智能高压设备必须符合电网安全稳定运行条件的约束，要明确智能化是手段而不是目的。要提高设备运行的可靠性，考虑设备的全寿命周期，达到提高电网运行的经济性目的。
本文按照智能高压设备与一次设备的不同，设计了一种通用的智能设备框架，简要介绍了其功能，对现阶段智能设备的发展状况进行了概括说明，并对一次设备能够进行智能化设计进行了可行性分析，最后对智能组件的设计给予说明，指出研究中需要注意的问题。
参考文献
[1] 刘有为，邓彦国，吴立远．高压设备智能化方案及技术特征[J].电网技术，2010，34（7）：1-4．
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[2] 王大鹏， 栗俊凯， 晁军征. 浅谈数字化变电站的发展及应用[J].山东电力技术， 2007（1）：14-18.
Wang Dapeng， Li junkai， Chao junzheng. Discussion on the development and application of digital substation[J]. Shandong Electric Power，2007（1）：14-18
[3] 高 翔， 张沛超. 数字化变电站的主要特征和关键技术[J]. 电网技术， 2006， 30（23）：67-71.
Gao Xiang， Zhang Peichao. The main characteristics of digital substation and the key technology[J]. Power System Technology，2006，30（230：67-71
[4] 赵丽华，高进强，郭相国.浅谈电力设备智能化[J].高压电器，2010，46（12）：1-4
Zhao Lihua， Gao Jinqiang， Guo Xiangguo. Discussion on intelligent electric power equipment[J]. High Voltage Apparatus，2010，46（12）：1-4
[5] 国家电网公司.Q/GDW/Z 410-2010 高压电器设备智能化技术导则[S].北京：中国电力出版社，2010
[6] 刘有为.智能电力变压器信息流方案的设计[J].电网技术，2011，35（1）：1-4.
Liu Youwei. Intelligent power transformer design of the flow of information[J]. Power System Technology，2011，35（1）：1-4．