论文部分内容阅读
摘要：本文首先明确了智能变电站的概念，智能设备的定义及特征；对现阶段智能设备的几种实现方式进行了说明；最后结合目前设备制造水平及国网要求，详细介绍了现阶段国内主流厂家的高压智能设备生产现状，提出了切实可行的解决方案供工程技术人员参考。
关键词：智能电网；智能变电站；智能设备；智能组件；在线监测
中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
智能电网（Smart Grid）是当今世界电力系统发展变革的最新动向，被认为是 21 世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。
尽管各国专家针对电力工业应致力于提高电网智能化水平及等级已经达成共识，但是，智能电网还处于初期研究阶段，国际上尚无统一而明确的定义。由于发展环境和驱动因素不同，不同国家的电网企业和组织都在以自己的方式来理解智能电网，对智能电网进行研究和实践，各国智能电网发展的思路、路径和重点也各不相同。因此智能电网概念本身也在不断发展、丰富和明晰中。
我国电网专家认为，智能电网是以包括发电、输电、配电和用电各环节的电力系统为对象，不断研发新型的电网控制技术、信息技术和管理技术，并将其有机结合，实现从发电到用电所有环节信息的智能交流，系统地优化电力生产、输送和使用。
智能电网的主要特征为自愈、安全、经济、清洁，能够提供适应未来经济社会发展需要的优质电力与服务。
自愈－实时掌控电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患；在尽量少的人工干预下，快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生，提升电网运行的可靠性。
安全－更好地对人为或自然引发的扰动做出辨识与反应。在自然灾害、外力破坏和计算机攻击等不同情况下，保证人身、设备和电网的安全。
经济－支持电力市场竞争的要求，优化配置资源；提高设备传输容量和利用率，有效控制成本，实现电网经济运行。
清洁－既能适应大电源的集中接入，也能对分布式发电方式友好接入，做到“即插即用”。支持风电、太阳能等可再生能源的大规模应用，满足电力与自然环境、经济社会和谐发展的要求。
优质－实现与用户的智能互动，以友好的方式、最佳的电能质量和供电可靠性满足用户的需求，向用户提供优质服务。
由以上不同国家对智能电网的理解，概括地讲，智能电网指的是电力系统综合传统的和前沿的电力工程、复杂的感应和监控技术、信息技术和通讯技术以提高电网运行效率并支持客户端广泛的附加服务的新型电网。
智能电网在广义上包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统。
2009 年 8 月 25 日，国网智能电网部在西安召开了《智能电网用输变电设备技术研讨会》，会上智能电网部介绍了国网对智能电网的思考、规划。
表 1
2 智能设备的定义和特征
智能变电站 smart substation 是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。
根据国家电网公司建设坚强智能电网的战略布局和试点建设智能变电站的具体要求，2009 年 11月 20 日，国网智能电网部与中国电科院、各网省公司、顾问集团公司、西电集团、平开、沈变等在北京召开了《智能高压一次设备技术导则》送审稿审查会。
该导则就高压设备智能化的技术特征、硬件结构、基本技术要求和應用原则进行了简明阐述，适用于 110kV（包括 66kV）级以上电压等级智能变电站的建设和改造，也可供高压设备制造商及国内其他相关企业参考。
智能设备是由高压设备、传感器、控制器和智能组件组成的一个有机整体，具有状态可视化、测量数字化、控制网络化、功能一体化和信息互动化的主要特征。
智能组件是承担宿主设备相关测量、控制、计量、检测、保护等全部或部分功能的智能电子装置集合，是高压设备智能化的核心部件。智能组件通过网络连接至系统层，实现与站内其他设备和调度系统的信息交互。
智能设备由高压设备和智能组件组成。高压设备与智能组件之间通过传感器和控制器组成一个有机整体。智能组件可以集成测量、控制、计量、检测、保护等全部或部分功能。
3 智能设备的实现方式
基于以上定义，现阶段智能设备的实现，可以按照以下三种方式实现。
方式一：独立的运行的电力功能元件+外置的一个或多个智能综合组件
方式二：电力功能元件+内嵌的包含状态监测单元的智能综合组件+外置的一个或多个智能综合组件
方式三：电力功能元件+内嵌的智能综合组件
其中方案三最符合对智能设备的定义。但是，目前通过一次设备本身实现智能化控制盒传输技术尚未达到实际应用水平，经过对国内一次设备制造厂调研，部分制造厂是采用与二次设备制造厂合作开发具备方案一和方案二中要求的只能综合组件，符合方案三要求的只能综合组件仍然处于研发阶段，未能投入运行，缺少运行经验。
方案一较常规变电站已经具有很多显著的优点。但是，在实现智能化的过程中仍然存在一些问题需要改进或解决。突出的就是智能终端无法实现在线监测功能，缺少在线监测功能就无法实现状态检测。基于目前各企业的设备智能化制造现状，现阶段智能变电站多采用方式二的形式实现。
4 高压设备智能化现状
4.1变压器智能化
变压器油色谱在线监测系统是用于电力变压器油中溶解气体的在线分析与故障诊断。其监测和诊断具有很高的灵敏度和可靠性，可以准确判断油纸绝缘设备的绝缘状况，并能区分放电类型与过热类型、油过热与油-绝缘纸过热等。此套系统由油样循环采样单元、油气分离单元、数据采集单元、控制处理单元等主要单元组成。此类技术已经较为成熟。目前，越来越多的厂家通过在变压器本体内置入成熟的传感器，如油位、油温、油压传感器，光纤测温传感器，油气传感器，微水探测器，组合式局放传感器，铁芯夹件振动传感器，铁芯接地电流及局放传感器等，实现对变压器实时运行状态的监测及诊断。具体有绕组热点温度，变压器局部放电，套管的功率因数和电容，冷却装置的状态，变压器油的湿度、温度、酸度；绝缘纸的湿度和迁移情况，结构件的夹紧力，铁心接地电流，储油柜的油位等，温度负荷，漏电流值，温度负荷趋势，油温、油位、风扇状态、油泵状态等。
总体而言，变压器状态监测功能方面已经一定突破，实现了将各自独立的监控系统集成为一个系统，可以实现对变压器所有主要部件进行监控；但变压器智能化的核心——专家诊断系统，还需要积累大量运行数据，挖掘设备运行特性，研究诊断方法开发分析系统，从而实现设备状态诊断智能化。另外，考虑到传感器的使用寿命，尤其内置传感器，对于主设备本体运行的影响，监测量的选择以及传感器布点方面仍有待研究。
4.2开关设备、GIS设备智能化
高压开关电器的智能化，是光在线检测与电量检测、传感器技术及其应用、数字信息技术、变电站自动化技术的有效结合，标志着高压开关制造技术在高新技术领域的新发展。开发智能化一次设备必须同时具备一次设备的生产能力和二次设备的开发能力，此外，还应具备强大的网络技术能力。即在开关设计之初，就已经考虑把智能传感器、控制设备融入开关，结构更加紧凑、设计更加合理、绝缘更加可靠。现阶段，主要采用智能单元作为替代方案在工程中实际应用。
首先是采用先进传感器技术监测开关的内部状况，包括检测电流、电压、温度、气压、密度、开关关合位置、操动机构能量等全方位的状态信息，以及开关设备绝缘性能、导电性能、机械性能等方面的诊断信息，准确掌握开关设备的状态，防止内部事故发生。其次在间隔之间以及间隔与变电站控制计算机之间的通信联络使用了串行光纤技术，所有一次回路与二次回路之间的连接均通过串行光纤总线接到控制箱中，完全淘汰了传统的硬导线连接方式。使用光纤通信总线和PISA（传感器和执行器处理接口）技术简化了设备之间的连接，并解决了电磁干扰问题：控制柜内电子器件的自动控制和自监视功能提高了GIS的自动化程度。
国内的几大厂家，包括南瑞集团、南自科技发展有限公司、许继电气股份有限公司等厂家在21世纪才陆续开始进行该方面的研究，其生产的监测设备的稳定性和实用可靠性与国外相比尚有差距，需要提高产品的技术含量和质量。不断研究应用先进的电子技术、传感器技术、通信技术、数据库管理等技术不仅对运行中的高压断路器进行实时机械、绝缘等方面在线监测集成（包括SF6气体状态监测、断路器机械特性的在线监测、断路器机构状态的监测、局放状态监测）、而且对研究应用的运行参数和开关设备内部状态在线监测数据进行多参量综合状态分析整合，才能真正实现高压设备实时健康状态结果的傳输。
4.3互感器智能化
互感器属于最早实现智能化的设备，其智能化在国内外均有实际运行的工程实例，在国内则处于产品试用推广阶段。互感器的智能化的主要方式主要是电子式互感器与测量单元MU组成。
电子式互感器是实现变电站运行实时信息数字化的主要设备之一，在电网动态观测、提高继电保护可靠性等方面具有重要作用。与传统的电磁式互感器相比，数字式互感器有许多优点，特别是可以提供模拟输出或数字输出，适应了电力计量，保护数字化、微机化、自动化和变电站智能信号至智能化一次设备。
MU作为电子式互感器、智能化一次设备、传统互感器与智能化二次保护、测控和计量设备的中间连接环节，其主要功能是接收一次设备的信号，并对采样的数据进行汇总，根据二次接入设备的要求，输出相同或不同的数值和开关信号，同时可接收二次设备的命令输出至智能化一次设备
4.4避雷器的智能化
避雷器的智能化研究相对较为缓慢，国内涉及到避雷器智能化的工作主要放在有用的雷电流信号提取上。避雷器在线监测系统实现了避雷器的全电流、泄漏电流值以及计数器动作次数的在线监测功能。主要是捕获及分析泄漏电流，通过优化传感器及分析算法，来去除干扰，减小误差，优化对MOA状态的判断。目前并已经投入使用。
5结论
高压智能设备主要采用在线监测设备实时监测设备状态,即实现设备状态可视化；通过一次设备中内嵌的智能组件，可将运行状态实时数字化传输至外置的智能综合单元，以实现对电气设备的监测、测量、控制及检测。
随着我国智能电网、特别是智能高压设备研究的深入和试点应用的经验总结，会针对高压设备智能化发布越来越详细的技术规范和技术要求，包括智能化适用原则、各类接口、数据建模、互换性、互操作性、可扩展性、可靠性设计、信息管理、信息互动、通信与信息安全、状态可视化(可靠性状态、控制状态、运行状态和负载能力状态)等关键技术，各级电网设计和运行单位应及时采用符合最新标准要求的智能高压设备。除此之外，对于智能高压设备的出厂试验检测、电磁兼容试验、环境适应能力试验、调试、现场交接试验等都要给出相应的标准。
目前国内厂家已有阶段性成熟的设备产品，作为工程技术人员，在工程策划阶段就应清晰了解并有计划地推进高压智能设备的应用。
参考文献：
[1]李建基编.高中压开关实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2001.
[2] 胡学浩．智能电网：未来电网的发展态势[J]．电网技术，2009，33(14)
[3] 余贻鑫，栾文鹏．智能电网综述[J]．中国电机工程学报，2009，29(34)
关键词：智能电网；智能变电站；智能设备；智能组件；在线监测
中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
智能电网（Smart Grid）是当今世界电力系统发展变革的最新动向，被认为是 21 世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。
尽管各国专家针对电力工业应致力于提高电网智能化水平及等级已经达成共识，但是，智能电网还处于初期研究阶段，国际上尚无统一而明确的定义。由于发展环境和驱动因素不同，不同国家的电网企业和组织都在以自己的方式来理解智能电网，对智能电网进行研究和实践，各国智能电网发展的思路、路径和重点也各不相同。因此智能电网概念本身也在不断发展、丰富和明晰中。
我国电网专家认为，智能电网是以包括发电、输电、配电和用电各环节的电力系统为对象，不断研发新型的电网控制技术、信息技术和管理技术，并将其有机结合，实现从发电到用电所有环节信息的智能交流，系统地优化电力生产、输送和使用。
智能电网的主要特征为自愈、安全、经济、清洁，能够提供适应未来经济社会发展需要的优质电力与服务。
自愈－实时掌控电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患；在尽量少的人工干预下，快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生，提升电网运行的可靠性。
安全－更好地对人为或自然引发的扰动做出辨识与反应。在自然灾害、外力破坏和计算机攻击等不同情况下，保证人身、设备和电网的安全。
经济－支持电力市场竞争的要求，优化配置资源；提高设备传输容量和利用率，有效控制成本，实现电网经济运行。
清洁－既能适应大电源的集中接入，也能对分布式发电方式友好接入，做到“即插即用”。支持风电、太阳能等可再生能源的大规模应用，满足电力与自然环境、经济社会和谐发展的要求。
优质－实现与用户的智能互动，以友好的方式、最佳的电能质量和供电可靠性满足用户的需求，向用户提供优质服务。
由以上不同国家对智能电网的理解，概括地讲，智能电网指的是电力系统综合传统的和前沿的电力工程、复杂的感应和监控技术、信息技术和通讯技术以提高电网运行效率并支持客户端广泛的附加服务的新型电网。
智能电网在广义上包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统。
2009 年 8 月 25 日，国网智能电网部在西安召开了《智能电网用输变电设备技术研讨会》，会上智能电网部介绍了国网对智能电网的思考、规划。
表 1
2 智能设备的定义和特征
智能变电站 smart substation 是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。
根据国家电网公司建设坚强智能电网的战略布局和试点建设智能变电站的具体要求，2009 年 11月 20 日，国网智能电网部与中国电科院、各网省公司、顾问集团公司、西电集团、平开、沈变等在北京召开了《智能高压一次设备技术导则》送审稿审查会。
该导则就高压设备智能化的技术特征、硬件结构、基本技术要求和應用原则进行了简明阐述，适用于 110kV（包括 66kV）级以上电压等级智能变电站的建设和改造，也可供高压设备制造商及国内其他相关企业参考。
智能设备是由高压设备、传感器、控制器和智能组件组成的一个有机整体，具有状态可视化、测量数字化、控制网络化、功能一体化和信息互动化的主要特征。
智能组件是承担宿主设备相关测量、控制、计量、检测、保护等全部或部分功能的智能电子装置集合，是高压设备智能化的核心部件。智能组件通过网络连接至系统层，实现与站内其他设备和调度系统的信息交互。
智能设备由高压设备和智能组件组成。高压设备与智能组件之间通过传感器和控制器组成一个有机整体。智能组件可以集成测量、控制、计量、检测、保护等全部或部分功能。
3 智能设备的实现方式
基于以上定义，现阶段智能设备的实现，可以按照以下三种方式实现。
方式一：独立的运行的电力功能元件+外置的一个或多个智能综合组件
方式二：电力功能元件+内嵌的包含状态监测单元的智能综合组件+外置的一个或多个智能综合组件
方式三：电力功能元件+内嵌的智能综合组件
其中方案三最符合对智能设备的定义。但是，目前通过一次设备本身实现智能化控制盒传输技术尚未达到实际应用水平，经过对国内一次设备制造厂调研，部分制造厂是采用与二次设备制造厂合作开发具备方案一和方案二中要求的只能综合组件，符合方案三要求的只能综合组件仍然处于研发阶段，未能投入运行，缺少运行经验。
方案一较常规变电站已经具有很多显著的优点。但是，在实现智能化的过程中仍然存在一些问题需要改进或解决。突出的就是智能终端无法实现在线监测功能，缺少在线监测功能就无法实现状态检测。基于目前各企业的设备智能化制造现状，现阶段智能变电站多采用方式二的形式实现。
4 高压设备智能化现状
4.1变压器智能化
变压器油色谱在线监测系统是用于电力变压器油中溶解气体的在线分析与故障诊断。其监测和诊断具有很高的灵敏度和可靠性，可以准确判断油纸绝缘设备的绝缘状况，并能区分放电类型与过热类型、油过热与油-绝缘纸过热等。此套系统由油样循环采样单元、油气分离单元、数据采集单元、控制处理单元等主要单元组成。此类技术已经较为成熟。目前，越来越多的厂家通过在变压器本体内置入成熟的传感器，如油位、油温、油压传感器，光纤测温传感器，油气传感器，微水探测器，组合式局放传感器，铁芯夹件振动传感器，铁芯接地电流及局放传感器等，实现对变压器实时运行状态的监测及诊断。具体有绕组热点温度，变压器局部放电，套管的功率因数和电容，冷却装置的状态，变压器油的湿度、温度、酸度；绝缘纸的湿度和迁移情况，结构件的夹紧力，铁心接地电流，储油柜的油位等，温度负荷，漏电流值，温度负荷趋势，油温、油位、风扇状态、油泵状态等。
总体而言，变压器状态监测功能方面已经一定突破，实现了将各自独立的监控系统集成为一个系统，可以实现对变压器所有主要部件进行监控；但变压器智能化的核心——专家诊断系统，还需要积累大量运行数据，挖掘设备运行特性，研究诊断方法开发分析系统，从而实现设备状态诊断智能化。另外，考虑到传感器的使用寿命，尤其内置传感器，对于主设备本体运行的影响，监测量的选择以及传感器布点方面仍有待研究。
4.2开关设备、GIS设备智能化
高压开关电器的智能化，是光在线检测与电量检测、传感器技术及其应用、数字信息技术、变电站自动化技术的有效结合，标志着高压开关制造技术在高新技术领域的新发展。开发智能化一次设备必须同时具备一次设备的生产能力和二次设备的开发能力，此外，还应具备强大的网络技术能力。即在开关设计之初，就已经考虑把智能传感器、控制设备融入开关，结构更加紧凑、设计更加合理、绝缘更加可靠。现阶段，主要采用智能单元作为替代方案在工程中实际应用。
首先是采用先进传感器技术监测开关的内部状况，包括检测电流、电压、温度、气压、密度、开关关合位置、操动机构能量等全方位的状态信息，以及开关设备绝缘性能、导电性能、机械性能等方面的诊断信息，准确掌握开关设备的状态，防止内部事故发生。其次在间隔之间以及间隔与变电站控制计算机之间的通信联络使用了串行光纤技术，所有一次回路与二次回路之间的连接均通过串行光纤总线接到控制箱中，完全淘汰了传统的硬导线连接方式。使用光纤通信总线和PISA（传感器和执行器处理接口）技术简化了设备之间的连接，并解决了电磁干扰问题：控制柜内电子器件的自动控制和自监视功能提高了GIS的自动化程度。
国内的几大厂家，包括南瑞集团、南自科技发展有限公司、许继电气股份有限公司等厂家在21世纪才陆续开始进行该方面的研究，其生产的监测设备的稳定性和实用可靠性与国外相比尚有差距，需要提高产品的技术含量和质量。不断研究应用先进的电子技术、传感器技术、通信技术、数据库管理等技术不仅对运行中的高压断路器进行实时机械、绝缘等方面在线监测集成（包括SF6气体状态监测、断路器机械特性的在线监测、断路器机构状态的监测、局放状态监测）、而且对研究应用的运行参数和开关设备内部状态在线监测数据进行多参量综合状态分析整合，才能真正实现高压设备实时健康状态结果的傳输。
4.3互感器智能化
互感器属于最早实现智能化的设备，其智能化在国内外均有实际运行的工程实例，在国内则处于产品试用推广阶段。互感器的智能化的主要方式主要是电子式互感器与测量单元MU组成。
电子式互感器是实现变电站运行实时信息数字化的主要设备之一，在电网动态观测、提高继电保护可靠性等方面具有重要作用。与传统的电磁式互感器相比，数字式互感器有许多优点，特别是可以提供模拟输出或数字输出，适应了电力计量，保护数字化、微机化、自动化和变电站智能信号至智能化一次设备。
MU作为电子式互感器、智能化一次设备、传统互感器与智能化二次保护、测控和计量设备的中间连接环节，其主要功能是接收一次设备的信号，并对采样的数据进行汇总，根据二次接入设备的要求，输出相同或不同的数值和开关信号，同时可接收二次设备的命令输出至智能化一次设备
4.4避雷器的智能化
避雷器的智能化研究相对较为缓慢，国内涉及到避雷器智能化的工作主要放在有用的雷电流信号提取上。避雷器在线监测系统实现了避雷器的全电流、泄漏电流值以及计数器动作次数的在线监测功能。主要是捕获及分析泄漏电流，通过优化传感器及分析算法，来去除干扰，减小误差，优化对MOA状态的判断。目前并已经投入使用。
5结论
高压智能设备主要采用在线监测设备实时监测设备状态,即实现设备状态可视化；通过一次设备中内嵌的智能组件，可将运行状态实时数字化传输至外置的智能综合单元，以实现对电气设备的监测、测量、控制及检测。
随着我国智能电网、特别是智能高压设备研究的深入和试点应用的经验总结，会针对高压设备智能化发布越来越详细的技术规范和技术要求，包括智能化适用原则、各类接口、数据建模、互换性、互操作性、可扩展性、可靠性设计、信息管理、信息互动、通信与信息安全、状态可视化(可靠性状态、控制状态、运行状态和负载能力状态)等关键技术，各级电网设计和运行单位应及时采用符合最新标准要求的智能高压设备。除此之外，对于智能高压设备的出厂试验检测、电磁兼容试验、环境适应能力试验、调试、现场交接试验等都要给出相应的标准。
目前国内厂家已有阶段性成熟的设备产品，作为工程技术人员，在工程策划阶段就应清晰了解并有计划地推进高压智能设备的应用。
参考文献：
[1]李建基编.高中压开关实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2001.
[2] 胡学浩．智能电网：未来电网的发展态势[J]．电网技术，2009，33(14)
[3] 余贻鑫，栾文鹏．智能电网综述[J]．中国电机工程学报，2009，29(34)