國網四川省電力公司技能培訓中心的研究人員李紅軍、劉亞磊，在2015年第12期《電氣技術》雜志上撰文指出，智能電網已成為全球電網發(fā)展的大趨勢，是新一輪能源革命的基礎和重要組成部分。
智能變電站是建設智能電網的關鍵環(huán)節(jié)和重要內容，一次設備的智能化是智能變電站與傳統(tǒng)變電站的重要區(qū)別，研究智能變電站一次設備智能化技術具有重要的意義和價值。
本文介紹了智能變電站的概念，分析了一次設備新技術取得的重要進展及其存在的問題，提出了智能變電站一次設備智能化的相關建議。
智能電網是構建全球互聯(lián)、高度智能、清潔環(huán)保、高效利用、友好互動的全球能源互聯(lián)網的重要支撐，是承載和推動新一輪能源革命的基礎平臺。發(fā)展智能電網有利于清潔可再生能源的開發(fā)利用、資源的最優(yōu)配置、霧霾的治理以及電動汽車等新型高科技產業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)展智能電網已成為我國能源發(fā)展的戰(zhàn)略目標。
未來的智能電網將采用先進的材料技術、可再生能源發(fā)電技術、傳感技術、通信技術、超導技術、儲能技術、先進控制理論，使得能源開發(fā)更清潔，利用更高效，配置更優(yōu)化，碳排放量更低。未來的智能電網將實現(xiàn)微電網與特高壓骨干電網協(xié)同發(fā)展，電網與用戶友好互動，從而更好的服務于國民經濟的發(fā)展。
“綠色供電、智慧用電”是智能電網內涵的深刻體現(xiàn)。智能變電站是堅強智能電網的基石和重要支撐，而一次設備的智能化是智能變電站建設的關鍵環(huán)節(jié)。
1 智能變電站概念及其建設目標
智能變電站采用先進、環(huán)保、集成、可靠、低碳的智能設備，能夠自動完成信息采集、測量、計量、保護、在線監(jiān)測、自診斷等基本功能，支持電網實時智能調節(jié)、自動控制、協(xié)同互動、在線分析決策等功能[1-4]。新一代智能變電站技術是在傳統(tǒng)變電站技術基礎上的不斷創(chuàng)新和變革，其不斷融合先進、前瞻的新技術，運行經濟環(huán)保，設備先進適用可靠，使電網運行更安全穩(wěn)定[1]。
新一代智能變電站為集自我保護、控制和管理功能于一體的高度智能體，具備智能化、協(xié)同互動、即插即用和集成化等技術特征。
新一代智能變電站建設的目標：
采用先進的技術手段將站內的高壓一次設備高度集成、二次設備高度集成、設備與建筑物高度集成，高度集成設備的設計、制造、調試均在工廠內一體化完成，設備技術先進可靠；
新一代智能變電站功能齊全、智能化程度高、調試及維護靈活方便、運行穩(wěn)定可靠；裝配式建設、標準化設計、工廠化加工是新一代智能變電站設備模塊化的主要體現(xiàn)；
新一代智能變電站內部之間及其與站外的通信準確可靠，結構布局合理，盡可能地節(jié)約土地、能源、水、材料等資源，有效減少環(huán)境污染和生態(tài)破壞；
新一代智能變電站具有效率最大化、維護量最小化、資源節(jié)約化、環(huán)境友好化、信息資源最優(yōu)化的優(yōu)勢；新一代智能變電站支持與多級調控中心的信息傳輸。
總之，新一代智能變電站一次與二次設備高度集成，業(yè)務一體化，布局合理緊湊，低能耗且高環(huán)保，支撐調控一體化。
2 一次設備新技術突破
2.1 集成式智能隔離斷路器
截止到目前，隔離開關的檢修周期已低于斷路器的檢修周期，且隔離開關的故障率已高于斷路器的故障率，隨著斷路器技術的快速發(fā)展及可靠性的不斷提高，通過隔離開關來隔離高壓電的傳統(tǒng)停電檢修模式已不適應電網快速發(fā)展的需要，加快發(fā)展隔離開關新技術已成為迫切需要[2]。
集成式隔離斷路器的成功研制是新一代智能變電站技術的重大突破，其觸頭部位集成于隔離斷路器的SF6滅弧室內，運行可靠性高。隔離開關的隔離功能是通過隔離斷路器動、靜觸頭的高絕緣水平來實現(xiàn)的，同時要求隔離斷路器能夠承受雷電沖擊電壓、系統(tǒng)失步工頻電壓和操作沖擊電壓。
集成式隔離斷路器具備斷路器和隔離開關的功能，隨著光電互感器等新的電子互感器技術的出現(xiàn)，實現(xiàn)了隔離斷路器與電流互感器高度集成，且布局簡單緊湊，節(jié)省了大量的占地面積。隔離斷路器將成功應用于110kV武漢未來城變電站，ABB已研制出72.5~550kV隔離斷路器；國內西開集團、高平集團已研制出SF6集成式隔離斷路器[2]。
集成式智能隔離斷路器是在隔離斷路器的基礎上，再集成智能組件、接地刀閘、電子式電流互感器、電子式電壓互感器等部件形成的，能夠實現(xiàn)在線檢測、就地控制與智能操作等功能，系統(tǒng)維護量少[1]。集成式智能隔離斷路器將測量、檢測、保護、控制等功能統(tǒng)一集成到間隔智能組件柜中，其智能化與一體化水平較高。
2.2 集成式電容器設備
智能變電站將串聯(lián)電抗與電容器集成于一體，形成了集成式電容器設備，布局緊湊，可節(jié)省45%左右的占地面積，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性得到了提高，維護量少，使用壽命長，整體型式美觀。
將電容器組裝在充有變壓器油的油箱內，變壓器油起散熱和絕緣作用，便形成了集合式電容器，可節(jié)約大量土地，且安裝維護方便、抗外界干擾能力強。
2.3 自動調諧消弧線圈
智能變電站自動調諧消弧線圈的一次設備主要有接地變壓器、消弧線圈、有載分接開關、阻尼電阻箱、電子式電壓互感器和電子式電流互感器，其二次設備承擔控制任務[3]。二次設備實時對消弧線圈的電壓和電流進行測量，并能自動計算系統(tǒng)的電容電流，通過控制消弧線圈的電感值來實現(xiàn)對系統(tǒng)無功的補償。
一次設備和二次設備布局緊湊，集成化程度高，即集中布置就地控制，且控制簡單、靈活、可靠。目前自動消弧線圈的一次設備和二次設備基本都由同一個廠家生產，未來基于全站數(shù)字化技術和IEC61850標準，可以實現(xiàn)不同廠家的一次設備與二次設備的互聯(lián)。
2.4 整合型變壓器綜合監(jiān)測控制智能組件
智能化的一次設備基本都是由獨立的智能電子設備構成，設備投資及互聯(lián)成本較高，故障率也偏高。新一代整合型變壓器綜合監(jiān)測控制智能組件提高了變電站一次設備的智能化程度，其整合了有載分接開關控制智能電子設備、測量智能電子設備、風冷控制智能電子設備、非電量保護智能電子設備。
整合型變壓器綜合監(jiān)測控制智能組件具有智能控制、有載分接開關控制、風冷控制、智能非電量保護、運行狀態(tài)監(jiān)視和綜合判斷等功能，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。該技術已在北京某智能變電站成功應用。
2.5 電力電子變壓器與超導變壓器
隨著大功率控制技術及電力電子技術的快速發(fā)展，電力電子變壓器作為新型電力變壓器正日益受到關注并快速發(fā)展。電力電子變壓器不僅能夠進行能量的轉換與電壓的變換，且無需任何輔助設備和附加控制就可實現(xiàn)改善電能質量、控制系統(tǒng)潮流、自我檢測與診斷、自保護、無功補償?shù)裙δ躘4]。
分布式可再生能源具有隨機性、間隙性、波動性、分散性、交直流兼有的特點，而電力電子變壓器能夠靈活穩(wěn)定地將分布式可再生能源并入電網。電力電子變壓器技術的不斷發(fā)展和完善是智能變壓器發(fā)展的一個新的方向。
高溫超導變壓器的線圈由高溫超導材料繞制而成，變壓器運行損耗低，過負荷能力強。高溫超導變壓器采用液氮作為冷卻介質，環(huán)保，體積小，重量輕。應加大推進高溫超導變壓器技術的攻關工作。
2.6 智能可控電抗器
智能可控電抗器結合了電力電子新技術及現(xiàn)代控制技術，能夠實時根據電網運行狀態(tài)對電抗器參數(shù)進行連續(xù)調節(jié)與控制，從而使系統(tǒng)運行在最優(yōu)的狀態(tài)。智能可控電抗器具有提高電網輸送能力、改善電能質量、實時連續(xù)的補償系統(tǒng)的無功缺額、確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的功能。新材料及自動控制技術的快速發(fā)展為智能可控電抗器的發(fā)展提供了條件，超導型可控電抗器及自飽和磁閥式可控電抗器是智能可控電抗器發(fā)展的兩個方向。
2.7 模塊化建設等新技術
新一代智能變電站的設計理念實現(xiàn)頂層指導底層、分專業(yè)設計向整體集成設計的轉變。模塊化建設技術是新一代智能變電站全新的建設技術，且標準化設計、工廠化加工、裝配式建設三個層級的模塊化建設技術在新一代智能變電站中得到了應用。
新一代智能變電站進行模塊化建設，采用最大化工廠加工的預制結構的建、構筑物及艙式二次組合設備，安裝快速便捷。采用預制的光纜和電纜，一次設備與二次設備進行標準化連接和標準化通信，實現(xiàn)二次接線“即插即用”。模塊化建設技術也正向著智能化方向發(fā)展，一次設備向著兼有采集、測控、保護、檢測等功能方向發(fā)展。
新一代智能變電站的一次設備、傳感器、智能組件在工廠內進行一體化生產，集成聯(lián)調，安裝調試方便且提高了施工工藝水平。
智能變電站在線檢測智能電子設備的性能關系到全站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此對其功能測試至關重要，文獻[5]提出的基于功能測試用例和測試腳本的自動化測試系統(tǒng)，代替人工測試，測試效率高。
基于移動機器人的設備巡檢系統(tǒng)對智能變電站一次設備進行巡檢將是未來智能變電站巡檢的一種重要的方式[6]。
智能變電站IED在線評估與動態(tài)重構功能缺失將對電網穩(wěn)定運行及運行維護構成極大的威脅，文獻[7]提出了一種在線評估與動態(tài)重構冗余備用的技術方案，有效提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。
3 一次設備智能化技術
智能一次設備技術的快速發(fā)展對實現(xiàn)一次設備的信息化、自動化、互動化，提高電氣設備的制造水平和智能化程度，實現(xiàn)整個智能變電站結構的最優(yōu)設計都具有十分重要的作用。一次設備的智能化主要體現(xiàn)在智能組件上，集測量、計量、保護、控制等多功能于一體的智能組件是一次設備智能化的發(fā)展方向[8]。智能組件應具有較強的抗電磁干擾能力，較高的監(jiān)測靈敏度、自診斷報警等功能，技術先進且運行可靠。
智能一次設備采用先進的分析檢測方法對運行設備的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，能夠快速發(fā)現(xiàn)故障并對故障部位進行精確定位，評估故障的嚴重程度，并根據分析診斷結果來合理安排檢修和調整系統(tǒng)運行方式。一次設備智能化能夠實時掌握設備的狀態(tài)，基于這些狀態(tài)信息可預測設備的剩余壽命。
智能化一次設備提高了電網運行的穩(wěn)定性，有利于大規(guī)模分布式新能源并網，布局緊湊合理，節(jié)省了大量的占地面積。一次設備智能化使信息檢測更準確，評價體系更合理，能夠根據采集到的數(shù)據評估設備及電網運行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)問題，盡可能的降低運行的風險系數(shù)。智能化建設減小了安全維修工作，調試靈活方便。
智能化一次設備能夠將設備及電網確切的運行狀態(tài)和數(shù)據及時反映給工作人員，為工作人員開展科學合理的檢修工作提供了依據。
3.1 主變壓器智能化
智能變壓器智能組件技術體現(xiàn)了智能變壓器的智能化程度，由采集、測量、計量、監(jiān)測、控制等各類智能電子設備構成。目前，智能變電站主要通過兩種形式實現(xiàn)，一種是改造的智能變電站，在線監(jiān)測配置于一次設備附近，即就地化布置，大多將保護放置于繼電室；另一種是新建的智能變電站，將變壓器在線監(jiān)測單元和變壓器本體保護就地化布置于變壓器智能匯控柜中。
智能變壓器向著節(jié)能環(huán)保、智能化和一體化方向發(fā)展。測量就地數(shù)字化、控制功能網絡化、狀態(tài)評估可視化、信息交互自動化是智能變壓器智能化的主要體現(xiàn)，其具體的體現(xiàn)如下：油位、油溫、分接開關位置等與運行控制相關的參量實現(xiàn)了就地數(shù)字化測量；有載調壓開關實現(xiàn)了基于變電站網絡的智能化控制；根據傳感器檢測的信息對智能變壓器的運行與控制狀態(tài)進行評估，評估信息轉化為可視信息；調控中心和管理系統(tǒng)根據上傳的評估信息實現(xiàn)了變壓器狀態(tài)檢修和調控的協(xié)調優(yōu)化控制。
智能變壓器具有強大的自適應控制能力，能夠實時根據運行工況和環(huán)境進行自適應調節(jié)，進行最優(yōu)化過程控制，各項性能指標均達到最優(yōu)。如進行有載調壓自適應控制、負荷自適應控制、溫度自適應控制、運行自適應控制、系統(tǒng)經濟運行自適應控制、自動補償自適應控制和優(yōu)化運行自適應控制[9]。
智能變壓器在線監(jiān)測具有自我檢測和診斷的功能，涵蓋輔助設備監(jiān)測和本體監(jiān)測兩大部分。智能變電站監(jiān)測的項目主要有局部放電監(jiān)測、油中溶解氣體監(jiān)測、油中含水量監(jiān)測、繞組光纖測溫監(jiān)測、氣體聚集量監(jiān)測、主油箱底部油溫監(jiān)測、鐵芯接地電流監(jiān)測、侵入波監(jiān)測、電容式套管電容量監(jiān)測、套管介質損耗因數(shù)監(jiān)測、變壓器振動波譜檢測、變壓器聲學指紋監(jiān)測。保護功能器件監(jiān)測、冷卻器監(jiān)測、有載分接開關監(jiān)測為輔助設備監(jiān)測。
智能變壓器具有可靠的告警、保護、通信和信息交互等功能。變壓器供電區(qū)域內出現(xiàn)故障時，能夠將故障數(shù)據傳輸?shù)缴霞壒芾硐到y(tǒng)并能夠顯示故障點、故障類型，為檢修人員快速定位故障和安排檢修提供依據。
將變壓器器身、熔斷器、開關設備、智能化組件、新型電子式有載分接開關及相應輔助設備集成為智能組合式變壓器，不僅具有傳統(tǒng)的變電功能且集成了強迫風冷、功率計量、計算機接口等多個功能，智能組合式變壓器實時運行于最佳狀態(tài)。
3.2 斷路器智能化
智能斷路器具有運行周期長、運行及維護費用低、運行安全可靠、能提供精確的狀態(tài)信息等特征，可以實現(xiàn)對分/合閘線圈電流在線監(jiān)測、動觸頭行程在線監(jiān)測、儲能電機電流在線監(jiān)測、SF6氣體壓力和密度在線監(jiān)測等功能。
隨著真空技術、滅弧技術、新材料及新操動技術的快速發(fā)展，真空斷路器的應用越來越廣泛。ABB公司最新研制出了兩種智能型斷路器，一種為集保護、測量、開斷功能于一體的真空型智能斷路器；另一種為基于模塊化設計的具有人工智能技術的斷路器，其能夠在最佳投切時刻進行各項獨立操作，使斷路器投切瞬時產生的過電流及過電壓對設備的沖擊較小。國外一些公司研制出了具有信息傳遞和自我保護功能的中壓智能化真空斷路器。
傳統(tǒng)斷路器的跳閘方式為電纜傳輸跳合閘電流操作方式，而智能變電站的跳閘方式為基于IEC61850標準的GOOSE等快速報文傳遞跳合閘命令的操作方式，提高了操作的可靠性。
3.3 智能氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）
GIS智能變電站具有供電可靠性高、電磁污染少、檢修周期長、運行噪音低等優(yōu)點。智能GIS采用先進的電力電子技術、微電子技術、傳感技術、數(shù)字處理技術、計算機技術、控制技術，集監(jiān)測、測量、控制、保護和錄波等功能于一體，對GIS的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。
GIS在一次設備上安裝了各種傳感器和數(shù)字化裝置，通過智能電子設備來完成信息的采集、計量、控制、保護、監(jiān)測及自診斷等功能。目前已經實現(xiàn)了對局部放電、觸頭溫度、SF6氣體密度及壓力、觸頭行程、儲能電機電流、分/合閘線圈電流的在線監(jiān)測。GIS能夠根據電網運行狀態(tài)進行智能控制和保護，并具有預警及自診斷功能。GIS設備結構緊湊合理，絕緣可靠。
ABB公司研制的VMI型真空開關具有在線監(jiān)測、診斷和站內計算機控制等功能，且二次控制與永磁操作機構無觸點化融合，運行可靠性高。
平頂山天鷹集團的ZFll-252kV GIS，能夠對傳感器采集到的各種運行參數(shù)進行分析處理，實現(xiàn)自診斷及控制操作，并將分析處理的結果進行顯示，該設備已在我國南方某一變電站得到了應用。
西開電氣研制了SF6氣體絕緣金屬封閉智能開關設備，該開關設備基于IEC61850通信協(xié)議，具有視頻在線、程序化操作、遠程診斷等功能。
3.4 智能容性設備
電容型高壓設備主要涵蓋高壓套管、電壓互感器、耦合電容器、電容型電流互感器等，設備數(shù)量眾多，其性能的好壞直接影響到全站的穩(wěn)定運行。智能容性設備將智能組件集成到高壓容性設備上，從而實現(xiàn)介損監(jiān)測、電壓保護、電流保護。
智能容性設備集監(jiān)測、通信、控制等功能于一體，具有強大的數(shù)據處理能力，能夠實時采集設備的運行數(shù)據，具有實時監(jiān)控的功能。目前已經實現(xiàn)的監(jiān)測功能有電容量監(jiān)測、末屏泄露電流監(jiān)測、介質損耗因數(shù)監(jiān)測、環(huán)境溫度及濕度監(jiān)測等。
智能組件對運行設備進行監(jiān)測，當數(shù)據超過臨界值時，智能設備將故障數(shù)據發(fā)送到信息一體化平臺或監(jiān)測主機，故障點、故障類型、故障數(shù)據能夠在信息一體化平臺上顯示，為工作人員定位故障和安排合理的檢修計劃提供了依據。
3.5 智能氧化鋅避雷器（MOA）
智能氧化鋅避雷器能夠實時對自身的絕緣狀態(tài)進行監(jiān)測，并將監(jiān)測結果發(fā)送至信息一體化平臺或監(jiān)測主機，供數(shù)據中心與調控中心調用和分析，有利于提高智能MOA的運行的穩(wěn)定性和可靠性。智能MOA實現(xiàn)了對泄露電流的監(jiān)測以及阻性電流的計算，其信息一體化平臺對采集到的數(shù)據進行分析與處理，進而管理系統(tǒng)數(shù)據接口、數(shù)據轉發(fā)、信息保護[9]。
4 一次設備智能化存在的問題及解決方法
智能化一次設備依托于傳感技術、監(jiān)測技術、診斷技術、控制技術和微機技術的快速發(fā)展，但如何將這些新技術應用于一次設備中仍需要進一步研究。應用于一次設備的新技術需要承受外界環(huán)境干擾，其可靠性仍需要時間來驗證。
智能組件承擔測量、計量、保護、控制、通信等任務，這些智能組件安裝在高壓一次設備及其附近，面臨各種強電磁干擾，嚴重威脅到智能變電站運行的穩(wěn)定性，應加強對智能組件抗電磁干擾技術的研究[10-12]。智能電子設備的使用壽命低于高壓一次設備的使用壽命，且價格昂貴，從采用電力電子新技術及改善運行環(huán)境等方面考慮來提高智能電子設備的使用壽命，進而解決不等壽命問題。
新一代智能斷路器的跳閘方式為基于IEC61850標準的GOOSE等快速報文傳遞跳合閘命令的操作方式，其可靠性仍需時間驗證，且降低電弧對觸頭材料的侵蝕及運行能耗可提高運行壽命及工作性能。
有源電子式互感器的可靠性依賴于高壓側電源，發(fā)展自勵模式的互感器可以提高運行的穩(wěn)定性。光學電子式互感器易受溫度的變化、電磁輻射等外界因素影響而削弱光學傳感器工作的穩(wěn)定性，發(fā)展全光纖型電子式電流互感器和磁旋光電子式電流互感器可提高互感器工作的可靠性。
針對電力電子變壓器損耗大、可靠性低及電路結構復雜的問題，通過改進控制策略來改善電能質量，提高電力電子變壓器運行的可靠性與穩(wěn)定性。可控電抗器向著具有自我診斷能力方向發(fā)展[4]。
5 結束語
新一代智能變電站在設計理念、工程建設技術、設備制造及檢測技術方面取得了重大突破，一次設備智能化實現(xiàn)了信息流、電力流的合二為一，并為各種智能新技術在變電站的應用提供了開放的平臺。
智能化一次設備的投入運行不僅提高了工作效率，且提高了電力生產的可靠性與穩(wěn)定性。智能組件是智能化一次設備的核心器件，通過智能組件實現(xiàn)實時在線分析決策、先進的智能控制及調節(jié)、友好互動等功能[10]。
一次設備智能化提高了信息檢測的準確性及評價體系的科學性，通過分析評估采集到的數(shù)據可提前對可能出現(xiàn)的問題或安全隱患進行處理，具備自診斷功能，提高了設備及系統(tǒng)運行的可靠性，同時智能化建設也為安全維修帶來了便利。
一次設備智能化技術的不斷開拓，將極大地推動智能電網的快速發(fā)展。一次設備高度集成二次功能，具有統(tǒng)一的通信平臺和標準的接口，結構緊湊，運行穩(wěn)定，這也正是智能變電站發(fā)展的方向。
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