智能电网及高压开关设备技术发展

2010-03-19张战军王鹏飞

电气技术 2010年8期

周华孟晨张战军华飞王鹏飞

（西安西电开关电气有限公司，西安 710077）

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 智能变电站的定义和特征

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑。按照“统一规划、统一标准、统一建设”的原则，为指导智能变电站建设，国家电网公司组织编写了《智能变电站技术导则》。

该导则编制的出发点是强调集成、灵活、互动、优化、管理。导则汲取IEC61850功能自由分布、逻辑设备、逻辑节点等先进理念，结合一二次设备出现融合的趋势，提出电力系统中“设备”的新概念，“设备”消除了传统的一二次设备的划分，其不但具有传输和分配电能的主设备本体，还具有测量、控制、保护、计量等功能。各功能的物理形态以智能组件方式体现，组件又是一个灵活的概念，可以由一个完成所有功能，也可以分散独立完成，可以外置于主设备本体之外，也可以内嵌于主设备本体之内。上述概念既考虑了传统一二次设备的现状，也考虑了未来的发展趋势。

导则作为智能变电站建设与在运变电站智能化改造的指导性规范，规定了智能变电站的相关术语和定义，明确了智能变电站的技术原则和体系架构，提出了设备层、系统层及辅助设施的技术要求，并对智能变电站的设计、调试验收、运行维护、检测评估等环节作出了规定。适用于110kV（包括66kV）级以上电压等级智能变电站。

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。

3 智能设备的定义和特征

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、基本技术要求和应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。

4 开关设备的技术发展

近年来随着我国电网向大容量、特高压方向的发展，枢纽电站关键设备的可靠性直接决定了电力系统的稳定性和供电可靠性，因此电力设备智能化是电力技术发展的历史必然。

智能电力设备以测量数字化、信息互动化、状态可视化、控制网络化、功能一体化为基本特征，支撑智能电网的自动控制、智能调节、实时决策和协同互动，以实现电网运行安全可靠、资源节约和环境友好的目标。

通常情况下，对开关设备外部状态的判断是比较直观的，当设备运行中出现的状态恶化和缺陷时，消除也是相对容易的，在现场便可更换失效的零部件，恢复设备的原有功能。对于运行中的开关设备内部状态（包括绝缘状态、导电及灭弧元件的烧蚀状态等）的诊断和缺陷的消除通常十分困难，因为现场条件受到限制，很难进行解体检修。

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传输。

（1）智能高压开关设备模型及体系结构研究

智能高压开关设备是智能电网控制的基础，研究开发高压开关设备智能组件，使智能开关具有自监测、自诊断和自控制的能力，为实现电网安全稳定协调控制提供技术基础。为了更好地控制研发、设计、运行和检修，对开关类设备结构建立完整、清晰的描述模型，设备结构状态信息的可识别性是智能高压开关研制的关键。研究嵌入式多元智能传感器阵列技术，建立设备研发、测试、型式试验、大修、故障处理等数据库，实现设备状态关键特征量的时-空域综合监测。研究故障机理和故障信息传播模型，利用有限测点信息，反演或推测故障发展过程。建立统一的开关设备故障分析模型，基于监测信息、运行工况和环境信息，实现对故障源的综合诊断和定位，形成对设备状态的整体描述。

（2）智能高压开关设备状态检测及诊断技术研究

研究开关设备的运行状态检测诊断技术，建立开关设备典型故障指纹特征及指纹库。建立快速有效的开关状态诊断算法，实现对设备健康状态的实时分析。通过信息与应用的集成融合，建设设备状态全景信息综合监视平台，获得更全面细致的开关设备状态视图，实现对信息的深入分析和优化，为运行控制和检修决策的提供依据。

（3）智能高压开关设备运行维护技术

事故的早期预警对复杂系统而言是非常困难的，智能技术能够充分利用经验累积的优势实现可靠预警。研究开关设备可靠性参数随运行年限、运行经历、负载状态等相关因素的变化关系，建立智能开关设备的可靠性模型、算法和指标体系，系统研究开关设备可靠性对智能电网规划、设计、运行风险控制与维修决策的影响。研究状态监测、检修管理、运行监控和电网安全防御等信息系统的多维度无缝集成技术，基于决策信息的高度共享，形成电网全局最优决策。通过分析设备的健康水平，为设备运行安排和检修决策提供指导，实现资产投资规划、采购、建设、运行、维护和退役处置的全寿命周期优化管理。