智能電網中二次設備發展

文／國家電網中國電力技術裝備有限公司 周逢權／

智能電網從根本上講是將信息技術與傳統電網高度“融合”，從而極大地提升電網的信息感知、信息互聯和智能控制能力，提高電網品質，實現各種新的應用。因此，它需要進行大量信息采集，并通過龐大通信網絡，形成實時、高速、雙向的信息流，采用開放的系統和共享的信息模式，促進電力流、信息流、業務流的高度融合和統一，以保證包括從需求側設施到廣泛分散的分布式發電再到電力市場的整個電力系統及相關環節的正常運行，支撐各類業務正常運轉。

一、智能電網引起的變化

智能電網采用感知、嵌入處理和數字通信技術，使電網具有可見性、可控性、自動化以及完全集成的功能。

埃森哲認為智能電網實現智能的方法：

（1）控制：多代理系統；高級變電站自動化；高級配電自動化；Web服務和網絡計算。

（2）決策：準自治軟件；高級模式識別；高級可視化方法；數值氣象預報。

（3）通信：第二代互聯網；光纖以太網；電力寬帶；3G及4G無線通訊技術；新型無線網絡技術。

（4）采集：線路在線測溫；無線智能電網信息感應器；光纖PT和CT；無線智能設備狀態感應器；客戶門戶。

（5）設備：分布式微網；高效率的綠色分布式電源；高級儲能系統；高級電網控制設備；高級大容量導體。

二、二次設備的重新定義

1 智能電網與物聯網

智能電網從根本上講是將信息技術與傳統電網高度“融合”，從而極大地提升電網的信息感知、信息互聯和智能控制能力，提高電網品質，實現各種新的應用。因此，它需要進行大量信息采集，并通過龐大通信網絡，形成實時、高速、雙向的信息流，采用開放的系統和共享的信息模式，促進電力流、信息流、業務流的高度融合和統一，以保證包括從需求側設施到廣泛分散的分布式發電再到電力市場的整個電力系統及相關環節的正常運行，支撐各類業務正常運轉。

另一方面，電網和電力系統以及相關物品與設備等滿足物聯網的各種特征，且電力系統的自動化水平與信息化水平高，基礎通信條件好，有利于推進物聯網應用的快速發展，是物聯網的重要應用領域。目前，智能電網目標明確，需求清晰，預期效果明顯。智能電網的發展與建設將成為拉動物聯網產業，甚至整個信息通信產業（ICT）發展的強大驅動力，并有力影響和推動其他行業的物聯網應用和部署進度，進而提高我國工業生產、行業運作和公眾生活等各個方面的信息化水平。

2 傳感與量測技術與傳感器

傳感與量測技術在智能電網系統監測、分析、控制中起著基礎性作用，提高了智能電網的可觀測性。傳感與量測技術將在智能電網中得到廣泛應用，涉及新能源發電、輸電、配電、用電等眾多領域。

傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置。智能電網使用的傳感器包括傳統傳感器、光纖傳感器以及新興的智能傳感器等。傳統傳感器包括電流/電壓傳感器、氣體傳感器、超高頻傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器、風速和風向傳感器等。

傳感器技術已經從過去的單一化向集成化、微型化和網絡化方向發展，傳感器網絡作為物聯網的一種表現形式已開始得到應用，傳感器網絡的基本要素是傳感器、感知對象和觀察者。傳感器之間、傳感器與觀察者之間通過有線或無線網絡進行通信。

3 新能源發電與物聯網的關系

大規模新能源發電場的狀態監控和量測離不開使用大量傳感器，例如：傳感技術開始用于檢測和優化風力發電風輪系統。這些風輪通常體積巨大，又安裝在比較遙遠的地點。監視工程師需要實時了解這些風輪的狀態。傳感器通常在風輪組裝的時候很容易安裝在風輪上。

4 智能輸變電與物聯網的關系

智能變電環節是智能電網中一個十分重要的環節，特別是設備狀態檢修，資產全壽命管理，變電站綜合自動化。利用物聯網的相關技術，可以提高電網變電環節的自動化和數字化水平、設備檢修模式以及設備狀態自動診斷，提高電網變電環節各方面的技術水平。

輸電線路狀態在線監測是物聯網的重要應用之一。采用不同的傳感器可以監測包括微風振動、風偏、線路舞動、線路溫度、線路覆冰、桿塔傾斜等輸電線路狀態，環境溫度、風速、障礙物距離、危險接近等。

對于調度來說，采用物聯網技術可以全面有效地對電力傳輸的整個系統，從電廠、變電站、高壓輸電線路直至用戶終端進行智能化處理。包括對電力系統運行狀態的實時監控和自動故障處理，確定電網整體的健康水平，觸發可能導致電網故障發展的早期預警，確定是否需要立即進行檢查或采取相應的措施，分析電網系統的故障、電壓降低、電能質量差、過載和其他不希望的系統狀態，基于這些分析，采取相應控制行動。

5 智能配電與物聯網的關系

物聯網在配電網設備狀態監測、預警與檢修方面的應用主要有：

（1）對配電網關鍵設備的環境狀態信息、機械狀態信息、運行狀態信息的感知與監測；

（2）配電網設備安全防護預警；

（3）對配電網設備故障的診斷評估和配電網設備定位檢修等方面。

（4）例如物聯網技術可用于智能配電網的現場作業管理以及智能巡檢。

6 智能用電與物聯網的關系

隨著智能電網的快速發展，智能用電將快速實現電網與用戶的雙向互動，供提高電可靠率與用電效率，大量分布式電源、微網、電動汽車充放電系統、大范圍應用儲能設備接入電網，這些都需要物聯網技術的支撐。

物聯網技術在智能用電環節擁有廣泛應用空間，例如∶智能表計及高級量測、智能插座、智能用電交互與智能用電服務；電動汽車及其充電站的管理；綠色數據中心與智能機房；能效監測與管理和電力需求側管理等。

7 智能電力物聯網傳感器

面向智能電網運行與設備制造的實際需求，充分利用已有技術成果，研制基于電力物聯網的電流/電壓傳感器、氣體傳感器、超聲波傳感器、超高頻傳感器、光學傳感器、溫濕度傳感器與壓力傳感器、震動傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器、角度傳感器、紅外傳感器、集成溫濕度傳感器、風速和風向傳感器、行波傳感器、煙霧傳感器、日照強度傳感器、圖像傳感器、傾斜角傳感器、感應報警傳感器、微波感應傳感器、氣敏傳感器、聲表面波傳感器、絕緣子傳感器等擁有自主知識產權的智能電網系列專用智能感知裝備，推動物聯網技術和智能感知裝備的大力發展，滿足我國面向智能電網的物聯網應用的信息采集前端產品需求。

三、控制保護領域的突破

1 主網保護的變化

主網保護是利用先進的光纖通信技術、計算機技術、傳感技術、繼電保護及控制、電網運行等技術，基于IEC61850標準，并將其擴展到調度層面，將調度范圍內的保護集中配置，實現電網的調度自動化與保護控制的一體化，并按照三級調度（國調、省調、地調）配備。其通俗的含義是基于變電站信息共享標準化、傳輸網絡化特征，將區域電網內多變電站信息傳輸至監控中心，集中實現繼電保護及自動化/監控功能的系統。它的基本特性是大大簡化了變電站內的二次系統，實現了定值免整定，促進了調控一體化建設。

2 網絡保護的概念

1）現有技術背景

（1）傳統后備保護定值整定和配合困難；

（2）基于IEC61850-9-2協議的數據共享采樣傳輸技術；

（3）支持IEEE1588時間同步協議的技術及設備發展成熟；

（4）智能電網和智能變電站、調控一體化技術的發展促進了對網絡化保護的關注和研究。

2）主要特征

（1）站內設備一次化：變電站測量和智能組件與一次設備整合一體化安裝。

（2）保護監控集成化：按照調度管理范圍變電站的繼電保護與自動化系統功能全部上移至調度控制中心并集中完成。

（3）調度控制一體化：調控一體化與變電站自動化系統一體化設計，實現一體化保護、監測與控制。

（4）電網運行智能化：利用全景實時信息，實現對電網的智能化監測、保護、控制、計量及運行檢修管理。

3 網絡保護對現有系統的變革

1）電子式互感器、通信網絡技術的優越特性，使繼電保護、自動化、通信、計量等二次專業融為一體，不可分割，必然帶來運行管理方式的變化，促進了“大二次”的建設。

2）繼電保護定值免整定。解決了繼電保護整定計算周期較長，后備保護長期難以配合而帶來的安全隱患。

3）繼電保護由面向元件轉變為面向系統，并實現高度集成集中配置，解決二次設備較多，配置不靈活，不能適應分布式電源接入，不能實現環網運行等諸多問題。

4 網絡保護完成的目標

1）變電站內建設一次化，一次設備智能化，數據傳輸網絡化，二次設備集成化。取消變電站級繼電保護設備及其他二次設備，只保留網絡設備和電源系統。

2）二次測量、智能單元、合并單元、在線監測組件與一次設備集成，實現標準化配置；變電站建設實現模塊化。

3）保護控制策略上升到系統調度層面，全面提高繼電保護和控制性能，提高系統運行的安全性和可靠性。

4）繼電保護主保護全部采用原理簡單、性能可靠的差動保護，后備保護實現免整定，從而自適應系統擴建、新能源分布式接入、環網運行等變化。

5）采用網絡化計量，實現網損、 線損的在線動態監測與分析，全面提升電網管理水平。

6）調度數據由秒級提升到亞秒級，使系統分析、預警、控制具備實時性，可實現調度策略的實時在線調控，智能調度。

7）低頻減載、聯機切負荷、備自投等裝置實現控制量自由組合，在調度集中設置，實現調度安全自動控制和倒閘操作的順序控制。

8）建立設備狀態專家系統和RFID電子化標簽系統，可實現設備全生命周期管理，實現設備檢修的自動化管理。

5 網絡保護系統解決方案

1）變電站設備

采用測量、智能單元、合并單元、一段保護（基于參數測量技術，保護范圍達95%，通信故障時投入）一體化的綜合智能裝置，雙重化配置，并與一次設備整合。

2）區域保護配置

（1）將區域電網整體視為保護對象；

（2）主保護故障隔離范圍定義為直接與故障點相連的所有開關，用這些開關CT做多端差動保護，保護動作時跳開與故障點相連的所有開關；

（3）當開關CT異常或開關失靈時投入后備擴大差動保護；

（4）根據開關失靈狀態自動隔離失靈開關，迅速恢復供電。

6 配電網供電結構變化趨勢

1）輻射網供電

2）雙環網供電

3）智能小區集中保護

集中保護與智能終端配合快速實現配電線路閉環運行的故障區段識別和故障隔離。

智能配電站系統（非實時處理）：根據配電網的實時拓撲結構，生成網絡化差勁算法定值整定文件；生成恢復重構定值整定文件；下載到集中式保護控制裝置。

集中式保護控制裝置（實時處理）：接受終端上送矢量值和狀態信息；根據定值整定進行網絡化差動運；根據恢復整定進行開關操作；上送故障信息。

智能終端（實時處理）：采集電壓電流及開關位置等狀態信息；接受集中式保護控制裝置跳合閘命令；根據整定完成后備保護功能；上送故障信息及其他運行信息。

4）定制電力—提高供電可靠性

利用低壓固態開關SSTS實現雙回路供電的快速切換，提高電力供電可靠性

5）定制電力—提高電能質量

利用DSTATCOM快速連續提供容性和感性無功功率，實現電壓和無功功率控制，保障電力系統穩定、高效、優質地運行

利用UPQC同時補償無功、諧波電流、諧波電壓，提高母線電能質量,并配合分布式電源實現重要負荷的不間斷供電。

四、計量領域的突破帶來的變革

1 能源計量體系的變革，如右圖所示。

2 基于物聯網技術的網絡計量

（1）實時監測每個電器的耗電量；

（2）提供更加詳盡的用電信息；

（3）用戶用電行為模式分析；

（4）電器智能控制。

五、總結

新一代智能電網具有能源生產形式多樣化、能源消費有序化、管理分層化的內涵；新能源、多能源交通工具的使用，分布式能源的廣泛接入，實現能源的高效利用；新型通信技術、自動控制技術、物聯網技術、節能環保技術等一體的新型集成系統，為人們提供綠色、清潔、健康、環保、便捷的工作生活環境，實現人類活動與環境的和諧發展。