高電壓設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)在智能電網(wǎng)中的研究與實(shí)施

拉 貴，扎西曲達(dá)，尼瑪石達(dá)，米瑪次仁，貢嘎羅布

(西藏電力科學(xué)研究院，西藏 拉薩 850000)

0 前言

隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展已成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。電網(wǎng)作為關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)命脈的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)，其發(fā)展已經(jīng)迎來機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的關(guān)鍵時(shí)期。因此期望通過建造能源使用的創(chuàng)新體系，以信息技術(shù)徹底改造現(xiàn)有的能源利用體系，最大限度地開發(fā)電網(wǎng)體系的能源效率［2］。

電力市場化進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及用戶對電能可靠性和質(zhì)量要求的不斷提升，要求未來的電網(wǎng)必須能夠提供更加安全、可靠、清潔、優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)，能夠適應(yīng)多種能源類型發(fā)電方式的需要，能夠更加適應(yīng)高度市場化的電力交易的需要，能夠更加適應(yīng)客戶的自主選擇需要，進(jìn)一步提高龐大的電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率和效益，提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。為此，以美國和歐盟為代表的不同國家和組織不約而同地提出要建設(shè)靈活、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)、友好的智能電網(wǎng)，將智能電網(wǎng)視為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向。隨著中國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化，智能電網(wǎng)已將成為中國電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)新方向［3－6］。

高電壓設(shè)備是電網(wǎng)的基本單元，高壓設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)作為高壓設(shè)備智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是智能電網(wǎng)的重要組成部分，也是區(qū)別傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要標(biāo)志之一。高電壓設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)主要是利用傳感器對關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后把獲得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行收集、整合，最后通過對數(shù)據(jù)的分析、挖掘，達(dá)到對整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化管理。同時(shí)隨著近幾年新技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了在線監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步，為高電壓設(shè)備的智能發(fā)展提供了機(jī)遇［7］。結(jié)合今后中國智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)高電壓設(shè)備狀態(tài)檢測的需要，分析了在線監(jiān)測技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用，探討了區(qū)域電網(wǎng)如西藏電網(wǎng)智能電網(wǎng)建設(shè)中高電壓設(shè)備智能化發(fā)展的具體建議。

1 智能電網(wǎng)的特征及研究進(jìn)展

智能電網(wǎng)是一個(gè)現(xiàn)代化或智能化的電力網(wǎng)絡(luò)，是一系列能使電力網(wǎng)絡(luò)智能化的技術(shù)的總稱。根據(jù)目前收集到的資料和初步研究，智能電網(wǎng)可以理解為是將信息技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和原有的輸、配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成而形成的新型電網(wǎng)，它具有提高能源效率、減少對環(huán)境的影響、提高供電的安全性和可靠性、減少輸電網(wǎng)的電能損耗等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)［7－9］。因此智能電網(wǎng)也是現(xiàn)有輸配電網(wǎng)的智能化升級(jí)。智能電網(wǎng)應(yīng)該具備以下特征［10］。

(1)堅(jiān)強(qiáng)。能夠監(jiān)測電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速診斷和消除故障隱患，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

(2)交互。用戶積極參與電網(wǎng)的運(yùn)行，根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)調(diào)整用電模式;支持用戶使用分布式電源，變電站可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶的用電情況。

(3)環(huán)保。支持分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行，做到“即插即用”;支持風(fēng)力發(fā)電和太陽能等大規(guī)模可再生能源發(fā)電的應(yīng)用，提高電能利用率。

(4)經(jīng)濟(jì)。優(yōu)化資源配置，提高設(shè)備傳輸容量和利用率;控制成本，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

目前，智能電網(wǎng)還處于初期研究階段，國際上尚無統(tǒng)一而明確的定義。由于發(fā)展環(huán)境和驅(qū)動(dòng)因素不同，不同國家的電網(wǎng)企業(yè)和組織都在以自己的方式和理解，對智能電網(wǎng)進(jìn)行研究和實(shí)踐;各國智能電網(wǎng)發(fā)展的思路、路徑和重點(diǎn)也各不相同。因此，智能電網(wǎng)概念本身也在不斷發(fā)展、豐富和明晰中［11－13］。

美國、加拿大以及歐洲各國都相繼開展了智能電網(wǎng)相關(guān)研究，從研究現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程來看，各個(gè)國家和地區(qū)的側(cè)重點(diǎn)不完全相同。對美國來說，對復(fù)雜大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制，是其智能電網(wǎng)發(fā)展最初的驅(qū)動(dòng)，主要側(cè)重于推廣信息化、新能源、新材料和新元件。而對于歐洲智能電網(wǎng)的發(fā)展，嚴(yán)格的溫室氣體排放政策顯然起到了更大的推動(dòng)作用，分布式能源和可再生能源接入研究也相應(yīng)獲得了更多的支持［14］。中國的智能電網(wǎng)建設(shè)，不僅要涵蓋歐、美智能電網(wǎng)的概念和范圍，還要加強(qiáng)骨干電網(wǎng)建設(shè)。2009年5月，中國國家電網(wǎng)公司在2009年特高壓輸電技術(shù)國際會(huì)議上宣布了中國智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，明確提出建立一個(gè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的各級(jí)電網(wǎng)高度協(xié)調(diào)發(fā)展的智能電網(wǎng)［3－4］。

2 在線監(jiān)測技術(shù)在智能電網(wǎng)中的研究與應(yīng)用

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)將進(jìn)一步拓展對電網(wǎng)全景信息的獲取能力，比如通過在線監(jiān)測技術(shù)能夠獲得更精確的高壓設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，應(yīng)用專家分析診斷系統(tǒng)，可準(zhǔn)確估測設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，預(yù)測故障，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性［15］。

中國自開始研究智能電網(wǎng)以來，十分重視在線監(jiān)測技術(shù)在未來智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。先后與國內(nèi)主要高壓設(shè)備制造商、設(shè)備在線監(jiān)控技術(shù)供應(yīng)商和高等院校進(jìn)行了交流，在多年從事高壓設(shè)備檢測和診斷技術(shù)的基礎(chǔ)上，對在線監(jiān)測技術(shù)在智能電網(wǎng)中的作用進(jìn)行了更加清晰的分析和定位［7］。認(rèn)為在線監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中高壓設(shè)備狀態(tài)的可視化和自動(dòng)化，為智能電網(wǎng)提供了最基礎(chǔ)的功能支撐。

對于在線監(jiān)測技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，需要考慮到所應(yīng)用的技術(shù)應(yīng)具有通過傳感器自動(dòng)采集設(shè)備狀態(tài)信息的能力，同時(shí)應(yīng)具有上傳采集信息到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)復(fù)制其他狀態(tài)信息的能力，包括家族缺陷信息、現(xiàn)場試驗(yàn)信息等，便于開展設(shè)備狀態(tài)的綜合分析和診斷。在不影響測量和可靠性的前提下，宜采用外置型傳感器，確需內(nèi)置的，僅內(nèi)置最必要部分。不論內(nèi)置或外置，傳感器的接入應(yīng)不影響高壓設(shè)備的安全運(yùn)行。

變壓器、斷路器、GIS、電力電纜、高壓套管等高壓設(shè)備，或故障率相對較高，或故障影響較大，因此在智能電網(wǎng)建設(shè)中具備了在線監(jiān)測的需求。另一方面，對于這些設(shè)備，可用的在線監(jiān)測技術(shù)已有一定的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，具備開展高壓設(shè)備智能化應(yīng)用的基本條件。因此可以針對不同設(shè)備的故障模式與特點(diǎn)，可以逐步開展在線監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用，具體實(shí)施原則是在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)具有檢測價(jià)值、技術(shù)相對成熟并有一定應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。對于油浸式電力變壓器，目前可推薦的監(jiān)測狀態(tài)參量如表1 所示。對于SF6斷路器以及GIS 設(shè)備而言，可監(jiān)測的狀態(tài)量如表2 所示，其中備注為GIS 的僅適用于GIS 設(shè)備。

傳感器將設(shè)備的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為可測量信息，是設(shè)備狀態(tài)的感知元件。以前高壓設(shè)備制造商很少關(guān)注設(shè)備的狀態(tài)檢測功能，大多數(shù)檢測功能是設(shè)備投運(yùn)之后由監(jiān)測技術(shù)提供商加裝的。由于一部分傳感器需要改裝高壓設(shè)備，這不僅或多或少地影響了設(shè)備的安全，傳感器也往往不能置于最佳位置。對于外置傳感器，雖然不需改裝主設(shè)備，但影響設(shè)備的美觀甚至外絕緣。還有部分傳感器，一旦設(shè)備制造完畢，就無法植入，如變壓器繞組光纖測溫等。綜合這些情況，首先應(yīng)從高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)開始就考慮在線監(jiān)測技術(shù)的需求，對需要內(nèi)置的傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮，制造時(shí)就安裝好，且有規(guī)范的信號(hào)接口，出廠試驗(yàn)時(shí)應(yīng)帶著傳感器進(jìn)行。對于外置傳感器，應(yīng)留有專門的安裝位置，或者也由高壓設(shè)備制造商集成。這樣處理之后，不僅設(shè)備的整體性和美觀方面得到改進(jìn)，也會(huì)提升自檢測的質(zhì)量，保障高壓設(shè)備的安全。

表1 油浸式變壓器監(jiān)測狀態(tài)參量

表2 SF6斷路器(含GIS)監(jiān)測狀態(tài)參量

3 在線監(jiān)測技術(shù)在智能電網(wǎng)中的具體實(shí)施

為了在區(qū)域電網(wǎng)中，比如在西藏電網(wǎng)中積極推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，利用在線監(jiān)測技術(shù)對高壓設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備可觀測、可控制和自動(dòng)化，可分3 個(gè)階段開展實(shí)施西藏電網(wǎng)的智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測建設(shè)。第一階段為規(guī)劃試點(diǎn)階段，大約1～2年時(shí)間，主要開展高壓設(shè)備在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)和可靠性水平的在線智能監(jiān)測和評(píng)估，開展智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)試點(diǎn)。針對高壓設(shè)備全面采集能夠反映系統(tǒng)主設(shè)備運(yùn)行的電脈沖、氣體生成物、局部過熱等各種特征量，進(jìn)行相關(guān)參量數(shù)字信息的采集，進(jìn)而根據(jù)電網(wǎng)需求進(jìn)行相關(guān)的狀態(tài)預(yù)判，保證設(shè)備安全和供電的可靠性。能夠監(jiān)測高壓設(shè)備的狀態(tài)參量有:主變壓器與高壓電抗器(油中溶解氣體分析)、GIS(SF6氣體密度、微水含量、局部放電)、避雷器(泄漏電流、動(dòng)作次數(shù))等，為開展智能變電站狀態(tài)監(jiān)測積累經(jīng)驗(yàn)。

第二階段為全面推廣階段，大約5年時(shí)間，在第一階段基礎(chǔ)上，全面推廣智能變電站在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。變電站內(nèi)分散的監(jiān)控系統(tǒng)基本融為一體，進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，深化基于狀態(tài)的全壽命周期管理，建立精益化的評(píng)估體系，基本完成變電站全方位、多層次監(jiān)控的智能化變電站系統(tǒng)。基本實(shí)現(xiàn)的主要監(jiān)測特征量有:主變壓器與高壓電抗器(油中溶解氣體分析、局部放電、鐵心接地電流、高壓套管的介損、油中微水含量等)、斷路器(SF6壓力、溫升、機(jī)械特性、過熱)、GIS(SF6壓力、溫度、微水含量、局部放電、機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械特性)、避雷器(泄漏電流、動(dòng)作次數(shù))等。高壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測基本實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)、集成在線監(jiān)測功能。

第三階段為引領(lǐng)提升階段，大約也為5年時(shí)間。在前一階段智能化建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)完善基礎(chǔ)上，繼續(xù)提升智能化水平。樞紐及中心變電站全面建成或更新改造成為智能變電站。變電站內(nèi)各監(jiān)控系統(tǒng)全面融為一體，全面實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備的智能在線監(jiān)測，形成變電站全方位、多層次監(jiān)控的智能化變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對設(shè)備的可靠性做出判斷，對設(shè)備的剩余壽命做出預(yù)測，應(yīng)用專家分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備的智能狀態(tài)檢修。在智能設(shè)備廣泛實(shí)用的基礎(chǔ)上，對設(shè)備的檢修模式進(jìn)一步優(yōu)化，電網(wǎng)可靠性水平和檢修效率大幅度提高。

4 結(jié)論

介紹了智能電網(wǎng)的基本特征及研究進(jìn)展，結(jié)合今后中國智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)高電壓設(shè)備狀態(tài)檢測的需要，提出了高電壓設(shè)備智能狀態(tài)檢測的分階段實(shí)施的具體建議，為今后規(guī)模化的智能電網(wǎng)建設(shè)提供可借鑒的參考。

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