智能電網及高壓開關設備技術發展

周 華 孟 晨 張戰軍 華 飛 王鵬飛

（西安西電開關電氣有限公司，西安 710077）

1 引言

智能電網（Smart Grid）是當今世界電力系統發展變革的最新動向，被認為是21世紀電力系統的重大科技創新和發展趨勢。

盡管各國專家針對電力工業應致力于提高電網智能化水平及等級已經達成共識，但是，智能電網還處于初期研究階段，國際上尚無統一而明確的定義。由于發展環境和驅動因素不同，不同國家的電網企業和組織都在以自己的方式來理解智能電網，對智能電網進行研究和實踐，各國智能電網發展的思路、路徑和重點也各不相同。因此智能電網概念本身也在不斷發展、豐富和明晰中。

我國電網專家認為，智能電網是以包括發電、輸電、配電和用電各環節的電力系統為對象，不斷研發新型的電網控制技術、信息技術和管理技術，并將其有機結合，實現從發電到用電所有環節信息的智能交流，系統地優化電力生產、輸送和使用。

智能電網的主要特征為自愈、安全、經濟、清潔，能夠提供適應未來經濟社會發展需要的優質電力與服務。

自愈－實時掌控電網運行狀態，及時發現、快速診斷和消除故障隱患；在盡量少的人工干預下，快速隔離故障、自我恢復，避免大面積停電的發生，提升電網運行的可靠性。

安全－更好地對人為或自然引發的擾動做出辨識與反應。在自然災害、外力破壞和計算機攻擊等不同情況下，保證人身、設備和電網的安全。

經濟－支持電力市場競爭的要求，優化配置資源；提高設備傳輸容量和利用率，有效控制成本，實現電網經濟運行。

清潔－既能適應大電源的集中接入，也能對分布式發電方式友好接入，做到“即插即用”。支持風電、太陽能等可再生能源的大規模應用，滿足電力與自然環境、經濟社會和諧發展的要求。

優質－實現與用戶的智能互動，以友好的方式、最佳的電能質量和供電可靠性滿足用戶的需求，向用戶提供優質服務。

由以上不同國家對智能電網的理解，概括地講，智能電網指的是電力系統綜合傳統的和前沿的電力工程、復雜的感應和監控技術、信息技術和通訊技術以提高電網運行效率并支持客戶端廣泛的附加服務的新型電網。

智能電網在廣義上包括可以優先使用清潔能源的智能調度系統、可以動態定價的智能計量系統以及通過調整發電、用電設備功率優化負荷平衡的智能技術系統。

2009年8月25日，國網智能電網部在西安召開了《智能電網用輸變電設備技術研討會》，會上智能電網部介紹了國網對智能電網的思考、規劃。

表1

2 智能變電站的定義和特征

智能變電站是堅強智能電網的重要基礎和支撐。按照“統一規劃、統一標準、統一建設”的原則，為指導智能變電站建設，國家電網公司組織編寫了《智能變電站技術導則》。

該導則編制的出發點是強調集成、靈活、互動、優化、管理。導則汲取IEC61850功能自由分布、邏輯設備、邏輯節點等先進理念，結合一二次設備出現融合的趨勢，提出電力系統中“設備”的新概念，“設備”消除了傳統的一二次設備的劃分，其不但具有傳輸和分配電能的主設備本體，還具有測量、控制、保護、計量等功能。各功能的物理形態以智能組件方式體現，組件又是一個靈活的概念，可以由一個完成所有功能，也可以分散獨立完成，可以外置于主設備本體之外，也可以內嵌于主設備本體之內。上述概念既考慮了傳統一二次設備的現狀，也考慮了未來的發展趨勢。

導則作為智能變電站建設與在運變電站智能化改造的指導性規范，規定了智能變電站的相關術語和定義，明確了智能變電站的技術原則和體系架構，提出了設備層、系統層及輔助設施的技術要求，并對智能變電站的設計、調試驗收、運行維護、檢測評估等環節作出了規定。適用于110kV（包括66kV）級以上電壓等級智能變電站。

智能變電站smart substation是采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站。

3 智能設備的定義和特征

根據國家電網公司建設堅強智能電網的戰略布局和試點建設智能變電站的具體要求，2009年11月20日，國網智能電網部與中國電科院、各網省公司、顧問集團公司、西電集團、平開、沈變等在北京召開了《智能高壓一次設備技術導則》送審稿審查會。

該導則就高壓設備智能化的技術特征、硬件結構、基本技術要求和應用原則進行了簡明闡述，適用于110kV（包括66kV）級以上電壓等級智能變電站的建設和改造，也可供高壓設備制造商及國內其他相關企業參考。

智能設備是由高壓設備、傳感器、控制器和智能組件組成的一個有機整體，具有狀態可視化、測量數字化、控制網絡化、功能一體化和信息互動化的主要特征。

智能組件是承擔宿主設備相關測量、控制、計量、檢測、保護等全部或部分功能的智能電子裝置集合，是高壓設備智能化的核心部件。智能組件通過網絡連接至系統層，實現與站內其他設備和調度系統的信息交互。

智能設備由高壓設備和智能組件組成。高壓設備與智能組件之間通過傳感器和控制器組成一個有機整體。智能組件可以集成測量、控制、計量、檢測、保護等全部或部分功能。

4 開關設備的技術發展

近年來隨著我國電網向大容量、特高壓方向的發展，樞紐電站關鍵設備的可靠性直接決定了電力系統的穩定性和供電可靠性，因此電力設備智能化是電力技術發展的歷史必然。

智能電力設備以測量數字化、信息互動化、狀態可視化、控制網絡化、功能一體化為基本特征，支撐智能電網的自動控制、智能調節、實時決策和協同互動，以實現電網運行安全可靠、資源節約和環境友好的目標。

通常情況下，對開關設備外部狀態的判斷是比較直觀的，當設備運行中出現的狀態惡化和缺陷時，消除也是相對容易的，在現場便可更換失效的零部件，恢復設備的原有功能。對于運行中的開關設備內部狀態（包括絕緣狀態、導電及滅弧元件的燒蝕狀態等）的診斷和缺陷的消除通常十分困難，因為現場條件受到限制，很難進行解體檢修。

研究應用先進的電子技術、傳感器技術、通信技術、數據庫管理等技術不僅對運行中的高壓斷路器進行實時機械、絕緣等方面在線監測集成（包括SF6氣體狀態監測、斷路器機械特性的在線監測、斷路器機構狀態的監測、局放狀態監測）、而且對研究應用的運行參數和開關設備內部狀態在線監測數據進行多參量綜合狀態分析整合，才能真正實現高壓設備實時健康狀態結果的傳輸。

（1）智能高壓開關設備模型及體系結構研究

智能高壓開關設備是智能電網控制的基礎，研究開發高壓開關設備智能組件，使智能開關具有自監測、自診斷和自控制的能力，為實現電網安全穩定協調控制提供技術基礎。為了更好地控制研發、設計、運行和檢修，對開關類設備結構建立完整、清晰的描述模型，設備結構狀態信息的可識別性是智能高壓開關研制的關鍵。研究嵌入式多元智能傳感器陣列技術，建立設備研發、測試、型式試驗、大修、故障處理等數據庫，實現設備狀態關鍵特征量的時-空域綜合監測。研究故障機理和故障信息傳播模型，利用有限測點信息，反演或推測故障發展過程。建立統一的開關設備故障分析模型，基于監測信息、運行工況和環境信息，實現對故障源的綜合診斷和定位，形成對設備狀態的整體描述。

（2）智能高壓開關設備狀態檢測及診斷技術研究

研究開關設備的運行狀態檢測診斷技術，建立開關設備典型故障指紋特征及指紋庫。建立快速有效的開關狀態診斷算法，實現對設備健康狀態的實時分析。通過信息與應用的集成融合，建設設備狀態全景信息綜合監視平臺，獲得更全面細致的開關設備狀態視圖，實現對信息的深入分析和優化，為運行控制和檢修決策的提供依據。

（3）智能高壓開關設備運行維護技術

事故的早期預警對復雜系統而言是非常困難的，智能技術能夠充分利用經驗累積的優勢實現可靠預警。研究開關設備可靠性參數隨運行年限、運行經歷、負載狀態等相關因素的變化關系，建立智能開關設備的可靠性模型、算法和指標體系，系統研究開關設備可靠性對智能電網規劃、設計、運行風險控制與維修決策的影響。研究狀態監測、檢修管理、運行監控和電網安全防御等信息系統的多維度無縫集成技術，基于決策信息的高度共享，形成電網全局最優決策。通過分析設備的健康水平，為設備運行安排和檢修決策提供指導，實現資產投資規劃、采購、建設、運行、維護和退役處置的全壽命周期優化管理。

5 結論

自主開發的新一代智能GIS的問世，在實現智能電力設備產品產業化，實現社會分工和社會化大生產，以致形成強競爭力的智能產業起著積極的推動作用。無論基于對現有設備的運行、維護、管理效益，還是基于對未來電力技術發展和變革的巨大市場，都具有巨大的經濟和社會效益。