智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備工程應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

張一茗 陳志勇

（河南平高電氣股份有限公司 河南 平頂山 467001）

0 前言

智能電網(wǎng)建設(shè)將成為我國(guó)未來(lái)10年的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域［1］。智能電網(wǎng)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備提出了新的技術(shù)要求，傳統(tǒng)的高壓開(kāi)關(guān)已不能滿足智能電網(wǎng)建設(shè)的需求，迫切需要研發(fā)智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備。智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備肩負(fù)著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)輸變電系統(tǒng)的控制和保護(hù)作用，是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)輸變電系統(tǒng)中最重要的關(guān)鍵設(shè)備之一。

本文根據(jù)智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)展的特點(diǎn)，結(jié)合《高壓設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則》，針對(duì)智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備具體情況，闡述了作為智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備支撐的智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備主要特點(diǎn)及在工程應(yīng)用中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化的基本特征

1.1 測(cè)量數(shù)字化［2］

對(duì)智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備及其部件的相關(guān)參量進(jìn)行就地?cái)?shù)字化測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可根據(jù)需要發(fā)送至站控層網(wǎng)絡(luò)或/和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，用于高壓設(shè)備及其部件的運(yùn)行與控制。所屬參量包括開(kāi)關(guān)設(shè)備分、合閘位置、氣室壓力、操作壓力、一次電流、電壓信號(hào)等。通常由測(cè)量IED完成，是智能組件功能的一部分。

1.2 控制網(wǎng)絡(luò)化［2］

基于DL/T 860，實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能控制。主要完成本間隔內(nèi)斷路器以及隔離刀閘、接地刀閘的操作控制和狀態(tài)監(jiān)視，直接或通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)基于GOOSE服務(wù)發(fā)布采集信息；直接或通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)基于GOOSE服務(wù)接收指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器完成控制功能，并具有防誤操作功能。通常由開(kāi)關(guān)設(shè)備控制器完成。

1.3 狀態(tài)可視化［2］

狀態(tài)可視化由智能組件基于聚合信息、經(jīng)綜合分析并通過(guò)信息互動(dòng)實(shí)現(xiàn)。通常由監(jiān)測(cè)主IED來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)與站控層設(shè)備（如站監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置和站信息監(jiān)測(cè)子站等）進(jìn)行信息交互，支持電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行。

1.4 功能一體化［2］

將傳感器（包括電子式互感器）與開(kāi)關(guān)設(shè)備本體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)也將智能組件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，促進(jìn)一次設(shè)備和二次設(shè)備的融合，保證智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的整體性能。

1.5 信息互動(dòng)化［2］

信息互動(dòng)化包括智能組件內(nèi)各IED之間、智能組件與站控層設(shè)備之間以及智能組件之間的信息交互，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控、電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行、狀態(tài)檢修和全壽命周期成本管理等智能化功能。

2 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 傳感器（包含電子式互感器）的集成問(wèn)題

傳感器將高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量信息，是設(shè)備狀態(tài)的感知元件，在自監(jiān)測(cè)功能中具有關(guān)鍵作用。以往傳感器大多數(shù)是在定型的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)品上由監(jiān)測(cè)廠家或業(yè)主加裝的，未能充分考慮加裝傳感器對(duì)主設(shè)備絕緣安全影響，以及開(kāi)關(guān)設(shè)備本體運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾、振動(dòng)對(duì)傳感器的影響。綜合這些情況，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化應(yīng)從高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)始，充分考慮自監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)不同傳感器進(jìn)行分類(lèi)：對(duì)需要內(nèi)置的傳感器，例如局放傳感器，在傳感器選型以及安裝設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)根據(jù)高壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)與仿真計(jì)算相結(jié)合來(lái)確定傳感器與高壓開(kāi)關(guān)本體一體化的技術(shù)方案，達(dá)到滿足高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備主絕緣要求的目的，同時(shí)既滿足傳感器監(jiān)測(cè)精度的要求又兼顧智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性；對(duì)于外置傳感器，在滿足使用要求的前提下，盡量使多種傳感器小型化和集成化。無(wú)論內(nèi)置傳感器還是外置傳感器，都應(yīng)由高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備制造企業(yè)集成設(shè)計(jì)，在出廠試驗(yàn)時(shí)，傳感器應(yīng)安裝在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試，可以大幅提高傳感器與開(kāi)關(guān)設(shè)備集成的安全性與可靠性。

2.2 電子式互感器可靠性問(wèn)題

電子式互感器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓、電流測(cè)量的數(shù)字化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化，具有無(wú)磁飽和、頻率響應(yīng)范圍寬、精度高、暫態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了保護(hù)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因此，在智能變電站的試點(diǎn)工程中，被大量應(yīng)用。同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)為電子式互感器采用了一些光學(xué)器件和電子器件等相對(duì)易耗元件，現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行的運(yùn)行時(shí)間又不長(zhǎng)，具有一定的故障率(尚處于產(chǎn)品的早期故障階段)[3]，其穩(wěn)定性和可靠性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)電子式互感器可靠性的研究?jī)H限于事前和事中分析階段，且主要是在事前研究階段。雖然電子式互感器能夠通過(guò)自身相關(guān)型式試驗(yàn)，但與開(kāi)關(guān)設(shè)備一體化后，增加了電子式互感器運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，特別是振動(dòng)、電磁干擾以及高低溫的影響。因此，在繼續(xù)加強(qiáng)電子式互感器可靠性研究的同時(shí)，有必要將互感器與高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備作為一個(gè)整體進(jìn)行性能試驗(yàn)，特別是對(duì)于高電壓等級(jí)開(kāi)關(guān)設(shè)備，更需要找出影響電子式互感器可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)采集共享問(wèn)題

在智能高壓開(kāi)關(guān)工程應(yīng)用中，為了系統(tǒng)安全，智能控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能采用兩套獨(dú)立的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)采集測(cè)量信號(hào)及信息不能共享的問(wèn)題。要解決該問(wèn)題，必須打破目前狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)相互獨(dú)立的現(xiàn)狀，在安全的基礎(chǔ)上，使兩者存在數(shù)據(jù)交換。但現(xiàn)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不穩(wěn)定。因此，如何提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也是目前亟待解決的問(wèn)題。

2.4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)高級(jí)應(yīng)用問(wèn)題

目前，智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械狀態(tài)、SF6氣體狀態(tài)、局部放電等基本在線監(jiān)測(cè)功能，還未完全建立多參量綜合評(píng)估和診斷系統(tǒng)。高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)變化復(fù)雜，影響因素多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)易受干擾，難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)多參量監(jiān)測(cè)信息的聚合，實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備多種狀態(tài)的評(píng)估及診斷，分別支撐于智能電網(wǎng)的不同系統(tǒng)。這就需要收集高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備主要故障類(lèi)型；研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊識(shí)別及專(zhuān)家系統(tǒng)等各種故障診斷及評(píng)估算法，通過(guò)試驗(yàn)的方式確定故障類(lèi)型與相應(yīng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量之間關(guān)系。研究不同參量綜合評(píng)估和診斷方法，建立高壓智能開(kāi)關(guān)設(shè)備多參量的狀態(tài)綜合評(píng)估及故障診斷系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備的狀態(tài)化檢修。

2.5 電磁干擾問(wèn)題

傳感器及IED直接集成于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備上或其近旁，面臨嚴(yán)酷電磁環(huán)境，尤其需要承受雷電、高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備操作時(shí)或發(fā)生短路故障時(shí)的暫態(tài)電磁環(huán)境，相關(guān)研究基礎(chǔ)薄弱。難點(diǎn)在于變電站現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境、特別是暫態(tài)電磁環(huán)境的測(cè)試?yán)щy，目前傳感器及IED在嚴(yán)酷電磁環(huán)境下的失效機(jī)理復(fù)雜，有效的防護(hù)措施要經(jīng)過(guò)反復(fù)的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.6 缺乏試驗(yàn)調(diào)試規(guī)范和試驗(yàn)設(shè)備

目前，在智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備研制以及工程應(yīng)用中，缺乏針對(duì)智能化系統(tǒng)的試驗(yàn)調(diào)試規(guī)范和測(cè)試設(shè)備，特別是對(duì)各類(lèi)傳感器測(cè)試、各類(lèi)智能組件測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、子系統(tǒng)測(cè)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試，涵蓋功能檢查、性能檢查、通信檢查和互操作性檢查等方面。

只有加快試驗(yàn)技術(shù)研究和相關(guān)測(cè)試設(shè)備的研制，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法和考核指標(biāo)的明確，編制高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化系統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)范，將試驗(yàn)工作流程化，并對(duì)每個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行量化評(píng)估，降低試驗(yàn)誤操作，提高現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備已經(jīng)基本具備智能高壓設(shè)備技術(shù)特征，初步滿足智能變電站試點(diǎn)工程建設(shè)需要，但在智能化系統(tǒng)可靠性、狀態(tài)監(jiān)測(cè)高級(jí)應(yīng)用、抗電磁干擾、以及調(diào)試設(shè)備及方法等方面還有待提高。總之，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化是一個(gè)系統(tǒng)工程，還有許多技術(shù)難點(diǎn)需要攻關(guān)解決。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要[EB/OL].[2011-03-16].http://politics.people.com.cn/GB/1026/14159541.html.

［2］Q/GDW Z410-2010高壓設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則[S].

［3］丁書(shū)文，史志鴻.數(shù)字化變電站的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[J].繼電器，2008,36(10):53-56.