智能變電站狀態(tài)檢修分析

鈕彬 程德山 王李冬

摘 要：該文介紹了變電站狀態(tài)檢修的概念，闡述了當(dāng)前開展?fàn)顟B(tài)檢修的現(xiàn)狀和存在問題，從狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備診斷、檢修決策三個(gè)環(huán)節(jié)深入分析了智能變電站相關(guān)技術(shù)給變電站狀態(tài)檢修帶來的深刻變化，最終得出智能變電站的狀態(tài)檢修將從人工步入智能，從關(guān)注設(shè)備可靠性轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注電網(wǎng)的可靠性的觀點(diǎn)，為進(jìn)一步研究智能電網(wǎng)提供了參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站 狀態(tài)檢修 在線監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TM733 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-02

近年來，以時(shí)間周期為特征的變電站計(jì)劃檢修由于存在一定的“檢修過度”和“檢修不足”以及需要大量人力物力支撐等問題，已逐漸被建立在設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)之上的狀態(tài)檢修所取代，并全面在電網(wǎng)企業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。同時(shí)，智能電網(wǎng)由于相比傳統(tǒng)電網(wǎng)在安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保等方面的優(yōu)勢，已成為世界各國競相發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。在這種背景下，該文對(duì)智能變電站狀態(tài)檢修模式進(jìn)行了研究，分析了智能變電站的相關(guān)技術(shù)給狀態(tài)檢修帶來的深刻變化。

1 變電站狀態(tài)檢修的現(xiàn)狀及存在問題

2007年初，國家電網(wǎng)公司組織編制了一系列關(guān)于狀態(tài)檢修的規(guī)章制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)狀態(tài)檢修工作進(jìn)行了全面規(guī)范，在《國家電網(wǎng)公司設(shè)備狀態(tài)檢修管理規(guī)定》中明確了狀態(tài)檢修的定義：“狀態(tài)檢修是企業(yè)以安全、環(huán)境、效益等為基礎(chǔ)，通過設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)分析、檢修決策等手段開展設(shè)備檢修工作，達(dá)到設(shè)備運(yùn)行安全可靠、檢修成本合理的一種設(shè)備檢修策略”。該檢修模式主要包含狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備診斷、檢修決策三個(gè)環(huán)節(jié)，其中狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵是對(duì)狀態(tài)量的獲取，它是設(shè)備診斷的依據(jù)和狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)，檢修決策是結(jié)合在線監(jiān)測與診斷的情況，綜合設(shè)備和系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用要求確定具體的檢修計(jì)劃和策略。

對(duì)于變電站狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)，其涉及到整個(gè)站內(nèi)一次設(shè)備和二次設(shè)備。基于傳統(tǒng)的變電站架構(gòu)下，一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的對(duì)象主要有互感器、變壓器、斷路器等相關(guān)的電壓、電流、聲音、溫度、震動(dòng)、絕緣、機(jī)械特性、氣體含量等參數(shù)。目前，這些狀態(tài)量的獲取是以人工巡檢、停電試驗(yàn)和帶電檢測這些離線檢測手段為主，僅輔以少量在線監(jiān)測手段。二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，其對(duì)象不同于一次系統(tǒng)單一元件的參數(shù)，而是各個(gè)元件的動(dòng)態(tài)性能，是一個(gè)系統(tǒng)。其狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)應(yīng)包含：交流測量系統(tǒng)，包括TA＼TV二次回路絕緣良好、回路完整，測量元件的完好；直流系統(tǒng)，包括直流動(dòng)力、操作及信號(hào)回路絕緣良好、回路完整；邏輯判斷系統(tǒng)，包括硬件邏輯判斷回路和軟件功能等。由于電氣二次回路是由連接若干二次裝置的電纜所組成，其設(shè)備輸出觸點(diǎn)的狀況、回路連接的情況很難進(jìn)行檢測，所以目前開展的二次設(shè)備狀態(tài)檢修，其狀態(tài)監(jiān)測主要停留在投運(yùn)前資料、運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢修試驗(yàn)數(shù)據(jù)等資料與信息的收集階段。此外，目前的在線監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)約多為私有，信息缺乏統(tǒng)一建模，呈現(xiàn)一種相對(duì)封閉的結(jié)構(gòu)體系，不同監(jiān)測系統(tǒng)之間以及監(jiān)測系統(tǒng)與其他自動(dòng)化系統(tǒng)間的信息共享很難，存在很大的規(guī)約轉(zhuǎn)換鴻溝。

對(duì)于設(shè)備診斷、檢修決策環(huán)節(jié)，目前則基本上是依靠相關(guān)檢修運(yùn)行人員按照相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的流程步驟通過人工方式完成。

因此基于傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)體系下的狀態(tài)檢修主要存在以下問題：①輸變電設(shè)備的高速增長使得人工巡檢和帶電檢測效率低、及時(shí)性差、人為因素占比大的缺點(diǎn)愈發(fā)凸顯；②目前電網(wǎng)使用較多常規(guī)電氣設(shè)備的數(shù)字化、智能化程度低，很多設(shè)備難以獲得需要的狀態(tài)參數(shù)信息；③調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等收集的電網(wǎng)狀態(tài)信息基本上是電氣量參數(shù)，非電氣量參數(shù)較少；④缺乏統(tǒng)一信息建模，使得在線監(jiān)測系統(tǒng)難以在統(tǒng)一架構(gòu)下覆蓋全站所有需要監(jiān)測的電氣設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)從“設(shè)備”監(jiān)測到“系統(tǒng)”監(jiān)測的轉(zhuǎn)變；⑤設(shè)備診斷、檢修決策基本依靠人工完成，缺乏有效的計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)，隨著實(shí)施狀態(tài)檢修的設(shè)備越來越多，工作量繁重，無法保證檢修的及時(shí)性和高效性。

2 智能變電站的架構(gòu)體系和主要技術(shù)特征

智能變電站采用分層分布式結(jié)構(gòu)，具體分為過程層、間隔層和變電站層，如圖1所示。過程層主要是指變壓器、斷路器、電流互感器、電壓互感器等一次設(shè)備，功能為：實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量和設(shè)備狀態(tài)量監(jiān)測以及操作控制命令執(zhí)行。間隔層按斷路器間隔劃分，主要指保護(hù)、測控、計(jì)量等二次設(shè)備裝置，通過局域網(wǎng)或串行總線與變電站層聯(lián)系。變電站層主要指監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)通信機(jī)等，通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各主機(jī)之間、監(jiān)控主機(jī)和間隔層之間信息交換。此外，智能變電站的主要技術(shù)特征有：數(shù)據(jù)采集數(shù)字化，設(shè)備操作智能化、系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化、信息交互網(wǎng)絡(luò)化、信息應(yīng)用集成化等[1]。這些技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用對(duì)變電站狀態(tài)檢修的各個(gè)環(huán)節(jié)帶來了深刻的

影響。

3 智能變電站狀態(tài)監(jiān)測

3.1 智能變電站一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

首先，智能變電站中先進(jìn)的傳感與量測技術(shù)的應(yīng)用將全面擴(kuò)大一次設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測的范圍。對(duì)于變壓器和電抗器等變電設(shè)備，能對(duì)其油色譜、局放、鐵心接地電流、套管絕緣、頂層油溫和繞組熱點(diǎn)溫度等進(jìn)行在線監(jiān)測；對(duì)于CT、CVT、耦合電容等容性設(shè)備，能對(duì)其電容量和介損進(jìn)行在線監(jiān)測；對(duì)于避雷器能對(duì)其泄漏電流進(jìn)行在線監(jiān)測；對(duì)于斷路器、GIS等開關(guān)設(shè)備能對(duì)其開關(guān)機(jī)械特性、GIS局放、SF6氣體泄漏及SF6微水、密度等在線監(jiān)測；對(duì)于電力電纜，應(yīng)用分布式光纖測溫技術(shù)能對(duì)其溫度和局放進(jìn)行在線監(jiān)測。其次，智能變電站中數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用將大大提高狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。傳統(tǒng)的電磁型互感器被非常規(guī)互感器所取代，二次側(cè)直接輸出數(shù)字信號(hào)。傳統(tǒng)的斷路器、變壓器等一次設(shè)備得益于微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直接帶有數(shù)字化通信接口，配合智能傳感器，能直接輸出數(shù)字化狀態(tài)信號(hào)。這些在過程層輸出的數(shù)字信號(hào)相比傳統(tǒng)的模擬信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，抗干擾性強(qiáng)，并通過光纖傳輸至間隔層處理，大大提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2 智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

首先，智能變電站過程層信號(hào)的數(shù)字化輸出將進(jìn)一步推動(dòng)間隔層保護(hù)、測控、計(jì)量等二次設(shè)備的數(shù)字化。傳統(tǒng)二次設(shè)備中與一次設(shè)備連接的模擬接口被數(shù)字接口取代，二次設(shè)備中省去了大量的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，結(jié)構(gòu)得到簡化，數(shù)字化程度更高[2]，其狀態(tài)量的監(jiān)測也變得更加容易。其次，智能變電站二次回路狀態(tài)量的監(jiān)測變得容易，在監(jiān)測操作及信號(hào)回路，設(shè)備狀態(tài)特征量的采集上將沒有盲區(qū)。在智能變電站的分層分布式結(jié)構(gòu)中，過程層、間隔層與變電站層之間均通過光纖網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，傳統(tǒng)電網(wǎng)中的二次回路電纜被光纖所取代，傳統(tǒng)電網(wǎng)中的回路絕緣、回路接地等問題將不在存在。

3.3 智能變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測向系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的轉(zhuǎn)變

首先，由于電網(wǎng)是一個(gè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體，未來智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的范圍相比傳統(tǒng)電網(wǎng)有了很大的擴(kuò)大，其狀態(tài)監(jiān)測信息必須是廣域的全網(wǎng)狀態(tài)信息[3]。不僅有變電站設(shè)備的狀態(tài)信息，如一次設(shè)備、二次設(shè)備的健康狀態(tài)、劣化趨勢、安全運(yùn)行承受范圍等；還應(yīng)有變電站實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，甚至遠(yuǎn)程接收的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)等電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息，如機(jī)組運(yùn)行工況、電網(wǎng)運(yùn)行工況、潮流運(yùn)行工況、用電側(cè)需求等；同時(shí)還應(yīng)有相關(guān)的自然物理信息，如地理信息、氣象信息、災(zāi)變預(yù)報(bào)信息等。

其次，智能變電站采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，建立統(tǒng)一的信息模型和信息交互模型。所有的電氣量、非電氣量皆具有明確的語義信息，以及全網(wǎng)唯一的信息標(biāo)識(shí)，使得信息具備自我描述能力。由于采用統(tǒng)一的信息模型，可以實(shí)現(xiàn)各在線監(jiān)視系統(tǒng)的互操作和即插即用，徹底改變各系統(tǒng)相互封閉的現(xiàn)狀，真正實(shí)現(xiàn)智能變電站下設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測向系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的轉(zhuǎn)變。

4 智能變電站設(shè)備診斷

智能電網(wǎng)中數(shù)字化技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)一次設(shè)備、二次設(shè)備的智能化，傳統(tǒng)變電站的人工診斷被智能變電站的智能診斷所取代。一方面，智能變電站一次設(shè)備、二次設(shè)備具有一定的自診斷功能。以斷路器為例，智能電網(wǎng)中傳統(tǒng)斷路器被智能斷路器系統(tǒng)所取代。其由數(shù)字化控制裝置構(gòu)成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器，實(shí)現(xiàn)電子操動(dòng)。斷路器內(nèi)部的數(shù)字化控制裝置與新型傳感器配合，組成智能監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)斷路器系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)械特性、GIS局放、SF6氣體泄漏及SF6微水、密度等進(jìn)行在線監(jiān)控。間隔層接收過程層發(fā)送過來的相關(guān)狀態(tài)信息，與預(yù)先設(shè)置好狀態(tài)量進(jìn)行比較、判別與輸出，當(dāng)相關(guān)參數(shù)如SF6密度降低至告警值時(shí)，發(fā)送控制信號(hào)至過程層閉鎖分合閘，實(shí)現(xiàn)智能斷路器系統(tǒng)的自診斷。

另一方面，智能變電站可以在站控層建立專家診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)規(guī)程導(dǎo)則，對(duì)在線數(shù)據(jù)的時(shí)間序列做趨勢分析（包括設(shè)備的橫向比較及自身歷史數(shù)據(jù)的縱向比較），采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，模糊數(shù)學(xué)理論等，對(duì)設(shè)備狀態(tài)作出全面診斷[4]，并給出診斷報(bào)告。

5 智能變電站檢修決策

智能變電站的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測向系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的轉(zhuǎn)變，以及人工診斷向智能診斷的轉(zhuǎn)變給檢修決策系統(tǒng)提供了巨大的支撐。檢修決策系統(tǒng)利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和專家系統(tǒng)給出的設(shè)備狀態(tài)、電網(wǎng)運(yùn)行工況、地理天氣物理信息等全方位的狀態(tài)信息，利用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)綜合考慮設(shè)備歷史數(shù)據(jù)以及檢修的工期、費(fèi)用、風(fēng)險(xiǎn)等多方面因素，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，最后給出一個(gè)最優(yōu)的檢修方案，從而實(shí)現(xiàn)檢修決策的智能化。

6 結(jié)語

基于智能變電站的狀態(tài)檢修技術(shù)，以變電站的全方位在線狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)，以統(tǒng)一建模的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為支撐，利用計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備診斷和檢修決策的全面智能化。智能變電站的狀態(tài)檢修最終將從人工步入智能，從關(guān)注設(shè)備可靠性轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注電網(wǎng)的可靠性，從電網(wǎng)的大視角實(shí)現(xiàn)設(shè)備壽命周期成本管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 高翔，張沛超.數(shù)字化變電站的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（23）：67-71.

[2] 夏佳.論數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)的狀態(tài)檢修[J].科技資訊，2012（21）：105.

[3] 劉驥，黃國方，徐石明.智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展[J].電力建設(shè)，2009，30（7）：1-3.

[4] 林松，王慶紅，劉然.數(shù)字化變電站狀態(tài)檢修技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（6）：137-140.