智能化技術(shù)在GIS變電站的應(yīng)用

丁　銳　馬喜才

（蘇州阿爾斯通高壓電開關(guān)有限公司）

智能化技術(shù)在GIS變電站的應(yīng)用

丁銳馬喜才

（蘇州阿爾斯通高壓電開關(guān)有限公司）

隨著新能源及電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，建設(shè)智能化電網(wǎng)已經(jīng)成為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，其中變電站一次設(shè)備的智能化成為智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容，本文介紹分析了近年來電網(wǎng)智能化技術(shù)的發(fā)展以及在ALSTOM GIS變電站中的應(yīng)用。

GIS變電站；在線監(jiān)測；光電互感器；智能化；IEC61850

0　引言

國家提出構(gòu)建以信息化、自動化、數(shù)字化、互動化為特征的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，智能化變電站伴隨智能化電網(wǎng)概念產(chǎn)生。國內(nèi)外電氣設(shè)備廠家積極展開電氣設(shè)備智能化的研究和開發(fā)。通過對一次電器設(shè)備的智能化，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的可觀測、可控制和自動化的目標(biāo)，為智能電網(wǎng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)；提高了智能化變電站面對未來智能電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行工況的應(yīng)對能力，減少新生隱患產(chǎn)出的幾率。隨著智能化變電站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，包括狀態(tài)在線監(jiān)測，光電技術(shù)及計算機(jī)通訊等智能化技術(shù)應(yīng)用到變電站中并投入運(yùn)行，提高了整個電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。

1　GIS狀態(tài)在線監(jiān)測

GIS 氣體絕緣組合電器設(shè)備，它將一座變電站中除變壓器以外的一次設(shè)備，包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進(jìn)出線套管等，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計有機(jī)地組合成一個整體。近年來 GIS已經(jīng)大量使用在電力系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量要求高、制造及檢修工藝繁多。GIS故障少，但萬一發(fā)生故障后果相當(dāng)嚴(yán)重。GIS狀態(tài)監(jiān)測是利用各種傳感器和測量手段對反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的物理、化學(xué)量進(jìn)行檢測，包括對有關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及相關(guān)零部件性能工況的在線或離線監(jiān)控、測量、試驗(yàn)等，其目的是為了判明設(shè)備是否處于正常狀態(tài)。

1.1SF6微水及漏氣監(jiān)測系統(tǒng)

BWatch3系統(tǒng)主要用于在線監(jiān)測斷路器SF6氣體的微水、密度、溫度及其變化趨勢。當(dāng)SF6氣體有關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)變化時，給出變化曲線；有關(guān)指標(biāo)達(dá)到報警狀態(tài)時，報警或自動啟動報警裝置；當(dāng)有關(guān)指標(biāo)超標(biāo)達(dá)到危險狀況時，報警或自動啟動閉鎖裝置，禁止斷路器動作，以保障設(shè)備和變電站整套系統(tǒng)的安全。

該套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) SF6壓力溫度值的數(shù)字化信號傳輸，傳感器精度高，可以實(shí)現(xiàn)SF6氣體年漏氣率小于 0.1%的狀態(tài)監(jiān)測。濕敏傳感器適用環(huán)境溫度范圍大，穩(wěn)定性好，相應(yīng)速度快，抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)。產(chǎn)品設(shè)計時殼體預(yù)留傳感器安裝接口，根據(jù)要求可方便實(shí)現(xiàn)各種傳感器的接入。如圖1所示。

圖1　BWatch3系統(tǒng)示意圖

1.2PD watch局放在線監(jiān)測系統(tǒng)

GIS設(shè)備內(nèi)部中的金屬微粒、粉末和水分等導(dǎo)電性雜質(zhì)以及其他絕緣缺陷是引發(fā) GIS故障的重要原因。因此局部放電將是GIS狀態(tài)監(jiān)測重要內(nèi)容。GIS內(nèi)部存在絕緣缺陷時，因局部放電而產(chǎn)生的機(jī)械振動、發(fā)光、產(chǎn)生分解氣體等現(xiàn)象，通過對這些物理或化學(xué)過程的分析為局放監(jiān)測提供了可能性。

PD watch系統(tǒng)采用特高頻（UHF）電磁波檢測法，SF6氣體中局部放電產(chǎn)生的脈沖電流有比較高的陡度，所產(chǎn)生的電磁暫態(tài)的頻率能夠達(dá)到 1GHz以上。采用內(nèi)置式 UHF傳感器（0.3～3GHz）可以顯著提高抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)對局放監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。GIS設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計裝有內(nèi)置式UHF傳感器，可以在電站不停電的情況下，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)變電站的智能化改造。

1.3機(jī)構(gòu)狀態(tài)檢測系統(tǒng)

GIS斷路器操作機(jī)構(gòu)為斷路器分合操作提供動能，一旦機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，將會對 GIS變電站造成重大事故。通過使用補(bǔ)償式霍爾電流互感器對分合閘線圈電流檢測獲得，將檢測到的電流曲線與以往曲線比較，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡澀，二次線接地或接點(diǎn)接觸不良，轉(zhuǎn)換開關(guān)失靈，分、合閘電磁鐵卡澀等缺陷。

GIS通過加裝行程、速度傳感器測定斷路器的機(jī)械特性（行程、合/分時間、平均速度等），綜合診斷斷路器的機(jī)械特性是否良好，通過對每次操作機(jī)械特性曲線與投運(yùn)前的曲線比較，發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)或是機(jī)構(gòu)可能存在的故障或隱患，比如拉桿松動等問題，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患。還可以通過監(jiān)測彈簧機(jī)構(gòu)電動機(jī)電流變化情況，分析判斷機(jī)構(gòu)傳動質(zhì)量。監(jiān)測液壓機(jī)構(gòu)電機(jī)起動頻次等，了解液壓機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況是否良好。

重要的是收集每次監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立智能化數(shù)據(jù)分析判斷系統(tǒng)，針對每次監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的風(fēng)險和隱患，確保機(jī)構(gòu)安全可靠運(yùn)行。

2　非常規(guī)互感器

高壓電流互感器和電壓互感器是電力系統(tǒng)重要設(shè)備，電流互感器將電網(wǎng)中的高壓信號變換傳遞為低壓小電流信號，從而為系統(tǒng)的計量、監(jiān)控、繼電保護(hù)、自動裝置等提供統(tǒng)一、規(guī)范的電流信號；電壓互感器將一次高電壓按比例關(guān)系變換成100V或更低等級的標(biāo)準(zhǔn)二次電壓，供保護(hù)、計量、儀表裝置使用。如圖2所示。

非常規(guī)互感器是有別于傳統(tǒng)的電磁型電流及電壓互感器的新一代互感器的總稱。

光學(xué)電壓互感器是根據(jù)普克爾（Pockels）效應(yīng)的原理工作，整個裝置由3個部分構(gòu)成：承受被測電壓的光學(xué)晶體、光學(xué)元件（包括發(fā)光二極管）、光電二極管和光纖、電子組件（模擬與數(shù)字處理單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的裝置。光電式互感器與電子式電壓互感器相比，不需電容分壓，絕緣性能好、暫態(tài)特性好、集成度高，可以實(shí)現(xiàn)與 GIS高度集成，大幅度節(jié)省安裝空間。

圖2　非常規(guī)互感器示意圖

光學(xué)電子式電流互感器采用法拉第磁光效應(yīng)感應(yīng)被測信號，傳感為全光纖。無源型光電互感器的基本原理則是有效利用了物理學(xué)中法拉第電磁效應(yīng)，其工作原理是將光信號通過電磁場中的磁光材料，使光信號的偏振面在一定程度上發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過測算通流導(dǎo)體周圍光信號偏振面的旋轉(zhuǎn)角度，來推算導(dǎo)體中的電流值。

與傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式互感器相比，光電式互感器具有以下特點(diǎn)：

1）不含鐵心，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問題；

2）整體結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便；

3）光纖測量通訊，抗干擾能力強(qiáng)；

4）精度高，同時滿足計量和保護(hù)的；

5）一次、二次間傳感信號由光纜連接，絕緣性能優(yōu)異，且具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力；

6）具有光、電數(shù)字接口功能，便于二次部分的升級換代和數(shù)字化變電站的建設(shè)。

另外，Alstom還提供電容電子式電壓互感器，羅氏線圈電子式電流互感器等解決方案。

3　RPH3選相分合閘系統(tǒng)

當(dāng)斷路器開斷帶電抗器、電容器線路及架空線線路時，系統(tǒng)將產(chǎn)生暫態(tài)過電壓和大的沖擊電流，其嚴(yán)重程度與合閘相角有關(guān)，通過 RPH3選相分合閘系統(tǒng)，利用 VT，CT的頻率、開閉狀態(tài)、控制電壓、溫度、斷路器的驅(qū)動壓力、斷路器的動作時間動作行程曲線等條件，能夠在指定的電流（電壓）相位上完成分（合）閘操作。當(dāng)開關(guān)設(shè)備操作時，減少在分合閘過程中涌流的沖擊。對斷路器的狀態(tài)進(jìn)行綜合性的監(jiān)測，根據(jù)斷路器的電氣機(jī)械的特性，確定最佳的目標(biāo)相位，最大限度降低過電壓改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，延長斷路器壽命，改進(jìn)斷路器性能，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。如圖3所示。

圖3　RPH3選相分合閘系統(tǒng)示意圖

4　GIS室內(nèi)SF6環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

當(dāng)室內(nèi) GIS變電站在使用過程中發(fā)生泄漏時，由于SF6氣體比重大于空氣，漏出的SF6氣體及其分解物會往室內(nèi)低層空間積聚，且不易散發(fā)，造成局部缺氧和帶毒，對進(jìn)入室內(nèi)的檢修及巡視人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重危險。SF6環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由一臺主機(jī)、一只溫濕度模塊和若干只氣體探頭（具體數(shù)量根據(jù)實(shí)際使用開關(guān)室的開關(guān)數(shù)量和空間大小而定）組成。氣體探頭安裝 GIS間隔的下方，用以在線實(shí)時檢測開關(guān)下方的氧氣濃度，主機(jī)具有人體探測、語音提示和語音報警等功能。主機(jī)通過RS-485總線輪詢、顯示各氣體探頭的氣體濃度數(shù)據(jù)并在危險時給出語音報警信息和控制風(fēng)機(jī)工作。主機(jī)還可以通過RS-485總線實(shí)現(xiàn)與上位計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)參數(shù)修改，組成計算機(jī)對SF6開關(guān)室環(huán)境在線自動監(jiān)測系統(tǒng)。

5　全數(shù)字化測量與控制

智能變電站不僅是采用先進(jìn)、可靠的智能電力設(shè)備，還要具備全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化，以及實(shí)現(xiàn)信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和檢測等基本功能。設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信并使用IEC 61850協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。以上使用在 GIS變電站的智能化技術(shù)，均可實(shí)現(xiàn)按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測和處理，并根據(jù)客戶要求定制或擴(kuò)展數(shù)字化方案。Alstom是首家提供全數(shù)字變電站的制造商，各種智能化方案成熟可靠并在全球多套 GIS變電站上應(yīng)用。

6　結(jié)束語

2010年“加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)”被寫入《政府工作報告》，這標(biāo)志著中國智能電網(wǎng)進(jìn)入快速發(fā)展階段看，目前許多成熟的智能化技術(shù)已經(jīng)使用在智能化變電站中并投入運(yùn)行，隨著國家不斷加大對智能化電網(wǎng)的投資和研究，各種新技術(shù)和研究成果會不斷使用電力系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的控制監(jiān)測保護(hù)，從而建設(shè)更加安全可靠綠色環(huán)保的電力系統(tǒng)。

［1］ Q/GDW 393—2009 110kV～220kV智能化變電站設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ GB 7674—2008 額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備［S］.

［3］ 房嶺峰， 倪浩， 魏本剛. 狀態(tài)監(jiān)測在220kV瀘定智能化變電站中的工程應(yīng)用［J］. 華東電力， 2012（6）.

［4］ 張猛， 申春紅， 張庫瓦， 等. GIS智能化的研究［J］. 高壓電氣， 2010（3）.

（2015-08-14）