智能变电站技术革新

本文介绍了智能变电站的概念，分析了一次设备新技术取得的重要进展及其存在的问题，提出了智能变电站一次设备智能化的相关建议。

智能电网是构建全球互联、高度智能、清洁环保、高效利用、友好互动的全球能源互联网的重要支撑，是承载和推动新一轮能源革命的基础平台。发展智能电网有利于清洁可再生能源的开发利用、资源的最优配置、雾霾的治理以及电动汽车等新型高科技产业的快速发展，发展智能电网已成为我国能源发展的战略目标。

未来的智能电网将采用先进的材料技术、可再生能源发电技术、传感技术、通信技术、超导技术、储能技术、先进控制理论，使得能源开发更清洁，利用更高效，配置更优化，碳排放量更低。未来的智能电网将实现微电网与特高压骨干电网协同发展，电网与用户友好互动，从而更好的服务于国民经济的发展。

“绿色供电、智慧用电”是智能电网内涵的深刻体现。智能变电站是坚强智能电网的基石和重要支撑，而一次设备的智能化是智能变电站建设的关键环节。

1 智能变电站概念及其建设目标

智能变电站采用先进、环保、集成、可靠、低碳的智能设备，能够自动完成信息采集、测量、计量、保护、在线监测、自诊断等基本功能，支持电网实时智能调节、自动控制、协同互动、在线分析决策等功能[1-4]。新一代智能变电站技术是在传统变电站技术基础上的不断创新和变革，其不断融合先进、前瞻的新技术，运行经济环保，设备先进适用可靠，使电网运行更安全稳定[1]。

新一代智能变电站为集自我保护、控制和管理功能于一体的高度智能体，具备智能化、协同互动、即插即用和集成化等技术特征。

新一代智能变电站建设的目标：

采用先进的技术手段将站内的高压一次设备高度集成、二次设备高度集成、设备与建筑物高度集成，高度集成设备的设计、制造、调试均在工厂内一体化完成，设备技术先进可靠;

新一代智能变电站功能齐全、智能化程度高、调试及维护灵活方便、运行稳定可靠;装配式建设、标准化设计、工厂化加工是新一代智能变电站设备模块化的主要体现;

新一代智能变电站内部之间及其与站外的通信准确可靠，结构布局合理，尽可能地节约土地、能源、水、材料等资源，有效减少环境污染和生态破坏;

新一代智能变电站具有效率最大化、维护量最小化、资源节约化、环境友好化、信息资源最优化的优势;新一代智能变电站支持与多级调控中心的信息传输。

总之，新一代智能变电站一次与二次设备高度集成，业务一体化，布局合理紧凑，低能耗且高环保，支撑调控一体化。

2 一次设备新技术突破

2.1 集成式智能隔离断路器

截止到目前，隔离开关的检修周期已低于断路器的检修周期，且隔离开关的故障率已高于断路器的故障率，随着断路器技术的快速发展及可靠性的不断提高，通过隔离开关来隔离高压电的传统停电检修模式已不适应电网快速发展的需要，加快发展隔离开关新技术已成为迫切需要[2]。

集成式隔离断路器的成功研制是新一代智能变电站技术的重大突破，其触头部位集成于隔离断路器的SF6灭弧室内，运行可靠性高。隔离开关的隔离功能是通过隔离断路器动、静触头的高绝缘水平来实现的，同时要求隔离断路器能够承受雷电冲击电压、系统失步工频电压和操作冲击电压。

集成式隔离断路器具备断路器和隔离开关的功能，随着光电互感器等新的电子互感器技术的出现，实现了隔离断路器与电流互感器高度集成，且布局简单紧凑，节省了大量的占地面积。隔离断路器将成功应用于110kV武汉未来城变电站，ABB已研制出72.5~550kV隔离断路器;国内西开集团、高平集团已研制出SF6集成式隔离断路器[2]。

集成式智能隔离断路器是在隔离断路器的基础上，再集成智能组件、接地刀闸、电子式电流互感器、电子式电压互感器等部件形成的，能够实现在线检测、就地控制与智能操作等功能，系统维护量少[1]。集成式智能隔离断路器将测量、检测、保护、控制等功能统一集成到间隔智能组件柜中，其智能化与一体化水平较高。

2.2 集成式电容器设备

智能变电站将串联电抗与电容器集成于一体，形成了集成式电容器设备，布局紧凑，可节省45%左右的占地面积，系统运行的稳定性与可靠性得到了提高，维护量少，使用寿命长，整体型式美观。

将电容器组装在充有变压器油的油箱内，变压器油起散热和绝缘作用，便形成了集合式电容器，可节约大量土地，且安装维护方便、抗外界干扰能力强。

2.3 自动调谐消弧线圈

智能变电站自动调谐消弧线圈的一次设备主要有接地变压器、消弧线圈、有载分接开关、阻尼电阻箱、电子式电压互感器和电子式电流互感器，其二次设备承担控制任务[3]。二次设备实时对消弧线圈的电压和电流进行测量，并能自动计算系统的电容电流，通过控制消弧线圈的电感值来实现对系统无功的补偿。

一次设备和二次设备布局紧凑，集成化程度高，即集中布置就地控制，且控制简单、灵活、可靠。目前自动消弧线圈的一次设备和二次设备基本都由同一个厂家生产，未来基于全站数字化技术和IEC61850标准，可以实现不同厂家的一次设备与二次设备的互联。

2.4 整合型变压器综合监测控制智能组件

智能化的一次设备基本都是由独立的智能电子设备构成，设备投资及互联成本较高，故障率也偏高。新一代整合型变压器综合监测控制智能组件提高了变电站一次设备的智能化程度，其整合了有载分接开关控制智能电子设备、测量智能电子设备、风冷控制智能电子设备、非电量保护智能电子设备。

整合型变压器综合监测控制智能组件具有智能控制、有载分接开关控制、风冷控制、智能非电量保护、运行状态监视和综合判断等功能，提高了系统运行的稳定性和可靠性。该技术已在北京某智能变电站成功应用。

2.5 电力电子变压器与超导变压器

随着大功率控制技术及电力电子技术的快速发展，电力电子变压器作为新型电力变压器正日益受到关注并快速发展。电力电子变压器不仅能够进行能量的转换与电压的变换，且无需任何辅助设备和附加控制就可实现改善电能质量、控制系统潮流、自我检测与诊断、自保护、无功补偿等功能[4]。

分布式可再生能源具有随机性、间隙性、波动性、分散性、交直流兼有的特点，而电力电子变压器能够灵活稳定地将分布式可再生能源并入电网。电力电子变压器技术的不断发展和完善是智能变压器发展的一个新的方向。

高温超导变压器的线圈由高温超导材料绕制而成，变压器运行损耗低，过负荷能力强。高温超导变压器采用液氮作为冷却介质，环保，体积小，重量轻。应加大推进高温超导变压器技术的攻关工作。

2.6 智能可控电抗器

智能可控电抗器结合了电力电子新技术及现代控制技术，能够实时根据电网运行状态对电抗器参数进行连续调节与控制，从而使系统运行在最优的状态。智能可控电抗器具有提高电网输送能力、改善电能质量、实时连续的补偿系统的无功缺额、确保系统稳定运行的功能。新材料及自动控制技术的快速发展为智能可控电抗器的发展提供了条件，超导型可控电抗器及自饱和磁阀式可控电抗器是智能可控电抗器发展的两个方向。

2.7 模块化建设等新技术

新一代智能变电站的设计理念实现顶层指导底层、分专业设计向整体集成设计的转变。模块化建设技术是新一代智能变电站全新的建设技术，且标准化设计、工厂化加工、装配式建设三个层级的模块化建设技术在新一代智能变电站中得到了应用。

新一代智能变电站进行模块化建设，采用最大化工厂加工的预制结构的建、构筑物及舱式二次组合设备，安装快速便捷。采用预制的光缆和电缆，一次设备与二次设备进行标准化连接和标准化通信，实现二次接线“即插即用”。模块化建设技术也正向着智能化方向发展，一次设备向着兼有采集、测控、保护、检测等功能方向发展。

新一代智能变电站的一次设备、传感器、智能组件在工厂内进行一体化生产，集成联调，安装调试方便且提高了施工工艺水平。

智能变电站在线检测智能电子设备的性能关系到全站一体化监控系统的稳定运行，因此对其功能测试至关重要，文献[5]提出的基于功能测试用例和测试脚本的自动化测试系统，代替人工测试，测试效率高。

基于移动机器人的设备巡检系统对智能变电站一次设备进行巡检将是未来智能变电站巡检的一种重要的方式[6]。

智能变电站IED在线评估与动态重构功能缺失将对电网稳定运行及运行维护构成极大的威胁，文献[7]提出了一种在线评估与动态重构冗余备用的技术方案，有效提高了系统运行的稳定性与可靠性。

3 一次设备智能化技术

智能一次设备技术的快速发展对实现一次设备的信息化、自动化、互动化，提高电气设备的制造水平和智能化程度，实现整个智能变电站结构的最优设计都具有十分重要的作用。一次设备的智能化主要体现在智能组件上，集测量、计量、保护、控制等多功能于一体的智能组件是一次设备智能化的发展方向[8]。智能组件应具有较强的抗电磁干扰能力，较高的监测灵敏度、自诊断报警等功能，技术先进且运行可靠。

智能一次设备采用先进的分析检测方法对运行设备的状态进行实时监测，能够快速发现故障并对故障部位进行精确定位，评估故障的严重程度，并根据分析诊断结果来合理安排检修和调整系统运行方式。一次设备智能化能够实时掌握设备的状态，基于这些状态信息可预测设备的剩余寿命。

智能化一次设备提高了电网运行的稳定性，有利于大规模分布式新能源并网，布局紧凑合理，节省了大量的占地面积。一次设备智能化使信息检测更准确，评价体系更合理，能够根据采集到的数据评估设备及电网运行状态，提前发现问题，尽可能的降低运行的风险系数。智能化建设减小了安全维修工作，调试灵活方便。

智能化一次设备能够将设备及电网确切的运行状态和数据及时反映给工作人员，为工作人员开展科学合理的检修工作提供了依据。

3.1 主变压器智能化

智能变压器智能组件技术体现了智能变压器的智能化程度，由采集、测量、计量、监测、控制等各类智能电子设备构成。目前，智能变电站主要通过两种形式实现，一种是改造的智能变电站，在线监测配置于一次设备附近，即就地化布置，大多将保护放置于继电室;另一种是新建的智能变电站，将变压器在线监测单元和变压器本体保护就地化布置于变压器智能汇控柜中。

智能变压器向着节能环保、智能化和一体化方向发展。测量就地数字化、控制功能网络化、状态评估可视化、信息交互自动化是智能变压器智能化的主要体现，其具体的体现如下：油位、油温、分接开关位置等与运行控制相关的参量实现了就地数字化测量;有载调压开关实现了基于变电站网络的智能化控制;根据传感器检测的信息对智能变压器的运行与控制状态进行评估，评估信息转化为可视信息;调控中心和管理系统根据上传的评估信息实现了变压器状态检修和调控的协调优化控制。

智能变压器具有强大的自适应控制能力，能够实时根据运行工况和环境进行自适应调节，进行最优化过程控制，各项性能指标均达到最优。如进行有载调压自适应控制、负荷自适应控制、温度自适应控制、运行自适应控制、系统经济运行自适应控制、自动补偿自适应控制和优化运行自适应控制[9]。

智能变压器在线监测具有自我检测和诊断的功能，涵盖辅助设备监测和本体监测两大部分。智能变电站监测的项目主要有局部放电监测、油中溶解气体监测、油中含水量监测、绕组光纤测温监测、气体聚集量监测、主油箱底部油温监测、铁芯接地电流监测、侵入波监测、电容式套管电容量监测、套管介质损耗因数监测、变压器振动波谱检测、变压器声学指纹监测。保护功能器件监测、冷却器监测、有载分接开关监测为辅助设备监测。

智能变压器具有可靠的告警、保护、通信和信息交互等功能。变压器供电区域内出现故障时，能够将故障数据传输到上级管理系统并能够显示故障点、故障类型，为检修人员快速定位故障和安排检修提供依据。

将变压器器身、熔断器、开关设备、智能化组件、新型电子式有载分接开关及相应辅助设备集成为智能组合式变压器，不仅具有传统的变电功能且集成了强迫风冷、功率计量、计算机接口等多个功能，智能组合式变压器实时运行于最佳状态。

3.2 断路器智能化

智能断路器具有运行周期长、运行及维护费用低、运行安全可靠、能提供精确的状态信息等特征，可以实现对分/合闸线圈电流在线监测、动触头行程在线监测、储能电机电流在线监测、SF6气体压力和密度在线监测等功能。

随着真空技术、灭弧技术、新材料及新操动技术的快速发展，真空断路器的应用越来越广泛。ABB公司最新研制出了两种智能型断路器，一种为集保护、测量、开断功能于一体的真空型智能断路器;另一种为基于模块化设计的具有人工智能技术的断路器，其能够在最佳投切时刻进行各项独立操作，使断路器投切瞬时产生的过电流及过电压对设备的冲击较小。国外一些公司研制出了具有信息传递和自我保护功能的中压智能化真空断路器。

传统断路器的跳闸方式为电缆传输跳合闸电流操作方式，而智能变电站的跳闸方式为基于IEC61850标准的GOOSE等快速报文传递跳合闸命令的操作方式，提高了操作的可靠性。

3.3 智能气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)

GIS智能变电站具有供电可靠性高、电磁污染少、检修周期长、运行噪音低等优点。智能GIS采用先进的电力电子技术、微电子技术、传感技术、数字处理技术、计算机技术、控制技术，集监测、测量、控制、保护和录波等功能于一体，对GIS的运行状态进行实时监测。

GIS在一次设备上安装了各种传感器和数字化装置，通过智能电子设备来完成信息的采集、计量、控制、保护、监测及自诊断等功能。目前已经实现了对局部放电、触头温度、SF6气体密度及压力、触头行程、储能电机电流、分/合闸线圈电流的在线监测。GIS能够根据电网运行状态进行智能控制和保护，并具有预警及自诊断功能。GIS设备结构紧凑合理，绝缘可靠。

ABB公司研制的VMI型真空开关具有在线监测、诊断和站内计算机控制等功能，且二次控制与永磁操作机构无触点化融合，运行可靠性高。

平顶山天鹰集团的ZFll-252kV GIS，能够对传感器采集到的各种运行参数进行分析处理，实现自诊断及控制操作，并将分析处理的结果进行显示，该设备已在我国南方某一变电站得到了应用。

西开电气研制了SF6气体绝缘金属封闭智能开关设备，该开关设备基于IEC61850通信协议，具有视频在线、程序化操作、远程诊断等功能。

3.4 智能容性设备

电容型高压设备主要涵盖高压套管、电压互感器、耦合电容器、电容型电流互感器等，设备数量众多，其性能的好坏直接影响到全站的稳定运行。智能容性设备将智能组件集成到高压容性设备上，从而实现介损监测、电压保护、电流保护。

智能容性设备集监测、通信、控制等功能于一体，具有强大的数据处理能力，能够实时采集设备的运行数据，具有实时监控的功能。目前已经实现的监测功能有电容量监测、末屏泄露电流监测、介质损耗因数监测、环境温度及湿度监测等。

智能组件对运行设备进行监测，当数据超过临界值时，智能设备将故障数据发送到信息一体化平台或监测主机，故障点、故障类型、故障数据能够在信息一体化平台上显示，为工作人员定位故障和安排合理的检修计划提供了依据。

3.5 智能氧化锌避雷器(MOA)

智能氧化锌避雷器能够实时对自身的绝缘状态进行监测，并将监测结果发送至信息一体化平台或监测主机，供数据中心与调控中心调用和分析，有利于提高智能MOA的运行的稳定性和可靠性。智能MOA实现了对泄露电流的监测以及阻性电流的计算，其信息一体化平台对采集到的数据进行分析与处理，进而管理系统数据接口、数据转发、信息保护[9]。

4 一次设备智能化存在的问题及解决方法

智能化一次设备依托于传感技术、监测技术、诊断技术、控制技术和微机技术的快速发展，但如何将这些新技术应用于一次设备中仍需要进一步研究。应用于一次设备的新技术需要承受外界环境干扰，其可靠性仍需要时间来验证。

智能组件承担测量、计量、保护、控制、通信等任务，这些智能组件安装在高压一次设备及其附近，面临各种强电磁干扰，严重威胁到智能变电站运行的稳定性，应加强对智能组件抗电磁干扰技术的研究[10-12]。智能电子设备的使用寿命低于高压一次设备的使用寿命，且价格昂贵，从采用电力电子新技术及改善运行环境等方面考虑来提高智能电子设备的使用寿命，进而解决不等寿命问题。

新一代智能断路器的跳闸方式为基于IEC61850标准的GOOSE等快速报文传递跳合闸命令的操作方式，其可靠性仍需时间验证，且降低电弧对触头材料的侵蚀及运行能耗可提高运行寿命及工作性能。

有源电子式互感器的可靠性依赖于高压侧电源，发展自励模式的互感器可以提高运行的稳定性。光学电子式互感器易受温度的变化、电磁辐射等外界因素影响而削弱光学传感器工作的稳定性，发展全光纤型电子式电流互感器和磁旋光电子式电流互感器可提高互感器工作的可靠性。

针对电力电子变压器损耗大、可靠性低及电路结构复杂的问题，通过改进控制策略来改善电能质量，提高电力电子变压器运行的可靠性与稳定性。可控电抗器向着具有自我诊断能力方向发展[4]。

5 结束语

新一代智能变电站在设计理念、工程建设技术、设备制造及检测技术方面取得了重大突破，一次设备智能化实现了信息流、电力流的合二为一，并为各种智能新技术在变电站的应用提供了开放的平台。

智能化一次设备的投入运行不仅提高了工作效率，且提高了电力生产的可靠性与稳定性。智能组件是智能化一次设备的核心器件，通过智能组件实现实时在线分析决策、先进的智能控制及调节、友好互动等功能[10]。

一次设备智能化提高了信息检测的准确性及评价体系的科学性，通过分析评估采集到的数据可提前对可能出现的问题或安全隐患进行处理，具备自诊断功能，提高了设备及系统运行的可靠性，同时智能化建设也为安全维修带来了便利。

一次设备智能化技术的不断开拓，将极大地推动智能电网的快速发展。一次设备高度集成二次功能，具有统一的通信平台和标准的接口，结构紧凑，运行稳定，这也正是智能变电站发展的方向。