周 華 孟 晨 張戰(zhàn)軍 華 飛 王鵬飛

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

1 引言

智能電網(wǎng)（Smart Grid）是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動(dòng)向，被認(rèn)為是21世紀(jì)電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢(shì)。

盡管各國(guó)專家針對(duì)電力工業(yè)應(yīng)致力于提高電網(wǎng)智能化水平及等級(jí)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，但是，智能電網(wǎng)還處于初期研究階段，國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一而明確的定義。由于發(fā)展環(huán)境和驅(qū)動(dòng)因素不同，不同國(guó)家的電網(wǎng)企業(yè)和組織都在以自己的方式來(lái)理解智能電網(wǎng)，對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行研究和實(shí)踐，各國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展的思路、路徑和重點(diǎn)也各不相同。因此智能電網(wǎng)概念本身也在不斷發(fā)展、豐富和明晰中。

我國(guó)電網(wǎng)專家認(rèn)為，智能電網(wǎng)是以包括發(fā)電、輸電、配電和用電各環(huán)節(jié)的電力系統(tǒng)為對(duì)象，不斷研發(fā)新型的電網(wǎng)控制技術(shù)、信息技術(shù)和管理技術(shù)，并將其有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從發(fā)電到用電所有環(huán)節(jié)信息的智能交流，系統(tǒng)地優(yōu)化電力生產(chǎn)、輸送和使用。

智能電網(wǎng)的主要特征為自愈、安全、經(jīng)濟(jì)、清潔，能夠提供適應(yīng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的優(yōu)質(zhì)電力與服務(wù)。

自愈－實(shí)時(shí)掌控電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速診斷和消除故障隱患；在盡量少的人工干預(yù)下，快速隔離故障、自我恢復(fù)，避免大面積停電的發(fā)生，提升電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

安全－更好地對(duì)人為或自然引發(fā)的擾動(dòng)做出辨識(shí)與反應(yīng)。在自然災(zāi)害、外力破壞和計(jì)算機(jī)攻擊等不同情況下，保證人身、設(shè)備和電網(wǎng)的安全。

經(jīng)濟(jì)－支持電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求，優(yōu)化配置資源；提高設(shè)備傳輸容量和利用率，有效控制成本，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

清潔－既能適應(yīng)大電源的集中接入，也能對(duì)分布式發(fā)電方式友好接入，做到“即插即用”。支持風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，滿足電力與自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展的要求。

優(yōu)質(zhì)－實(shí)現(xiàn)與用戶的智能互動(dòng)，以友好的方式、最佳的電能質(zhì)量和供電可靠性滿足用戶的需求，向用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

由以上不同國(guó)家對(duì)智能電網(wǎng)的理解，概括地講，智能電網(wǎng)指的是電力系統(tǒng)綜合傳統(tǒng)的和前沿的電力工程、復(fù)雜的感應(yīng)和監(jiān)控技術(shù)、信息技術(shù)和通訊技術(shù)以提高電網(wǎng)運(yùn)行效率并支持客戶端廣泛的附加服務(wù)的新型電網(wǎng)。

智能電網(wǎng)在廣義上包括可以優(yōu)先使用清潔能源的智能調(diào)度系統(tǒng)、可以動(dòng)態(tài)定價(jià)的智能計(jì)量系統(tǒng)以及通過調(diào)整發(fā)電、用電設(shè)備功率優(yōu)化負(fù)荷平衡的智能技術(shù)系統(tǒng)。

2009年8月25日，國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)部在西安召開了《智能電網(wǎng)用輸變電設(shè)備技術(shù)研討會(huì)》，會(huì)上智能電網(wǎng)部介紹了國(guó)網(wǎng)對(duì)智能電網(wǎng)的思考、規(guī)劃。

表1

2 智能變電站的定義和特征

智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一建設(shè)”的原則，為指導(dǎo)智能變電站建設(shè)，國(guó)家電網(wǎng)公司組織編寫了《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》。

該導(dǎo)則編制的出發(fā)點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)集成、靈活、互動(dòng)、優(yōu)化、管理。導(dǎo)則汲取IEC61850功能自由分布、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)等先進(jìn)理念，結(jié)合一二次設(shè)備出現(xiàn)融合的趨勢(shì)，提出電力系統(tǒng)中“設(shè)備”的新概念，“設(shè)備”消除了傳統(tǒng)的一二次設(shè)備的劃分，其不但具有傳輸和分配電能的主設(shè)備本體，還具有測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量等功能。各功能的物理形態(tài)以智能組件方式體現(xiàn)，組件又是一個(gè)靈活的概念，可以由一個(gè)完成所有功能，也可以分散獨(dú)立完成，可以外置于主設(shè)備本體之外，也可以內(nèi)嵌于主設(shè)備本體之內(nèi)。上述概念既考慮了傳統(tǒng)一二次設(shè)備的現(xiàn)狀，也考慮了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

導(dǎo)則作為智能變電站建設(shè)與在運(yùn)變電站智能化改造的指導(dǎo)性規(guī)范，規(guī)定了智能變電站的相關(guān)術(shù)語(yǔ)和定義，明確了智能變電站的技術(shù)原則和體系架構(gòu)，提出了設(shè)備層、系統(tǒng)層及輔助設(shè)施的技術(shù)要求，并對(duì)智能變電站的設(shè)計(jì)、調(diào)試驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)、檢測(cè)評(píng)估等環(huán)節(jié)作出了規(guī)定。適用于110kV（包括66kV）級(jí)以上電壓等級(jí)智能變電站。

智能變電站smart substation是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站。

3 智能設(shè)備的定義和特征

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略布局和試點(diǎn)建設(shè)智能變電站的具體要求，2009年11月20日，國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)部與中國(guó)電科院、各網(wǎng)省公司、顧問集團(tuán)公司、西電集團(tuán)、平開、沈變等在北京召開了《智能高壓一次設(shè)備技術(shù)導(dǎo)則》送審稿審查會(huì)。

該導(dǎo)則就高壓設(shè)備智能化的技術(shù)特征、硬件結(jié)構(gòu)、基本技術(shù)要求和應(yīng)用原則進(jìn)行了簡(jiǎn)明闡述，適用于110kV（包括66kV）級(jí)以上電壓等級(jí)智能變電站的建設(shè)和改造，也可供高壓設(shè)備制造商及國(guó)內(nèi)其他相關(guān)企業(yè)參考。

智能設(shè)備是由高壓設(shè)備、傳感器、控制器和智能組件組成的一個(gè)有機(jī)整體，具有狀態(tài)可視化、測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、功能一體化和信息互動(dòng)化的主要特征。

智能組件是承擔(dān)宿主設(shè)備相關(guān)測(cè)量、控制、計(jì)量、檢測(cè)、保護(hù)等全部或部分功能的智能電子裝置集合，是高壓設(shè)備智能化的核心部件。智能組件通過網(wǎng)絡(luò)連接至系統(tǒng)層，實(shí)現(xiàn)與站內(nèi)其他設(shè)備和調(diào)度系統(tǒng)的信息交互。

智能設(shè)備由高壓設(shè)備和智能組件組成。高壓設(shè)備與智能組件之間通過傳感器和控制器組成一個(gè)有機(jī)整體。智能組件可以集成測(cè)量、控制、計(jì)量、檢測(cè)、保護(hù)等全部或部分功能。

4 開關(guān)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展

近年來(lái)隨著我國(guó)電網(wǎng)向大容量、特高壓方向的發(fā)展，樞紐電站關(guān)鍵設(shè)備的可靠性直接決定了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電可靠性，因此電力設(shè)備智能化是電力技術(shù)發(fā)展的歷史必然。

智能電力設(shè)備以測(cè)量數(shù)字化、信息互動(dòng)化、狀態(tài)可視化、控制網(wǎng)絡(luò)化、功能一體化為基本特征，支撐智能電網(wǎng)的自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)決策和協(xié)同互動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠、資源節(jié)約和環(huán)境友好的目標(biāo)。

通常情況下，對(duì)開關(guān)設(shè)備外部狀態(tài)的判斷是比較直觀的，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的狀態(tài)惡化和缺陷時(shí)，消除也是相對(duì)容易的，在現(xiàn)場(chǎng)便可更換失效的零部件，恢復(fù)設(shè)備的原有功能。對(duì)于運(yùn)行中的開關(guān)設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)（包括絕緣狀態(tài)、導(dǎo)電及滅弧元件的燒蝕狀態(tài)等）的診斷和缺陷的消除通常十分困難，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)條件受到限制，很難進(jìn)行解體檢修。

研究應(yīng)用先進(jìn)的電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等技術(shù)不僅對(duì)運(yùn)行中的高壓斷路器進(jìn)行實(shí)時(shí)機(jī)械、絕緣等方面在線監(jiān)測(cè)集成（包括SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)、斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)、斷路器機(jī)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、局放狀態(tài)監(jiān)測(cè)）、而且對(duì)研究應(yīng)用的運(yùn)行參數(shù)和開關(guān)設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多參量綜合狀態(tài)分析整合，才能真正實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備實(shí)時(shí)健康狀態(tài)結(jié)果的傳輸。

（1）智能高壓開關(guān)設(shè)備模型及體系結(jié)構(gòu)研究

智能高壓開關(guān)設(shè)備是智能電網(wǎng)控制的基礎(chǔ)，研究開發(fā)高壓開關(guān)設(shè)備智能組件，使智能開關(guān)具有自監(jiān)測(cè)、自診斷和自控制的能力，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制提供技術(shù)基礎(chǔ)。為了更好地控制研發(fā)、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和檢修，對(duì)開關(guān)類設(shè)備結(jié)構(gòu)建立完整、清晰的描述模型，設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的可識(shí)別性是智能高壓開關(guān)研制的關(guān)鍵。研究嵌入式多元智能傳感器陣列技術(shù)，建立設(shè)備研發(fā)、測(cè)試、型式試驗(yàn)、大修、故障處理等數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)關(guān)鍵特征量的時(shí)-空域綜合監(jiān)測(cè)。研究故障機(jī)理和故障信息傳播模型，利用有限測(cè)點(diǎn)信息，反演或推測(cè)故障發(fā)展過程。建立統(tǒng)一的開關(guān)設(shè)備故障分析模型，基于監(jiān)測(cè)信息、運(yùn)行工況和環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障源的綜合診斷和定位，形成對(duì)設(shè)備狀態(tài)的整體描述。

（2）智能高壓開關(guān)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)及診斷技術(shù)研究

研究開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)診斷技術(shù)，建立開關(guān)設(shè)備典型故障指紋特征及指紋庫(kù)。建立快速有效的開關(guān)狀態(tài)診斷算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析。通過信息與應(yīng)用的集成融合，建設(shè)設(shè)備狀態(tài)全景信息綜合監(jiān)視平臺(tái)，獲得更全面細(xì)致的開關(guān)設(shè)備狀態(tài)視圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的深入分析和優(yōu)化，為運(yùn)行控制和檢修決策的提供依據(jù)。

（3）智能高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)技術(shù)

事故的早期預(yù)警對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)而言是非常困難的，智能技術(shù)能夠充分利用經(jīng)驗(yàn)累積的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)可靠預(yù)警。研究開關(guān)設(shè)備可靠性參數(shù)隨運(yùn)行年限、運(yùn)行經(jīng)歷、負(fù)載狀態(tài)等相關(guān)因素的變化關(guān)系，建立智能開關(guān)設(shè)備的可靠性模型、算法和指標(biāo)體系，系統(tǒng)研究開關(guān)設(shè)備可靠性對(duì)智能電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制與維修決策的影響。研究狀態(tài)監(jiān)測(cè)、檢修管理、運(yùn)行監(jiān)控和電網(wǎng)安全防御等信息系統(tǒng)的多維度無(wú)縫集成技術(shù)，基于決策信息的高度共享，形成電網(wǎng)全局最優(yōu)決策。通過分析設(shè)備的健康水平，為設(shè)備運(yùn)行安排和檢修決策提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)投資規(guī)劃、采購(gòu)、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和退役處置的全壽命周期優(yōu)化管理。

5 結(jié)論

自主開發(fā)的新一代智能GIS的問世，在實(shí)現(xiàn)智能電力設(shè)備產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)社會(huì)分工和社會(huì)化大生產(chǎn)，以致形成強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的智能產(chǎn)業(yè)起著積極的推動(dòng)作用。無(wú)論基于對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)、管理效益，還是基于對(duì)未來(lái)電力技術(shù)發(fā)展和變革的巨大市場(chǎng)，都具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。