智能变电站一次设备新技术
2017-06-02
国网四川省电力公司技能培训中心的研究人员李红军、刘亚磊，在2015年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，智能电网已成为全球电网发展的大趋势，是新一轮能源革命的基础和重要组成部分。
智能变电站是建设智能电网的关键环节和重要内容，一次设备的智能化是智能变电站与传统变电站的重要区别，研究智能变电站一次设备智能化技术具有重要的意义和价值。
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。
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。
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。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。
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。
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。
国网四川省电力公司技能培训中心的研究人员李红军、刘亚磊，在2015年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，智能电网已成为全球电网发展的大趋势，是新一轮能源革命的基础和重要组成部分。
智能变电站是建设智能电网的关键环节和重要内容，一次设备的智能化是智能变电站与传统变电站的重要区别，研究智能变电站一次设备智能化技术具有重要的意义和价值。
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。
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。
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。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。
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。
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。