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        高電壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的研究與實(shí)施

        2012-10-19 14:54:28扎西曲達(dá)尼瑪石達(dá)米瑪次仁貢嘎羅布
        四川電力技術(shù) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:監(jiān)測(cè)技術(shù)變電站高壓

        拉 貴,扎西曲達(dá),尼瑪石達(dá),米瑪次仁,貢嘎羅布

        (西藏電力科學(xué)研究院,西藏 拉薩 850000)

        0 前言

        隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大,節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展已成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。電網(wǎng)作為關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè),其發(fā)展已經(jīng)迎來(lái)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的關(guān)鍵時(shí)期。因此期望通過(guò)建造能源使用的創(chuàng)新體系,以信息技術(shù)徹底改造現(xiàn)有的能源利用體系,最大限度地開發(fā)電網(wǎng)體系的能源效率[2]。

        電力市場(chǎng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及用戶對(duì)電能可靠性和質(zhì)量要求的不斷提升,要求未來(lái)的電網(wǎng)必須能夠提供更加安全、可靠、清潔、優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng),能夠適應(yīng)多種能源類型發(fā)電方式的需要,能夠更加適應(yīng)高度市場(chǎng)化的電力交易的需要,能夠更加適應(yīng)客戶的自主選擇需要,進(jìn)一步提高龐大的電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率和效益,提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。為此,以美國(guó)和歐盟為代表的不同國(guó)家和組織不約而同地提出要建設(shè)靈活、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)、友好的智能電網(wǎng),將智能電網(wǎng)視為未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向。隨著中國(guó)特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化,智能電網(wǎng)已將成為中國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)新方向[3-6]。

        高電壓設(shè)備是電網(wǎng)的基本單元,高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)作為高壓設(shè)備智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),是智能電網(wǎng)的重要組成部分,也是區(qū)別傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要標(biāo)志之一。高電壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是利用傳感器對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,然后把獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行收集、整合,最后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、挖掘,達(dá)到對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化管理。同時(shí)隨著近幾年新技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,為高電壓設(shè)備的智能發(fā)展提供了機(jī)遇[7]。結(jié)合今后中國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃,根據(jù)高電壓設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的需要,分析了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用,探討了區(qū)域電網(wǎng)如西藏電網(wǎng)智能電網(wǎng)建設(shè)中高電壓設(shè)備智能化發(fā)展的具體建議。

        1 智能電網(wǎng)的特征及研究進(jìn)展

        智能電網(wǎng)是一個(gè)現(xiàn)代化或智能化的電力網(wǎng)絡(luò),是一系列能使電力網(wǎng)絡(luò)智能化的技術(shù)的總稱。根據(jù)目前收集到的資料和初步研究,智能電網(wǎng)可以理解為是將信息技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和原有的輸、配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成而形成的新型電網(wǎng),它具有提高能源效率、減少對(duì)環(huán)境的影響、提高供電的安全性和可靠性、減少輸電網(wǎng)的電能損耗等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)[7-9]。因此智能電網(wǎng)也是現(xiàn)有輸配電網(wǎng)的智能化升級(jí)。智能電網(wǎng)應(yīng)該具備以下特征[10]。

        (1)堅(jiān)強(qiáng)。能夠監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài),預(yù)測(cè)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,提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

        (2)交互。用戶積極參與電網(wǎng)的運(yùn)行,根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)調(diào)整用電模式;支持用戶使用分布式電源,變電站可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶的用電情況。

        (3)環(huán)保。支持分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行,做到“即插即用”;支持風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能等大規(guī)??稍偕茉窗l(fā)電的應(yīng)用,提高電能利用率。

        (4)經(jīng)濟(jì)。優(yōu)化資源配置,提高設(shè)備傳輸容量和利用率;控制成本,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

        目前,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和理解,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[11-13]。

        美國(guó)、加拿大以及歐洲各國(guó)都相繼開展了智能電網(wǎng)相關(guān)研究,從研究現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程來(lái)看,各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的側(cè)重點(diǎn)不完全相同。對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō),對(duì)復(fù)雜大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制,是其智能電網(wǎng)發(fā)展最初的驅(qū)動(dòng),主要側(cè)重于推廣信息化、新能源、新材料和新元件。而對(duì)于歐洲智能電網(wǎng)的發(fā)展,嚴(yán)格的溫室氣體排放政策顯然起到了更大的推動(dòng)作用,分布式能源和可再生能源接入研究也相應(yīng)獲得了更多的支持[14]。中國(guó)的智能電網(wǎng)建設(shè),不僅要涵蓋歐、美智能電網(wǎng)的概念和范圍,還要加強(qiáng)骨干電網(wǎng)建設(shè)。2009年5月,中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司在2009年特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議上宣布了中國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略,明確提出建立一個(gè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的各級(jí)電網(wǎng)高度協(xié)調(diào)發(fā)展的智能電網(wǎng)[3-4]。

        2 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的研究與應(yīng)用

        與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比,智能電網(wǎng)將進(jìn)一步拓展對(duì)電網(wǎng)全景信息的獲取能力,比如通過(guò)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠獲得更精確的高壓設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù),應(yīng)用專家分析診斷系統(tǒng),可準(zhǔn)確估測(cè)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài),預(yù)測(cè)故障,優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式,提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[15]。

        中國(guó)自開始研究智能電網(wǎng)以來(lái),十分重視在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在未來(lái)智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。先后與國(guó)內(nèi)主要高壓設(shè)備制造商、設(shè)備在線監(jiān)控技術(shù)供應(yīng)商和高等院校進(jìn)行了交流,在多年從事高壓設(shè)備檢測(cè)和診斷技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的作用進(jìn)行了更加清晰的分析和定位[7]。認(rèn)為在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中高壓設(shè)備狀態(tài)的可視化和自動(dòng)化,為智能電網(wǎng)提供了最基礎(chǔ)的功能支撐。

        對(duì)于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用,需要考慮到所應(yīng)用的技術(shù)應(yīng)具有通過(guò)傳感器自動(dòng)采集設(shè)備狀態(tài)信息的能力,同時(shí)應(yīng)具有上傳采集信息到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)復(fù)制其他狀態(tài)信息的能力,包括家族缺陷信息、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)信息等,便于開展設(shè)備狀態(tài)的綜合分析和診斷。在不影響測(cè)量和可靠性的前提下,宜采用外置型傳感器,確需內(nèi)置的,僅內(nèi)置最必要部分。不論內(nèi)置或外置,傳感器的接入應(yīng)不影響高壓設(shè)備的安全運(yùn)行。

        變壓器、斷路器、GIS、電力電纜、高壓套管等高壓設(shè)備,或故障率相對(duì)較高,或故障影響較大,因此在智能電網(wǎng)建設(shè)中具備了在線監(jiān)測(cè)的需求。另一方面,對(duì)于這些設(shè)備,可用的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已有一定的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),具備開展高壓設(shè)備智能化應(yīng)用的基本條件。因此可以針對(duì)不同設(shè)備的故障模式與特點(diǎn),可以逐步開展在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,具體實(shí)施原則是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)具有檢測(cè)價(jià)值、技術(shù)相對(duì)成熟并有一定應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于油浸式電力變壓器,目前可推薦的監(jiān)測(cè)狀態(tài)參量如表1 所示。對(duì)于SF6斷路器以及GIS 設(shè)備而言,可監(jiān)測(cè)的狀態(tài)量如表2 所示,其中備注為GIS 的僅適用于GIS 設(shè)備。

        傳感器將設(shè)備的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為可測(cè)量信息,是設(shè)備狀態(tài)的感知元件。以前高壓設(shè)備制造商很少關(guān)注設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)功能,大多數(shù)檢測(cè)功能是設(shè)備投運(yùn)之后由監(jiān)測(cè)技術(shù)提供商加裝的。由于一部分傳感器需要改裝高壓設(shè)備,這不僅或多或少地影響了設(shè)備的安全,傳感器也往往不能置于最佳位置。對(duì)于外置傳感器,雖然不需改裝主設(shè)備,但影響設(shè)備的美觀甚至外絕緣。還有部分傳感器,一旦設(shè)備制造完畢,就無(wú)法植入,如變壓器繞組光纖測(cè)溫等。綜合這些情況,首先應(yīng)從高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)開始就考慮在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求,對(duì)需要內(nèi)置的傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮,制造時(shí)就安裝好,且有規(guī)范的信號(hào)接口,出廠試驗(yàn)時(shí)應(yīng)帶著傳感器進(jìn)行。對(duì)于外置傳感器,應(yīng)留有專門的安裝位置,或者也由高壓設(shè)備制造商集成。這樣處理之后,不僅設(shè)備的整體性和美觀方面得到改進(jìn),也會(huì)提升自檢測(cè)的質(zhì)量,保障高壓設(shè)備的安全。

        表1 油浸式變壓器監(jiān)測(cè)狀態(tài)參量

        表2 SF6斷路器(含GIS)監(jiān)測(cè)狀態(tài)參量

        3 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的具體實(shí)施

        為了在區(qū)域電網(wǎng)中,比如在西藏電網(wǎng)中積極推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè),利用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)高壓設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備可觀測(cè)、可控制和自動(dòng)化,可分3 個(gè)階段開展實(shí)施西藏電網(wǎng)的智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)建設(shè)。第一階段為規(guī)劃試點(diǎn)階段,大約1~2年時(shí)間,主要開展高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)和可靠性水平的在線智能監(jiān)測(cè)和評(píng)估,開展智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試點(diǎn)。針對(duì)高壓設(shè)備全面采集能夠反映系統(tǒng)主設(shè)備運(yùn)行的電脈沖、氣體生成物、局部過(guò)熱等各種特征量,進(jìn)行相關(guān)參量數(shù)字信息的采集,進(jìn)而根據(jù)電網(wǎng)需求進(jìn)行相關(guān)的狀態(tài)預(yù)判,保證設(shè)備安全和供電的可靠性。能夠監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備的狀態(tài)參量有:主變壓器與高壓電抗器(油中溶解氣體分析)、GIS(SF6氣體密度、微水含量、局部放電)、避雷器(泄漏電流、動(dòng)作次數(shù))等,為開展智能變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)積累經(jīng)驗(yàn)。

        第二階段為全面推廣階段,大約5年時(shí)間,在第一階段基礎(chǔ)上,全面推廣智能變電站在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。變電站內(nèi)分散的監(jiān)控系統(tǒng)基本融為一體,進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理,深化基于狀態(tài)的全壽命周期管理,建立精益化的評(píng)估體系,基本完成變電站全方位、多層次監(jiān)控的智能化變電站系統(tǒng)?;緦?shí)現(xiàn)的主要監(jiān)測(cè)特征量有:主變壓器與高壓電抗器(油中溶解氣體分析、局部放電、鐵心接地電流、高壓套管的介損、油中微水含量等)、斷路器(SF6壓力、溫升、機(jī)械特性、過(guò)熱)、GIS(SF6壓力、溫度、微水含量、局部放電、機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械特性)、避雷器(泄漏電流、動(dòng)作次數(shù))等。高壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)基本實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)、集成在線監(jiān)測(cè)功能。

        第三階段為引領(lǐng)提升階段,大約也為5年時(shí)間。在前一階段智能化建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)完善基礎(chǔ)上,繼續(xù)提升智能化水平。樞紐及中心變電站全面建成或更新改造成為智能變電站。變電站內(nèi)各監(jiān)控系統(tǒng)全面融為一體,全面實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備的智能在線監(jiān)測(cè),形成變電站全方位、多層次監(jiān)控的智能化變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)設(shè)備的可靠性做出判斷,對(duì)設(shè)備的剩余壽命做出預(yù)測(cè),應(yīng)用專家分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備的智能狀態(tài)檢修。在智能設(shè)備廣泛實(shí)用的基礎(chǔ)上,對(duì)設(shè)備的檢修模式進(jìn)一步優(yōu)化,電網(wǎng)可靠性水平和檢修效率大幅度提高。

        4 結(jié)論

        介紹了智能電網(wǎng)的基本特征及研究進(jìn)展,結(jié)合今后中國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃,根據(jù)高電壓設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的需要,提出了高電壓設(shè)備智能狀態(tài)檢測(cè)的分階段實(shí)施的具體建議,為今后規(guī)?;闹悄茈娋W(wǎng)建設(shè)提供可借鑒的參考。

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