智能電網(wǎng)中二次設(shè)備發(fā)展

文／國家電網(wǎng)中國電力技術(shù)裝備有限公司 周逢權(quán)／

智能電網(wǎng)從根本上講是將信息技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)高度“融合”，從而極大地提升電網(wǎng)的信息感知、信息互聯(lián)和智能控制能力，提高電網(wǎng)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)各種新的應(yīng)用。因此，它需要進(jìn)行大量信息采集，并通過龐大通信網(wǎng)絡(luò)，形成實(shí)時(shí)、高速、雙向的信息流，采用開放的系統(tǒng)和共享的信息模式，促進(jìn)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的高度融合和統(tǒng)一，以保證包括從需求側(cè)設(shè)施到廣泛分散的分布式發(fā)電再到電力市場的整個(gè)電力系統(tǒng)及相關(guān)環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行，支撐各類業(yè)務(wù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

一、智能電網(wǎng)引起的變化

智能電網(wǎng)采用感知、嵌入處理和數(shù)字通信技術(shù)，使電網(wǎng)具有可見性、可控性、自動化以及完全集成的功能。

埃森哲認(rèn)為智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能的方法：

（1）控制：多代理系統(tǒng)；高級變電站自動化；高級配電自動化；Web服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。

（2）決策：準(zhǔn)自治軟件；高級模式識別；高級可視化方法；數(shù)值氣象預(yù)報(bào)。

（3）通信：第二代互聯(lián)網(wǎng)；光纖以太網(wǎng)；電力寬帶；3G及4G無線通訊技術(shù)；新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（4）采集：線路在線測溫；無線智能電網(wǎng)信息感應(yīng)器；光纖PT和CT；無線智能設(shè)備狀態(tài)感應(yīng)器；客戶門戶。

（5）設(shè)備：分布式微網(wǎng)；高效率的綠色分布式電源；高級儲能系統(tǒng)；高級電網(wǎng)控制設(shè)備；高級大容量導(dǎo)體。

二、二次設(shè)備的重新定義

1 智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)

智能電網(wǎng)從根本上講是將信息技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)高度“融合”，從而極大地提升電網(wǎng)的信息感知、信息互聯(lián)和智能控制能力，提高電網(wǎng)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)各種新的應(yīng)用。因此，它需要進(jìn)行大量信息采集，并通過龐大通信網(wǎng)絡(luò)，形成實(shí)時(shí)、高速、雙向的信息流，采用開放的系統(tǒng)和共享的信息模式，促進(jìn)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的高度融合和統(tǒng)一，以保證包括從需求側(cè)設(shè)施到廣泛分散的分布式發(fā)電再到電力市場的整個(gè)電力系統(tǒng)及相關(guān)環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行，支撐各類業(yè)務(wù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

另一方面，電網(wǎng)和電力系統(tǒng)以及相關(guān)物品與設(shè)備等滿足物聯(lián)網(wǎng)的各種特征，且電力系統(tǒng)的自動化水平與信息化水平高，基礎(chǔ)通信條件好，有利于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前，智能電網(wǎng)目標(biāo)明確，需求清晰，預(yù)期效果明顯。智能電網(wǎng)的發(fā)展與建設(shè)將成為拉動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，甚至整個(gè)信息通信產(chǎn)業(yè)（ICT）發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動力，并有力影響和推動其他行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和部署進(jìn)度，進(jìn)而提高我國工業(yè)生產(chǎn)、行業(yè)運(yùn)作和公眾生活等各個(gè)方面的信息化水平。

2 傳感與量測技術(shù)與傳感器

傳感與量測技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測、分析、控制中起著基礎(chǔ)性作用，提高了智能電網(wǎng)的可觀測性。傳感與量測技術(shù)將在智能電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，涉及新能源發(fā)電、輸電、配電、用電等眾多領(lǐng)域。

傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。智能電網(wǎng)使用的傳感器包括傳統(tǒng)傳感器、光纖傳感器以及新興的智能傳感器等。傳統(tǒng)傳感器包括電流/電壓傳感器、氣體傳感器、超高頻傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器等。

傳感器技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的一種表現(xiàn)形式已開始得到應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要素是傳感器、感知對象和觀察者。傳感器之間、傳感器與觀察者之間通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

3 新能源發(fā)電與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

大規(guī)模新能源發(fā)電場的狀態(tài)監(jiān)控和量測離不開使用大量傳感器，例如：傳感技術(shù)開始用于檢測和優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪系統(tǒng)。這些風(fēng)輪通常體積巨大，又安裝在比較遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)。監(jiān)視工程師需要實(shí)時(shí)了解這些風(fēng)輪的狀態(tài)。傳感器通常在風(fēng)輪組裝的時(shí)候很容易安裝在風(fēng)輪上。

4 智能輸變電與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

智能變電環(huán)節(jié)是智能電網(wǎng)中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，特別是設(shè)備狀態(tài)檢修，資產(chǎn)全壽命管理，變電站綜合自動化。利用物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，可以提高電網(wǎng)變電環(huán)節(jié)的自動化和數(shù)字化水平、設(shè)備檢修模式以及設(shè)備狀態(tài)自動診斷，提高電網(wǎng)變電環(huán)節(jié)各方面的技術(shù)水平。

輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用之一。采用不同的傳感器可以監(jiān)測包括微風(fēng)振動、風(fēng)偏、線路舞動、線路溫度、線路覆冰、桿塔傾斜等輸電線路狀態(tài)，環(huán)境溫度、風(fēng)速、障礙物距離、危險(xiǎn)接近等。

對于調(diào)度來說，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以全面有效地對電力傳輸?shù)恼麄€(gè)系統(tǒng)，從電廠、變電站、高壓輸電線路直至用戶終端進(jìn)行智能化處理。包括對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動故障處理，確定電網(wǎng)整體的健康水平，觸發(fā)可能導(dǎo)致電網(wǎng)故障發(fā)展的早期預(yù)警，確定是否需要立即進(jìn)行檢查或采取相應(yīng)的措施，分析電網(wǎng)系統(tǒng)的故障、電壓降低、電能質(zhì)量差、過載和其他不希望的系統(tǒng)狀態(tài)，基于這些分析，采取相應(yīng)控制行動。

5 智能配電與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)警與檢修方面的應(yīng)用主要有：

（1）對配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的環(huán)境狀態(tài)信息、機(jī)械狀態(tài)信息、運(yùn)行狀態(tài)信息的感知與監(jiān)測；

（2）配電網(wǎng)設(shè)備安全防護(hù)預(yù)警；

（3）對配電網(wǎng)設(shè)備故障的診斷評估和配電網(wǎng)設(shè)備定位檢修等方面。

（4）例如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可用于智能配電網(wǎng)的現(xiàn)場作業(yè)管理以及智能巡檢。

6 智能用電與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，智能用電將快速實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向互動，供提高電可靠率與用電效率，大量分布式電源、微網(wǎng)、電動汽車充放電系統(tǒng)、大范圍應(yīng)用儲能設(shè)備接入電網(wǎng)，這些都需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能用電環(huán)節(jié)擁有廣泛應(yīng)用空間，例如∶智能表計(jì)及高級量測、智能插座、智能用電交互與智能用電服務(wù)；電動汽車及其充電站的管理；綠色數(shù)據(jù)中心與智能機(jī)房；能效監(jiān)測與管理和電力需求側(cè)管理等。

7 智能電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器

面向智能電網(wǎng)運(yùn)行與設(shè)備制造的實(shí)際需求，充分利用已有技術(shù)成果，研制基于電力物聯(lián)網(wǎng)的電流/電壓傳感器、氣體傳感器、超聲波傳感器、超高頻傳感器、光學(xué)傳感器、溫濕度傳感器與壓力傳感器、震動傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器、角度傳感器、紅外傳感器、集成溫濕度傳感器、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器、行波傳感器、煙霧傳感器、日照強(qiáng)度傳感器、圖像傳感器、傾斜角傳感器、感應(yīng)報(bào)警傳感器、微波感應(yīng)傳感器、氣敏傳感器、聲表面波傳感器、絕緣子傳感器等擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能電網(wǎng)系列專用智能感知裝備，推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能感知裝備的大力發(fā)展，滿足我國面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的信息采集前端產(chǎn)品需求。

三、控制保護(hù)領(lǐng)域的突破

1 主網(wǎng)保護(hù)的變化

主網(wǎng)保護(hù)是利用先進(jìn)的光纖通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、繼電保護(hù)及控制、電網(wǎng)運(yùn)行等技術(shù)，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，并將其擴(kuò)展到調(diào)度層面，將調(diào)度范圍內(nèi)的保護(hù)集中配置，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)度自動化與保護(hù)控制的一體化，并按照三級調(diào)度（國調(diào)、省調(diào)、地調(diào)）配備。其通俗的含義是基于變電站信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化特征，將區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)多變電站信息傳輸至監(jiān)控中心，集中實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)及自動化/監(jiān)控功能的系統(tǒng)。它的基本特性是大大簡化了變電站內(nèi)的二次系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定值免整定，促進(jìn)了調(diào)控一體化建設(shè)。

2 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的概念

1）現(xiàn)有技術(shù)背景

（1）傳統(tǒng)后備保護(hù)定值整定和配合困難；

（2）基于IEC61850-9-2協(xié)議的數(shù)據(jù)共享采樣傳輸技術(shù)；

（3）支持IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議的技術(shù)及設(shè)備發(fā)展成熟；

（4）智能電網(wǎng)和智能變電站、調(diào)控一體化技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了對網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)的關(guān)注和研究。

2）主要特征

（1）站內(nèi)設(shè)備一次化：變電站測量和智能組件與一次設(shè)備整合一體化安裝。

（2）保護(hù)監(jiān)控集成化：按照調(diào)度管理范圍變電站的繼電保護(hù)與自動化系統(tǒng)功能全部上移至調(diào)度控制中心并集中完成。

（3）調(diào)度控制一體化：調(diào)控一體化與變電站自動化系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一體化保護(hù)、監(jiān)測與控制。

（4）電網(wǎng)運(yùn)行智能化：利用全景實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的智能化監(jiān)測、保護(hù)、控制、計(jì)量及運(yùn)行檢修管理。

3 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)對現(xiàn)有系統(tǒng)的變革

1）電子式互感器、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)越特性，使繼電保護(hù)、自動化、通信、計(jì)量等二次專業(yè)融為一體，不可分割，必然帶來運(yùn)行管理方式的變化，促進(jìn)了“大二次”的建設(shè)。

2）繼電保護(hù)定值免整定。解決了繼電保護(hù)整定計(jì)算周期較長，后備保護(hù)長期難以配合而帶來的安全隱患。

3）繼電保護(hù)由面向元件轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛳到y(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)高度集成集中配置，解決二次設(shè)備較多，配置不靈活，不能適應(yīng)分布式電源接入，不能實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行等諸多問題。

4 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)完成的目標(biāo)

1）變電站內(nèi)建設(shè)一次化，一次設(shè)備智能化，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化，二次設(shè)備集成化。取消變電站級繼電保護(hù)設(shè)備及其他二次設(shè)備，只保留網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和電源系統(tǒng)。

2）二次測量、智能單元、合并單元、在線監(jiān)測組件與一次設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化配置；變電站建設(shè)實(shí)現(xiàn)模塊化。

3）保護(hù)控制策略上升到系統(tǒng)調(diào)度層面，全面提高繼電保護(hù)和控制性能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

4）繼電保護(hù)主保護(hù)全部采用原理簡單、性能可靠的差動保護(hù)，后備保護(hù)實(shí)現(xiàn)免整定，從而自適應(yīng)系統(tǒng)擴(kuò)建、新能源分布式接入、環(huán)網(wǎng)運(yùn)行等變化。

5）采用網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)損、 線損的在線動態(tài)監(jiān)測與分析，全面提升電網(wǎng)管理水平。

6）調(diào)度數(shù)據(jù)由秒級提升到亞秒級，使系統(tǒng)分析、預(yù)警、控制具備實(shí)時(shí)性，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度策略的實(shí)時(shí)在線調(diào)控，智能調(diào)度。

7）低頻減載、聯(lián)機(jī)切負(fù)荷、備自投等裝置實(shí)現(xiàn)控制量自由組合，在調(diào)度集中設(shè)置，實(shí)現(xiàn)調(diào)度安全自動控制和倒閘操作的順序控制。

8）建立設(shè)備狀態(tài)專家系統(tǒng)和RFID電子化標(biāo)簽系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修的自動化管理。

5 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)解決方案

1）變電站設(shè)備

采用測量、智能單元、合并單元、一段保護(hù)（基于參數(shù)測量技術(shù)，保護(hù)范圍達(dá)95%，通信故障時(shí)投入）一體化的綜合智能裝置，雙重化配置，并與一次設(shè)備整合。

2）區(qū)域保護(hù)配置

（1）將區(qū)域電網(wǎng)整體視為保護(hù)對象；

（2）主保護(hù)故障隔離范圍定義為直接與故障點(diǎn)相連的所有開關(guān)，用這些開關(guān)CT做多端差動保護(hù)，保護(hù)動作時(shí)跳開與故障點(diǎn)相連的所有開關(guān)；

（3）當(dāng)開關(guān)CT異?；蜷_關(guān)失靈時(shí)投入后備擴(kuò)大差動保護(hù)；

（4）根據(jù)開關(guān)失靈狀態(tài)自動隔離失靈開關(guān)，迅速恢復(fù)供電。

6 配電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)變化趨勢

1）輻射網(wǎng)供電

2）雙環(huán)網(wǎng)供電

3）智能小區(qū)集中保護(hù)

集中保護(hù)與智能終端配合快速實(shí)現(xiàn)配電線路閉環(huán)運(yùn)行的故障區(qū)段識別和故障隔離。

智能配電站系統(tǒng)（非實(shí)時(shí)處理）：根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成網(wǎng)絡(luò)化差勁算法定值整定文件；生成恢復(fù)重構(gòu)定值整定文件；下載到集中式保護(hù)控制裝置。

集中式保護(hù)控制裝置（實(shí)時(shí)處理）：接受終端上送矢量值和狀態(tài)信息；根據(jù)定值整定進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化差動運(yùn)；根據(jù)恢復(fù)整定進(jìn)行開關(guān)操作；上送故障信息。

智能終端（實(shí)時(shí)處理）：采集電壓電流及開關(guān)位置等狀態(tài)信息；接受集中式保護(hù)控制裝置跳合閘命令；根據(jù)整定完成后備保護(hù)功能；上送故障信息及其他運(yùn)行信息。

4）定制電力—提高供電可靠性

利用低壓固態(tài)開關(guān)SSTS實(shí)現(xiàn)雙回路供電的快速切換，提高電力供電可靠性

5）定制電力—提高電能質(zhì)量

利用DSTATCOM快速連續(xù)提供容性和感性無功功率，實(shí)現(xiàn)電壓和無功功率控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行

利用UPQC同時(shí)補(bǔ)償無功、諧波電流、諧波電壓，提高母線電能質(zhì)量,并配合分布式電源實(shí)現(xiàn)重要負(fù)荷的不間斷供電。

四、計(jì)量領(lǐng)域的突破帶來的變革

1 能源計(jì)量體系的變革，如右圖所示。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)量

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)電器的耗電量；

（2）提供更加詳盡的用電信息；

（3）用戶用電行為模式分析；

（4）電器智能控制。

五、總結(jié)

新一代智能電網(wǎng)具有能源生產(chǎn)形式多樣化、能源消費(fèi)有序化、管理分層化的內(nèi)涵；新能源、多能源交通工具的使用，分布式能源的廣泛接入，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用；新型通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、節(jié)能環(huán)保技術(shù)等一體的新型集成系統(tǒng)，為人們提供綠色、清潔、健康、環(huán)保、便捷的工作生活環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人類活動與環(huán)境的和諧發(fā)展。