智能一次設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)則探討

張斌　李欣

【摘 要】設(shè)計(jì)規(guī)則是企業(yè)占據(jù)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的強(qiáng)有力武器，針對當(dāng)前國內(nèi)一次設(shè)備智能化實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)的若干問題，基于現(xiàn)代模塊化設(shè)計(jì)理論，以電力變壓器為例，從智能組件各功能模塊的成熟度、配置必要性、模塊之間的內(nèi)聚度等方面，探討了智能一次設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)方法；提出在當(dāng)前的技術(shù)條件下將智能組件過程設(shè)備由對應(yīng)的一次設(shè)備廠家集中采購和組屏；將變電站內(nèi)的變壓器、開關(guān)智能組件的間隔層設(shè)備由二次設(shè)備廠家以全站方式統(tǒng)一采購，有利于解決了智能組件在變電站自動化系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，功能界限劃分不明確等問題，為智能一次設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)則的制定提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】設(shè)計(jì)規(guī)則；電力變壓器；模塊化；智能組件

0.引言

設(shè)計(jì)規(guī)則是現(xiàn)代模塊化理論的關(guān)鍵，它由結(jié)構(gòu)、界面和標(biāo)準(zhǔn)三個部分組成。結(jié)構(gòu)確定哪些模塊是系統(tǒng)的構(gòu)成要素，它們是怎么樣發(fā)生作用的；界面詳細(xì)規(guī)定模塊如何相互作用，模塊相互之間的位置如何安排、聯(lián)系，如何交換信息等；標(biāo)準(zhǔn)用于檢驗(yàn)?zāi)K是否符合設(shè)計(jì)規(guī)則，測定模塊的性能。設(shè)計(jì)規(guī)則的制定者往往就是產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定者，對企業(yè)來說，就意味著引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，占據(jù)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)[1，2]。在經(jīng)濟(jì)全球化時代國際競爭的大背景下，對中國企業(yè)來說，控制標(biāo)準(zhǔn)已成為國際競爭最強(qiáng)有力的武器。1964年，IBM公司投入巨資，歷時幾年完成了360型模塊化電腦的設(shè)計(jì)規(guī)則，贏得了市場的先機(jī)，導(dǎo)致硅谷計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)群的興起。目前，我國在智能電網(wǎng)的建設(shè)中某些領(lǐng)域已走在世界的前列，而智能一次設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)則在國內(nèi)外還屬于空白。對于我國的電力系統(tǒng)設(shè)備制造企業(yè)，特別是大型企業(yè)來說，應(yīng)該抓住當(dāng)前智能變電站建設(shè)的大好時機(jī)，投入人力物力強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，將智能一次設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)則牢牢掌握在自己手中，才能在未來激烈的市場競爭中占據(jù)有利位置，贏得主動權(quán)。本文探討了智能一次設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)則，以期拋磚引玉。

1.現(xiàn)狀與不足

準(zhǔn)確的說，目前國內(nèi)基本上還處在一次設(shè)備智能化階段，國外在智能開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域已具有一些較成熟產(chǎn)品，如ABB公司研制的集測量、保護(hù)、控制于一體的真空斷路器、EXK以及ELK型智能GIS、插接式開關(guān)系統(tǒng)PASS、另外，西門子、阿爾斯通、東芝等國際知名公司也具有相應(yīng)的智能化GIS產(chǎn)品[3，4]。國內(nèi)通過一次設(shè)備加傳感器加智能組件的形式實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化[5-7]，國內(nèi)領(lǐng)先的一次設(shè)備廠家、二次設(shè)備廠家、高校以及在線監(jiān)測廠家已積極開展合作，如由中國電科院組織發(fā)起的“智能高壓設(shè)備技術(shù)合作研究組織”， 聯(lián)合平高電氣、特變電工公司、清華大學(xué)、保定天威集團(tuán)等共10家單位組成。該組織制定了“高壓設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則”、“油浸式電力變壓器智能化技術(shù)條件”、“高壓開關(guān)設(shè)備智能化技術(shù)條件”等一系列標(biāo)準(zhǔn)，為智能變電站的建設(shè)發(fā)揮了重要作用。但在智能組件的實(shí)際工程實(shí)施發(fā)現(xiàn)存在若干問題，表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）智能一次設(shè)備是跨領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)，在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，智能組件的組成形式未能統(tǒng)一?！案邏涸O(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則”中對于變壓器本體測量、有載調(diào)壓控制、冷卻系統(tǒng)控制和非電量保護(hù)等功能主張由控制參量測量IED（智能電子設(shè)備）、冷卻裝置控制IED、有載調(diào)壓控制IED和非電量保護(hù)裝置四個獨(dú)立的裝置來實(shí)現(xiàn)[8，9]， “智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范”主張將上述四項(xiàng)功能由變壓器本體智能終端來實(shí)現(xiàn)[10]，二者的設(shè)備組成差別較大，接口要素不一樣。易造成設(shè)計(jì)和施工的混亂。

（2）當(dāng)前階段，一次設(shè)備智能組件功能與變電站自動化系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能界限劃分不明確，對于智能組件中已有的測量、控制和監(jiān)測功能是否意味著在變電站自動化系統(tǒng)招標(biāo)中就不需要再招標(biāo)測控等裝置未明確，筆者在實(shí)際的工程實(shí)施中，就曾遇到過兩套設(shè)備同時存在，造成一定程度的浪費(fèi)和給設(shè)計(jì)、施工人員帶來了一定的疑惑。很多一線的工作人員甚至認(rèn)為智能組件就是在線監(jiān)測。

（3）一次設(shè)備智能化將會朝著智能一次設(shè)備的方向發(fā)展。目前由于我們在傳感技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)、材料與工藝等關(guān)鍵技術(shù)上面受到一定限制，未能將智能組件與一次設(shè)備集成在一起，而是采用智能組件柜的形式安裝在一次設(shè)備附近。但是，未來的發(fā)展趨勢將會是結(jié)構(gòu)一體化，ABB公司的智能開關(guān)設(shè)備就已經(jīng)為我們指明了方向。所以我們的智能組件在結(jié)構(gòu)形式上不應(yīng)是各功能IED和屏柜的堆砌，而應(yīng)是朝著功能集成、結(jié)構(gòu)緊湊的方向發(fā)展。在標(biāo)準(zhǔn)制定時應(yīng)具有一定前瞻性。

針對上述問題，究其原因，是智能一次設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時，智能組件的各模塊邊界劃分不清晰，對于智能組件如何模塊化，模塊化到什么程度缺少科學(xué)的分析。下文將以電力變壓器為例，探討智能一次設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)則。

2.智能電力變壓器的功能模塊及其相互關(guān)系分析

模塊化理論是解決復(fù)雜系統(tǒng)的有效方法，設(shè)計(jì)規(guī)則是模塊化理論的核心思想。對于復(fù)雜系統(tǒng)，依據(jù)“由上而下”的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)首先厘清系統(tǒng)的“骨骼”和“脈絡(luò)”。筆者對變壓器智能組件的功能模塊其進(jìn)行了分類和歸納，如圖1所示（矩形框?yàn)橹悄芙M件的必選功能，橢圓為可選功能）。智能組件按照智能變電站的層次分為過程層和間隔層，間隔層的必配功能包括：變壓器保護(hù)、測控、非電量保護(hù)；間隔層的可選功能包括：冷卻系統(tǒng)智能控制、狀態(tài)診斷及評估功能；過程層的必選功能包括：油溫及環(huán)境溫度測量、氣體繼電器及壓力釋放信號測量、油位及檔位信號測量、有載分接開關(guān)與冷卻系統(tǒng)控制功能，過程層的可選功能分為：風(fēng)扇電機(jī)電流電壓監(jiān)測、鐵心接地電流監(jiān)測、油色譜及微水監(jiān)測、振動與噪聲監(jiān)測、套管絕緣監(jiān)測和直流偏磁監(jiān)測等。各側(cè)負(fù)荷電流及中心點(diǎn)電流往往由開關(guān)智能組件的合并單元采集，在智能變電站中變壓器智能組件一般不重復(fù)采集，通過光纖以太網(wǎng)直接獲取，智能變電站中筆者將其劃分在變壓器智能組件之外。

圖1中展示了間隔層功能模塊與過程層功能模塊之間的作用關(guān)系。間隔層的必選功能與過程層的必選功能內(nèi)聚度較大（功能穩(wěn)定），與過程層的可選功能耦合度?。贿^程層可選功能風(fēng)扇電機(jī)電流電壓監(jiān)測及鐵心接地電流（多點(diǎn)接地，影響油溫）均與冷卻系統(tǒng)智能控制有關(guān)，其內(nèi)聚度較大。間隔層的狀態(tài)診斷及評估功能與所有的過程層功能模塊都有關(guān)系，從狀態(tài)診斷及評估的角度來說，信息越豐富，診斷的結(jié)果越準(zhǔn)確。過程層的各項(xiàng)信息對狀態(tài)診斷來說是相互印證，相互補(bǔ)充的關(guān)系[11]，所以對于狀態(tài)診斷及評估模塊來說，過程層各可選功能模塊之間的耦合關(guān)系都屬于松耦合關(guān)系，從目前的技術(shù)成熟度及診斷的準(zhǔn)確性來說，除了過程層的必選項(xiàng)目，與鐵心接地電流和油色譜監(jiān)測內(nèi)聚度較大。

3.模塊劃分及其結(jié)構(gòu)與接口設(shè)計(jì)探討

設(shè)計(jì)規(guī)則規(guī)定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模塊間的接口，它的優(yōu)點(diǎn)是在不影響系統(tǒng)（整機(jī)）的功能和性能的前提下，為模塊的創(chuàng)新和競爭提供最大的自由度，這對于智能組件各模塊的創(chuàng)新和發(fā)展是非常有利的。根據(jù)圖1中所示的各功能模塊，對于哪些模塊可以組合，哪些模塊應(yīng)該獨(dú)立配置，接口及結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)更為合理，對于何種設(shè)備采購方式更有利于未來智能一次設(shè)備的發(fā)展趨勢，下文將逐一進(jìn)行探討。

對于接口的選擇模塊化理論的觀點(diǎn)是：模塊分解點(diǎn)應(yīng)選擇在模塊的內(nèi)聚度大（功能穩(wěn)定）、耦合度?。ń涌诤喴祝┑牟课唬瑫r接口應(yīng)保持穩(wěn)定。本文從各功能模塊的成熟性、配置必要性、模塊之間的內(nèi)聚度及組合的可行性等方面著手，對智能組件的功能進(jìn)行模塊劃分。

3.1必配功能的模塊化設(shè)計(jì)

對于變壓器的過程層必配功能：變壓器的測量、冷卻系統(tǒng)控制、有載調(diào)壓控制、非電量保護(hù)以及本體信息交互功能，筆者從模塊化理論出發(fā)，認(rèn)為上述功能采用智能終端的方式來實(shí)現(xiàn)較合理，理由如下：

（1）測量IED、冷卻系統(tǒng)控制、OLTC控制、非電量保護(hù)均為必選功能，總體功能穩(wěn)定，同時與多個間隔層功能模塊有作用關(guān)系，內(nèi)聚度較大，如集成在一起，可簡化接口和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（2）智能終端技術(shù)成熟，且符合智能一次設(shè)備的功能集成，結(jié)構(gòu)一體化的特征[12，13]，有利于一次設(shè)備智能化向智能一次設(shè)備的過渡；

對于變壓器的必配間隔層設(shè)備，由于過程層智能終端的存在，本體測控裝置的功能已弱化，在智能變電站的設(shè)計(jì)中，本體測控的功能一般可由高壓側(cè)測控裝置來實(shí)現(xiàn)。按照智能組件面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則，將本體測控功能并入變壓器保護(hù)裝置是未來的發(fā)展趨勢[14]。

3.2可選功能的模塊化設(shè)計(jì)

可選功能模塊由于在實(shí)際工程應(yīng)用中配置的不確定性，加上各功能模塊的成熟度不一致，測量的原理不盡相同，所以對于間隔層和過程層的可選功能模塊保持獨(dú)立較合理。考慮到鐵心接地電流監(jiān)測和風(fēng)扇電機(jī)電流電壓監(jiān)測同時與冷卻系統(tǒng)智能控制功能有作用關(guān)系，加上其測量原理相近，且技術(shù)都較成熟，內(nèi)聚度較大，可將其組合成“交流信號監(jiān)測裝置”，設(shè)計(jì)時可采用模塊化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用時其功能可靈活配置。

3.3接口標(biāo)準(zhǔn)

DL/T860標(biāo)準(zhǔn)為智能組件各模塊的通信接口標(biāo)準(zhǔn)化和互操作奠定了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[15]補(bǔ)充規(guī)定了在線監(jiān)測裝置的接口，文獻(xiàn)[10]、[16]定義了智能終端和合并單元的接口，在智能變電站的建設(shè)過程中，上述接口已逐漸趨于統(tǒng)一，本文就不再詳細(xì)論述。

3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變壓器智能組件的結(jié)構(gòu)包括各種裝置的結(jié)構(gòu)及其組屏方式。保護(hù)、測控以及智能終端裝置從目前各主流設(shè)備廠家產(chǎn)品趨于4U結(jié)構(gòu)機(jī)箱，各種在線監(jiān)測裝置由于其測量原理的不同其結(jié)構(gòu)相對而言差別較大，相比自動化系統(tǒng)，在線監(jiān)測系統(tǒng)廠家分布較廣，且還處于逐步成熟的階段，今后還有待進(jìn)一步規(guī)范。本文重點(diǎn)將探討智能組件的組屏方式。從目前智能組件的組屏方式來看，分為一次設(shè)備廠家的戶外端子屏、在線監(jiān)測廠家的在線監(jiān)測屏和二次設(shè)備廠家的二次設(shè)備屏?？偟膩碚f，屏柜數(shù)量偏多，且每個屏上的安裝空間未充分利用，有的屏甚至只裝了一個4U的機(jī)箱，造成屏柜和土地資源的浪費(fèi)。針對上述現(xiàn)象，本文提出以下觀點(diǎn)：

（1）將智能組件的過程層設(shè)備統(tǒng)一由一次設(shè)備廠家集中組屏，過程層設(shè)備與一次設(shè)備之間的接線和安裝聯(lián)系緊密，如智能終端與變壓器之間存在電纜的連接，各在線監(jiān)測設(shè)備傳感器的安裝及信號采集也是與變壓器密切相關(guān)，未來這一層設(shè)備有與一次設(shè)備結(jié)構(gòu)上緊密結(jié)合的趨勢，如圖2所示。統(tǒng)一集中組屏可以解決智能組件的分散狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變壓器的所有信息就地?cái)?shù)字化輸出。在變壓器招標(biāo)時，可按照表1明確其智能化的項(xiàng)目，統(tǒng)一組屏和調(diào)試。同時，這種跨領(lǐng)域的技術(shù)集成有利于智能組件的技術(shù)創(chuàng)新，為我國在該領(lǐng)域引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造條件。

（2）智能組件的間隔層設(shè)備由二次設(shè)備廠家集中采購組屏，間隔層設(shè)備承擔(dān)著保護(hù)、智能控制、診斷等高級應(yīng)用功能，目前二次設(shè)備的組屏大多還是安裝在小室內(nèi)，且屬于變電站自動化系統(tǒng)招標(biāo)范疇，一般是面向整個變電站進(jìn)行招標(biāo)，而不是針對某個一次設(shè)備，所以將二次設(shè)備集中起來由二次設(shè)備供應(yīng)商集中組屏、安裝，如圖2所示。

按照上述劃分，智能組件的模塊劃分明確，不存在重復(fù)情況，而且結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省資源，各模塊之間接口明確，滿足互操作的要求。

4.結(jié)語

智能一次設(shè)備是跨專業(yè)領(lǐng)域的新生事物，智能組件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定不能各自為政，應(yīng)強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)理論，盡早制定出智能一次設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)則，方能確保國內(nèi)各產(chǎn)業(yè)在國際上的主導(dǎo)地位[17]。針對目前國內(nèi)各專業(yè)相對分散的實(shí)際情況，應(yīng)不斷完善和修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確各模塊接口及功能定位。各產(chǎn)業(yè)公司應(yīng)發(fā)揮各自優(yōu)勢，使自身成為智能一次設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈中的一部分，對于智能一次設(shè)備的功能集成、結(jié)構(gòu)一體化以及智能一次設(shè)備的創(chuàng)新具有重要意義。 [科]

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