智能化GIS的關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用

王松

摘 要：分析當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展的新形勢，根據(jù)國網(wǎng)公司對智能化一次設(shè)備的整體技術(shù)要求（測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化），從開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、智能控制、電機(jī)驅(qū)動等關(guān)鍵技術(shù)上描述智能化GIS的技術(shù)特征，為智能化GIS的深化研究提供研究參考。

關(guān)鍵詞：智能化GIS；智能組件；智能電網(wǎng)

中圖分類號： TM516 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）14-168-2

1 智能化GIS的技術(shù)特征

GIS設(shè)備是變電站電力系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，起著控制、測量、保護(hù)等重要作用。智能化GIS不同于傳統(tǒng)的GIS，根據(jù)《Q/GDW Z 410-2010 高壓設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則》定義，具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化的智能高壓設(shè)備技術(shù)特征。

1.1 測量數(shù)字化

GIS的測量數(shù)字化是智能變電站建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。對重點(diǎn)關(guān)注的狀態(tài)監(jiān)測信息進(jìn)行就地數(shù)字化測量，同時將測量信息發(fā)送至站控層網(wǎng)絡(luò)或過程層網(wǎng)絡(luò)。在智能變電站中，傳統(tǒng)GIS被具有數(shù)字接口的互感器、斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等設(shè)備取代，這些設(shè)備在制造時就按照一次開關(guān)與二次裝置融合的思想來研制。

1.2 控制網(wǎng)絡(luò)化

智能化GIS以IEC61850通信技術(shù)規(guī)范為依據(jù)，按分層分布式來實現(xiàn)站內(nèi)智能化GIS的信息共享和操作控制。目前變電站內(nèi)多采用“三層兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)化控制方案，“三層”為站控層、間隔層和過程層，“兩網(wǎng)”為站控層網(wǎng)絡(luò)與過程層網(wǎng)絡(luò)。

“三層兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的使用簡化了站內(nèi)的信息網(wǎng)絡(luò)，基于GOOSE通信報文的通信規(guī)范提供了一種報文快速傳輸機(jī)制，為智能化組件（IED）、保護(hù)測控裝置和變電站自動化系統(tǒng)之間的快速信息交換提供了條件，極大地提升了通信的可靠性和安全性。

1.3 狀態(tài)可視化

GIS的在線監(jiān)測信息是數(shù)字化的，狀態(tài)可視化就是把抽象的數(shù)據(jù)信息通過在線監(jiān)控系統(tǒng)或智能電網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)，以圖形、圖表或其他可辨別等方式表述自監(jiān)測結(jié)果，為用戶提供直觀、全面的可視化操控模式。其中數(shù)據(jù)信息可以是智能化GIS自監(jiān)測信息，也可以是經(jīng)過信息互動獲得的其他高壓設(shè)備的狀態(tài)信息。

1.4 功能一體化

功能一體化實質(zhì)上就是GIS組成部件的融合設(shè)計和功能集成化設(shè)計。借助于先進(jìn)的仿真分析與虛擬樣機(jī)制造技術(shù)，實現(xiàn)傳感器（或執(zhí)行器）與高壓設(shè)備本體的集成；借助于高精度傳感與集成測控技術(shù)，實現(xiàn)相關(guān)測量、控制、計量、監(jiān)測、保護(hù)等功能的一體化融合。

2 智能化GIS的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測功能由狀態(tài)監(jiān)測IED完成。所有監(jiān)測功能可經(jīng)獨(dú)立的子IED完成后，由監(jiān)測主IED匯總狀態(tài)信息；也可用集成式狀態(tài)監(jiān)測IED完成多項監(jiān)測功能。

機(jī)械特性監(jiān)測包括分合閘線圈電流監(jiān)測、動作特性監(jiān)測以及開關(guān)位置狀態(tài)監(jiān)測。對于GIS斷路器而言，機(jī)械特性各參數(shù)指標(biāo)有著最佳的取值范圍，運(yùn)動速度過慢會延長燃弧時間，導(dǎo)致觸頭磨損降低斷路器使用壽命，運(yùn)動速度過快會導(dǎo)致運(yùn)動機(jī)構(gòu)承受過大的機(jī)械應(yīng)力和沖擊，增加零部件失效概率。

操動機(jī)構(gòu)監(jiān)測包括電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、電機(jī)電流監(jiān)測和儲能狀態(tài)監(jiān)測。通過過監(jiān)測分合閘線圈電流波形、行程時間曲線、一次回路電流以及分合閘位置和儲能狀態(tài)，并通過波形分析和數(shù)據(jù)分析得到分合閘時間、分合閘速度、三相不同期分合閘次數(shù)，通過分合閘行程時間曲線與空載時對比分析得到機(jī)械狀態(tài)的變化趨勢。

SF6監(jiān)測包括氣體密度監(jiān)測、氣體溫度監(jiān)測和氣體微水含量監(jiān)測。SF6氣體密度與GIS的絕緣性能關(guān)系密切，為了保證電氣設(shè)備的安全可靠，非常有必要進(jìn)行SF6密度的在線監(jiān)測。SF6氣體在開斷電弧或電暈的作用下，分解出的S和F原子會與氣體中的水分結(jié)合產(chǎn)生毒性氣體SOF2（氟化硫）和腐蝕物HF（氫氟酸）等，對一次電氣回路及設(shè)備內(nèi)表面產(chǎn)生腐蝕，對GIS的穩(wěn)定運(yùn)行造成潛在威脅。當(dāng)前針對SF6氣體進(jìn)行在線監(jiān)測的技術(shù)較為成熟，SF6氣體密度、微水含量均是通過安裝在GIS筒體上相應(yīng)傳感器進(jìn)行信號監(jiān)測，氣體溫度是通過安裝在氣室內(nèi)的溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

其他信號監(jiān)測包括避雷器狀態(tài)監(jiān)測和局放監(jiān)測。避雷器監(jiān)測主要是測量工作狀態(tài)下的泄漏電流和放電次數(shù)，及時發(fā)布預(yù)警信息，保護(hù)GIS、變壓器、母線等設(shè)備正常運(yùn)行，避免因泄漏電流的持續(xù)性存在造成溫升的累積進(jìn)而導(dǎo)致氧化鋅閥片的熱崩潰。局放監(jiān)測主要是監(jiān)測和追蹤發(fā)生在GIS內(nèi)局部放電的發(fā)展趨勢和絕緣劣化程度，避免突發(fā)性故障的發(fā)生。目前普遍采用UHF超高頻監(jiān)測技術(shù)，UHF具有較強(qiáng)的抗干擾能力，信號傳輸衰減小，監(jiān)測范圍大，對GIS的各種放電性缺陷具有較高的敏感度。

2.2 開關(guān)智能控制技術(shù)

開關(guān)設(shè)備智能控制裝置具有以下主要特點(diǎn)：開關(guān)設(shè)備控制功能的數(shù)字化；集成開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷功能的能力。和符合IEC61850的數(shù)字通訊接口。

智能控制功能由智能終端實現(xiàn)。智能終端可完成所在間隔（包括斷路器、隔離刀閘、接地刀閘）的信息采集、控制功能。

智能終端具有如下配置原則：①220～750千伏電壓等級配電裝置各間隔斷路器智能終端，主變壓器各側(cè)主變間隔斷路器智能終端，宜按2套/1間隔配置；②110千伏及以下配電裝置各間隔斷路器智能終端，每段母線電壓互感器間隔隔離開關(guān)智能終端，宜按1套/1間隔配置；③智能終端宜分散布置于配電裝置場地智能組件柜內(nèi)。

2.3 匯控柜智能化技術(shù)

匯控柜的智能化是指利用可編程控制器（PLC）取代常規(guī)繼電器組成的硬件接線控制電路，PLC是一種內(nèi)置微處理器的控制設(shè)備，對外提標(biāo)準(zhǔn)通信接口，通信接口與外部觸點(diǎn)組成功能回路，取代原有的二次接線及電氣回路。通過簡易的編程即可實現(xiàn)對GIS設(shè)備中斷路器、隔離開關(guān)、接地刀的在線監(jiān)視和控制。

PLC的使用可深度簡化二次接線，減少開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的輔助開關(guān)數(shù)量，使得匯控柜內(nèi)元件布局和布線更加整潔。PLC的高可靠性間接減輕了變電站的維護(hù)和檢修工作量。

該技術(shù)已在110kV河北許莊變、220kV云南大關(guān)變等多地使用，得到了市場的驗證。

2.4 電機(jī)驅(qū)動操動機(jī)構(gòu)技術(shù)

電機(jī)驅(qū)動操動機(jī)構(gòu)是用永磁電機(jī)直接驅(qū)動斷路器進(jìn)行分、合閘操作的新型操動機(jī)構(gòu)。操動機(jī)構(gòu)只有一個轉(zhuǎn)動的電機(jī)轉(zhuǎn)子部件，運(yùn)動部件少能量損失小。電機(jī)驅(qū)動操動機(jī)構(gòu)利用電容器進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動能量的存儲，能量經(jīng)電容釋放后進(jìn)入電力電子電路進(jìn)行逆變適配輸出，電機(jī)在DSP的程序控制下，直接驅(qū)動斷路器動觸頭進(jìn)行分合閘操作。

電機(jī)驅(qū)動操動機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是斷路器的動作速度和分合閘時間都是可控的，并且對機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的溫濕度、輔助電源變化不太敏感，很容易實現(xiàn)對操動機(jī)構(gòu)和斷路器進(jìn)行連續(xù)的自檢、監(jiān)測及智能控制等功能。

2.5 開關(guān)振動特性技術(shù)研究

斷路器在操動的過程中，內(nèi)部運(yùn)動部件如操動機(jī)構(gòu)、連桿、動觸頭的運(yùn)動、撞擊和摩擦都會產(chǎn)生振動。振動信號由一系列的瞬態(tài)波形疊加構(gòu)成，每種瞬態(tài)波形都是斷路器操作期間內(nèi)部部件的運(yùn)動狀態(tài)反映，代表著豐富的機(jī)械部件狀態(tài)信息。

由于GIS屬于金屬封閉開關(guān)設(shè)備，滅弧室、母線、操動機(jī)構(gòu)等部件都裝配在內(nèi)部，從外部無法看到其工作狀態(tài)，通過開關(guān)操作產(chǎn)生的振動信號來進(jìn)行內(nèi)部部件的故障檢測是一種新型的故障診斷方法。振動信號可通過加速度傳感器來進(jìn)行監(jiān)測。加速度傳感器安裝于GIS外部，振動信號的采集不涉及電氣測量，信號不易受到電磁干擾。

振動信號采集。在GIS設(shè)備上安裝振動傳感器，振動傳感器將接收到的機(jī)械振動信號轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行輸出。

振動信號處理。智能組件（IED）負(fù)責(zé)接收振動傳感器反饋的電信號，振動信號經(jīng)去噪處理后送入IED功能電路進(jìn)行信號的去噪處理和頻譜分析。

振動信號的分析與應(yīng)用。監(jiān)控系統(tǒng)接收來自智能組件IED信號處理過的振動信號，運(yùn)用分析軟件對振動信號特征進(jìn)行分析和研究，通過圖表分析等方法進(jìn)行直觀顯示，為GIS的故障診斷提供決策依據(jù)。

3 工程應(yīng)用

圖1所示為在某智能化變電站中的智能化GIS系統(tǒng)框圖。目前智能化 GIS 組合電器設(shè)備采用“一次設(shè)備+智能組件”模式，智能化的變電站體系上采用“三層兩網(wǎng)”（過程層、間隔層和站控層、過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)構(gòu)形式，在邏輯層次上，通過過程層網(wǎng)絡(luò)連接過程層和間隔層設(shè)備，通過站控層網(wǎng)絡(luò)連接間隔層和變電站層設(shè)備。

過程層是智能化一次電器設(shè)備的智能化部分，主要功能分為三類：①實時運(yùn)行電氣量的監(jiān)測；②運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)檢測；③操作控制執(zhí)行和驅(qū)動。過程層GIS設(shè)備包括斷路器、隔離接地開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子裝置 IED，在過程層組網(wǎng)模式下還包括過程層交換機(jī)。

間隔層的主要功能分為：①匯總過程層設(shè)備的實時數(shù)據(jù)信息；②實施對一次設(shè)備的保護(hù)控制功能；③實施本間隔操作閉鎖功能；④實施操作同期及其他控制功能；⑤對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制；⑥承上啟下的通訊功能，同時完成與過程層和站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

站控層的主要功能是通過兩級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送往電網(wǎng)調(diào)度或控制中心，接收電網(wǎng)調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行， 具有對間隔層、過程層設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)和在線修改參數(shù)等功能。智能化GIS組合電器設(shè)備是智能變電站的重要組成部分，也是體現(xiàn)其“智能化”特征的主要標(biāo)志之一。

4 結(jié)束語

GIS 智能化是基于變電站綜自系統(tǒng)智能化提升和在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要依據(jù)。實現(xiàn)GIS設(shè)備的測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化和狀態(tài)可視化，可以科學(xué)地判斷GIS的運(yùn)行狀態(tài)，識別故障的早期征兆，為電網(wǎng)運(yùn)行提供實時的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)，服務(wù)于電網(wǎng)的智能調(diào)度，實現(xiàn)電網(wǎng)靈活優(yōu)化控制，降低電網(wǎng)的事故風(fēng)險，從而可以提高系統(tǒng)的安全性，加強(qiáng)對電網(wǎng)的實時監(jiān)測和控制。

參 考 文 獻(xiàn)

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