智能高压开关设备技术研究进展

智能高压开关设备技术研究进展

作者：赵尔博 王晨

来源：《中国科技博览》2018年第31期

[摘 要]智能变电站是坚强智能电网的重要支撑节点，而高可靠性的开关设备是变电站安全、可靠运行的坚强基础 ，用于智能变电站的开关设备，必须是具有一、二次功能融合化，测控一体化、信息网络化、故障诊断智能化、功能修复自动化的智能设备。智能高压开关设备肩负着坚强智能电网输变电系统的控制和保护作用，是坚强智能电网输变电系统中最重要的关键设备之一。基于此，本文主要对智能高压开关设备技术研究进展进行分析探讨。 [关键词]智能高压开关设备；技术研究；进展

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0062-01 1、前言

目前，智能高压开关设备已经基本具备智能高压设备技术特征，初步满足智能变电站试点工程建设需要，但在智能化系统可靠性、状态监测高级应用、抗电磁干扰、以及调试设备及方法等方面还有待提高。总之，高压开关设备智能化是一个系统工程，还有许多技术难点需要攻关解决。

2、智能高压开关设备技术研究 2.1 当前智能高压开关设备的技术特点

综合上述对典型智能高压开关设备的阐述，智能高压开关设备主要包括开关设备本体和智能组件，在开关设备本体上安装各种传感器（包括电子式互感器、分合闸线圈电流传感器、储能电机电流传感器、位移传感器、局放传感器、振动传感器、触头温升传感器、SF6气体状态传感器、环境温度传感器等）和操作机构。传感器通过感知开关设备本体的各种状态参量（包括绝缘状态、机械状态等），通过数字或模拟的方式传送给智能组件，再由智能组件上报给智能电网的其他系统；智能电网其他系统可根据获取的状态信息，实现对高压开关设备状态的可视化，进而支撑智能电网的优化运行，同时智能电网的其他相关系统根据观测到的结果进行“决策”，对智能组件发送指令，智能组件经过逻辑判断后发出指令给操作机构执行分合操作，从而实现对智能电网优化控制的目的。 2.2 智能高压开关设备的优势

作为智能电网中重要的电力设备，高压开关设备需能够对自身和电网的状态进行感知和评估，并能根据评估结果与智能电网进行互动，进而优化智能电网的控制和支撑智能电网的运行（如支撑电网生产管理系统优化检修，支撑变电站运行监控系统实现无人值守，支撑电网调度

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系统实现故障预案、负荷控制和退/运决策等）。相对于传统开关设备，智能高压开关设备具有以下典型优点：

1）设计功能集成度高，节约变电站电缆等元件及占地面积的使用，体现了环保节约理念；

2）对外采用标准的IEC61850光纤以太网接口，设计、现场调试及维护工作量小； 3）实现自身状态的感知及评估，支撑自身优化控制，提升自身的可靠性；

4）实现与智能电网的信息互动，支撑智能电网的优化运行，提升电网的安全可靠性。 2.3 当前智能高压开关设备存在的问题

智能高压开关设备固然有很多优势，但在实际应用中还存在部分问题。在引言中已对智能变电站存在的不足进行了阐述，结合当前智能变电站用高压开关设备产品实际应用情况总结出以下主要问题：

1）网络结构复杂，增加了设备投入，降低了可靠性。智能高压开关设备在智能变电站逻辑组成结构上分为站控层（第3层）、间隔层（第2层）、过程层（第1层）3层体系结构。站控层和间隔层之间的网络通信采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）。间隔层和过程层之间的采用单点向多点的单向传输以太网； 2）电子装置庞杂，功能单一。独立装置较多，且所有装置都放在汇控柜内，传感器、机构和互感器都要连线接到这些装置，且它们之间的连线基本都是电缆或RS485总线，汇控柜空间紧张，进而造成连线较多且复杂； 3、智能高压开关设备技术进展分析

3.1 近年来随着我国电网向大容量、特高压方向的发展

枢纽电站关键设备的可靠性直接决定了电力系统的稳定性和供电可靠性，因此电力设备智能化是电力技术发展的历史必然。智能电力设备以测量数字化、信息互动化、状态可视化、控制网络化、功能一体化为基本特征，支撑智能电网的自动控制、智能调节、实时决策和协同互动，以实现电网运行安全可靠、资源节约和环境友好的目标。 3.2 诊断和消除

通常情况下，对开关设备外部状态的判断是比较直观的，当设备运行中出现的状态恶化和缺陷时，消除也是相对容易的，在现场便可更换失效的零部件，恢复设备的原有功能。对于运行中的开关设备内部状态（包括绝缘状态、导电及灭弧元件的烧蚀状态等）的诊断和缺陷的消

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除通常十分困难，因为现场条件受到限制，很难进行解体检修。研究应用先进的电子技术、传感器技术、通信技术、数据库管理等技术不仅对运行中的高压断路器进行实时机械、绝缘等方面在线监测集成（包括SF6气体状态监测、断路器机械特性的在线监测、断路器机构状态的监测、局放状态监测）、而且对研究应用的运行参数和开关设备内部状态在线监测数据进行多参量综合状态分析整合，才能真正实现高压设备实时健康状态结果的传输。

（1）智能高压开关设备模型及体系结构研究。智能高压开关设备是智能电网控制的基础，研究开发高压开关设备智能组件，使智能开关具有自监测、自诊断和自控制的能力，为实现电网安全稳定协调控制提供技术基础。为了更好地控制研发、设计、运行和检修，对开关类设备结构建立完整、清晰的描述模型，设备结构状态信息的可识别性是智能高压开关研制的关键。研究嵌入式多元智能传感器阵列技术，建立设备研发、测试、型式试验、大修、故障处理等数据库，实现设备状态关键特征的综合监测。研究故障机理和故障信息传播模型，利用有限测点信息，反演或推测故障发展过程。建立统一的开关设备故障分析模型，基于监测信息、运行工况和环境信息，实现对故障源的综合诊断和定位，形成对设备状态的整体描述。 （2）智能高压开关设备状态检测及诊断技术研究。研究开关设备的运行状态检测诊断技术，建立开关设备典型故障指纹特征及指纹库。建立快速有效的开关状态诊断算法，实现对设备健康状态的实时分析。通过信息与应用的集成融合，建设设备状态全景信息综合监视平台，获得更全面细致的开关设备状态视图，实现对信息的深入分析和优化，为运行控制和检修决策的提供依据。

（3）智能高压开关设备运行维护技术。事故的早期预警对复杂系统而言是非常困难的，智能技术能够充分利用经验累积的优势实现可靠预警。研究开关设备可靠性参数随运行年限、运行经历、负载状态等相关因素的变化关系，建立智能开关设备的可靠性模型、算法和指标体系，系统研究开关设备可靠性对智能电网规划、设计、运行风险控制与维修决策的影响。研究状态监测、检修管理、运行监控和电网安全防御等信息系统的多度无缝集成技术，基于决策信息的高度共享，形成电网全局最优决策。通过分析设备的健康水平，为设备运行安排和检修决策提供指导，实现资产投资规划、采购、建设、运行、维护和退役处置的全寿命周期优化管理。 4、结语

文中分析了当前智能高压开关设备的技术现状，指出了使用中存在的问题，随着新一代智能变电站的概念设计和试点应用的推进，笔者认为新一代智能高压开关设备具有以下特征，即间隔层设备和过程层设备进行有效集成在一起，简化了网络结构和系统复杂度；采用分布式控制，用智能机构取代传统机构，实现一二次设备的有机融合；智能组件集成化、模块化，采用智能主机，可支持智能高压开关前沿技术的应用扩展；高压开关设备状态评估技术更完善，实现设备状态维护和故障提前预警；采用基于多参量的数据综合处理手段，可有效提高设备工作性能和可靠性。未来智能高压开关设备还会以设备状态为核心进行技术革新。

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参考文献

[1] 张猛.智能高压开关设备设计及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2] 刘有为，邓彦国，吴立远.高压设备智能化方案及技术特征[J].电网技术，2010（07）.