摘要：在智能变电站的不断研究和实践探索过程中，气体绝缘全封闭组合电器(Gas Insulated Switchgear,GIS)作为智能变电站过程层重要的一次设备，凭借自身结构紧凑、可靠性高、占地面积小等优势在当前变电站建设当中应用越来越普及，GIS的智能化研究与设计是实现智能变电站的前提与基础。基于此，本文对智能化GIS设备及关键技术进行了详细地分析与探究。
关键词：智能化；GIS设备；关键技术
1、GIS智能化设备概述
智能化高压开关设备整体上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、SF6气体状态传感器等）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，通过数字量或模拟量的方式传给智能组件，由智能组件上报给智能变电站上层系统。智能变电站上层系统可根据获取的状态信息，实现对高压开关设备状态的观测来支撑智能电网的优化运行，同时智能变电站上层系统根据观测的结果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，达到智能电网优化控制的目的。
2、GIS智能化设备智能组件
2.1 开关设备控制器
主要完成开关设备内断路器、隔离开关、接地开关的操作控制和状态监视，直接或通过过程层网络基于GOOSE服务发布采集信息、接受命令，驱动执行器完成控制功能，并具有防误操作功能。
2.1.1 实现远控就地化。
2.1.2 实现开关状态信号的采集机预处理，完成光电转换。
2.1.3 开关操作智能软闭锁功能，可对误操作进行闭锁并报警。
2.1.4 支持时序操作、顺序操作，可实现自动执行送电、停电、重合闸及其他命令组。
2.1.5 开关动作监测和诊断，可以对机构连接松动、开关动作卡滞、操作失败进行监测和诊断。
2.2 监测功能组
包括SF6气体状态、断路器机械特性、局部放电、避雷器在线监测IED以及主IED 等功能。
2.2.1 SF6气体状态IED，可同时对SF6气体密度、微水、温度等进行在线监测。
2.2.2 断路器机械特性IED，实现对高压开关设备的机械特性，储能电机工作状态，开断电流等的监测，并将信息通过通信协议网络上传。
2.2.3 局部放电监测IED，对高压开关设备的局部放电的监测，并将信息通过通信协议网络上传。
2.2.4 避雷器在线监测IED，可以实现对避雷器泄漏电流、放电次数等在线监测，并能进行阻性电流和容性电流分析。
2.2.5 监测功能主IED对所有状态监测IED的数据综合分析，并将分析结果通信协议网络上传。
2.3 智能汇控柜
采用不锈钢柜体，柜内双重化设备分隔布置，具备温湿度调节和控制的功能，并能对温湿度传感器及控制器执行元件异常工作状态进行告警。
2.4 合并单元
利用电磁感应原理的光纤电流互感器，以及串行阻容分压的电压互感器，实现对大电流、高电压的传变，并由采集器就地转化为数字信号，经合并单元同步处理后通过光纤上传。
3、智能化GIS的关键技术分析
3.1 开关状态监测技术
状态监测功能由状态监测IED完成。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆所有监测功能可经独立的子IED完成后，由监测主IED汇总状态信息；也可用集成式状态监测IED完成多项监测功能。
机械特性监测包括分合闸线圈电流监测、动作特性监测以及开关位置状态监测。对于GIS断路器而言，机械特性各参数指标有着最佳的取值范围，运动速度过慢会延长燃弧时间，导致触头磨损降低断路器使用寿命，运动速度过快会导致运动机构承受过大的机械应力和冲击，增加零部件失效概率。
操动机构监测包括电机状态监测、电机电流监测和储能状态监测。通过过监测分合闸线圈电流波形、行程时间曲线、一次回路电流以及分合闸位置和储能状态，并通过波形分析和数据分析得到分合闸时间、分合闸速度、三相不同期分合闸次数，通过分合闸行程时间曲线与空载时对比分析得到机械状态的变化趋势。
SF6监测包括气体密度监测、气体温度监测和气体微水含量监测。SF6气体密度与GIS的绝缘性能关系密切，为了保证电气设备的安全可靠，非常有必要进行SF6密度的在线监测。SF6气体在开断电弧或电晕的作用下，分解出的S和F原子会与气体中的水分结合产生毒性气体SOF2（氟化硫）和腐蚀物 HF（氢氟酸）等，对一次电气回路及设备内表面产生腐蚀，对GIS的稳定运行造成潜在威胁。当前针对SF6气体进行在线监测的技术较为成熟，SF6气体密度、微水含量均是通过安装在GIS筒体上相应传感器进行信号监测，气体温度是通过安装在气室内的温度传感器进行监测。
3.2 开关智能控制技术
开关设备智能控制装置具有以下主要特点：开关设备控制功能的数字化；集成开关设备的状态监测和故障诊断功能的能力。和符合IEC61850的数字通讯接口。
智能控制功能由智能终端实现。智能终端可完成所在间隔（包括断路器、隔离刀闸、接地刀闸）的信息采集、控制功能。
智能终端具有如下配置原则：①220～750千伏电压等级配电装置各间隔断路器智能终端，主变压器各侧主变间隔断路器智能终端，宜按2套/1间隔配置；②110千伏及以下配电装置各间隔断路器智能终端，每段母线电压互感器间隔隔离开关智能终端，宜按1套/1间隔配置；③智能终端宜分散布置于配电装置场地智能组件柜内。
3.3 汇控柜智能化技术
汇控柜的智能化是指利用可编程控制器（PLC）取代常规继电器组成的硬件接线控制电路，PLC是一种内置微处理器的控制设备，对外提标准通信接口，通信接口与外部触点组成功能回路，取代原有的二次接线及电气回路。通过简易的编程即可实现对GIS设备中断路器、隔离开关、接地刀的在线监视和控制。
PLC的使用可深度简化二次接线，减少开关操动机构的辅助开关数量，使得汇控柜内元件布局和布线更加整洁。PLC的高可靠性间接减轻了变电站的维护和检修工作量。
3.4 电机驱动操动机构技术
电机驱动操动机构是用永磁电机直接驱动断路器进行分、合闸操作的新型操动机构。操动机构只有一个转动的电机转子部件，运动部件少能量损失小。电机驱动操动机构利用电容器进行电机驱动能量的存储，能量经电容释放后进入电力电子电路进行逆变适配输出，电机在DSP的程序控制下，直接驱动断路器动触头进行分合闸操作。电机驱动操动机构的最大优点是断路器的动作速度和分合闸时间都是可控的，并且对机构箱内的温湿度、辅助电源变化不太敏感，很容易实现对操动机构和断路器进行连续的自检、监测及智能控制等功能。
3.5 开关振动特性技术
研究断路器在操动的过程中，内部运动部件如操动机构、连杆、动触头的运动、撞击和摩擦都会产生振动。振动信号由一系列的瞬态波形叠加构成，每种瞬态波形都是断路器操作期间内部部件的运动状态反映，代表着丰富的机械部件状态信息。
振动信号的分析与应用。监控系统接收来自智能组件IED信号处理过的振动信号，运用分析软件对振动信号特征进行分析和研究，通过图表分析等方法进行直观显示，为GIS的故障诊断提供决策依据。
总之，GIS智能化是基于变电站综自系统智能化提升和在线监测系统的重要依据。实现GIS设备的测量数字化、控制网络化和状态可视化，可以科学地判断GIS的运行状态，识别故障的早期征兆，为电网运行提供实时的设备可靠性数据，服务于电网的智能调度，实现电网灵活优化控制，降低电网的事故风险，从而可以提高系统的安全性，加强对电网的实时监测和控制。
参考文献：
[1] 林杰梅.岩滩水电站扩建工程GIS智能测控系统研究及设计[J].红水河,2014,02:1-5+18.
论文作者:唐金文
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/15
标签：智能论文; 断路器论文; 状态论文; 在线论文; 气体论文; 机构论文; 变电站论文; 《电力设备》2017年第20期论文;