摘要：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。
关键词：智能化GIS、智能电网
1 智能化 GIS 的技术特征
GIS 设备是变电站电力系统的关键一环，起着控制、测量、保护等重要作用。智能化GIS 不同于传统的 GIS，根据《Q/GDW Z 410-2010 高压设备智能化技术导则》定义，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化的智能高压设备技术特征。
2 智能化 GIS 的关键技术研究
2.1 开关状态监测技术
状态监测功能由状态监测 IED 完成。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。
SF 6 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 SOF 2（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 SF 6 气体进行在线监测的技术较为成熟，SF 6 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。
其他信号监测包括避雷器状态监测和局放监测。避雷器监测主要是测量工作状态下的泄漏电流和放电次数，及时发布预警信息，保护 GIS、变压器、母线等设备正常运行，避免因泄漏电流的持续性存在造成温升的累积进而导致氧化锌阀片的热崩溃。局放监测主要是监测和追踪发生在 GIS 内局部放电的发展趋势和绝缘劣化程度，避免突发性故障的发生。目前普遍采用 UHF 超高频监测技术，UHF 具有较强的抗干扰能力，信号传输衰减小，监测范围大，对 GIS 的各种放电性缺陷具有较高的敏感度。
2.2 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。
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2.3 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。该技术已在 110kV 河北许庄变、220kV 云南大关变等多地使用，得到了市场的验证。
2.4 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。
2.5 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。由于GIS 属于金属封闭开关设备，灭弧室、母线、操动机构等部件都装配在内部，从外部无法看到其工作状态，通过开关操作产生的振动信号来进行内部部件的故障检测是一种新型的故障诊断方法。振动信号可通过加速度传感器来进行监测。加速度传感器安装于 GIS 外部，振动信号的采集不涉及电气测量，信号不易受到电磁干扰。振动信号采集。在 GIS 设备上安装振动传感器，振动传感器将接收到的机械振动信号转化为电信号进行输出。振动信号处理。智能组件（IED）负责接收振动传感器反馈的电信号，振动信号经去噪处理后送入 IED 功能电路进行信号的去噪处理和频谱分析。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。
3 工程应用
目前智能化 GIS 组合电器设备采用“一次设备＋智能组件”模式，智能化的变电站体系上采用“三层两网”（过程层、间隔层和站控层、过程层网络和站控层网络）的结构形式，在逻辑层次上，通过过程层网络连接过程层和间隔层设备，通过站控层网络连接间隔层和变电站层设备。
过程层是智能化一次电器设备的智能化部分，主要功能分为三类：①实时运行电气量的监测；②运行设备的状态检测；③操作控制执行和驱动。过程层 GIS 设备包括断路器、隔离接地开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置 IED，在过程层组网模式下还包括过程层交换机。
站控层的主要功能是通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，将有关数据信息送往电网调度或控制中心，接收电网调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行，具有对间隔层、过程层设备的在线维护、在线组态和在线修改参数等功能。智能化 GIS 组合电器设备是智能变电站的重要组成部分，也是体现其“智能化”特征的主要标志之一。
结语：上文分析当前电网发展的新形势，根据国网公司对智能化一次设备的整体技术要求（测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化），从开关状态监测、智能控制、电机驱动等关键技术上描述智能化 GIS 的技术特征，为智能化 GIS 的深化研究提供研究参考。
参考文献：
[1]高明华，王冬，王学峰，等.智能变电站设备在线监测系统[J].山东电力技术，201l（1）：18-2.
论文作者:张春雷
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/3
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