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摘要：随着智能电网的建设，国家电网公司提出了智能高压设备的概念，智能高压设备不再是传统意义的一次设备，它们在承担一次设备输变电功能的同时，基于传感器、智能组件及集成于智能组件的测量、控制、监测等智能电子装置，对高压设备的运行可靠性、控制可靠性及负载能力等进行实时评估，评估形成的智能化信息直接参与到电网的运行控制中。智能高压设备拓展了电网调控系统所依据的信息维度，提升了电网调控系统应对设备故障的主动性，优化了电网的运行环境。本文旨在系统论述基于智能高压设备的电网主动保护与控制技术。
关键词：智能高压设备；主动保护；优化控制
一、智能高压设备自评估功能简介
常规高压设备主要承担输变电功能，电网调控系统对高压设备本身的状态知之甚少，往往是在设备发生了故障或者控制指令被拒动之后，电网调控系统和保护系统才会获知并针对性地采取措施。
显然，这些措施具有“事后”、“被动”的特点。事实上，高压设备各类故障的发生大都有一个过程，在最终发展为故障之前，通常会有各种故障征兆表现出来。从20世纪80年代开始，国内外就开始研究设备故障的早期监测和诊断技术，近年来，随着传感器技术的进步和故障早期征兆信息检出方法研究的深入，对高压设备的故障进行监测和预报已成为可能。随着我国智能电网研究与建设工作的大规模推进，智能高压设备的研究全面展开。智能高压设备突破了传统在线监测技术仅仅面向运行检修人员进行故障报警的功能，而是强调设备与电网的信息交互、以智能化信息支持电网优化运行的技术理念。智能化信息由智能组件实现，智能组件基于测量、监测及控制反馈等信息，评估高压设备的运行可靠性、控制可靠性和负载能力，服务于电网的运行控制。为了下面叙述准确方便，这里就运行可靠性和控制可靠性定义如下：
式中：T为连续无故障运行时间；Rop(t)表示运行时间T达到或超过给定时长t的几率；N为连续无故障操作次数，Rctl(N)表示操作次数N达到或超过给
定次数n的几率。负载能力主要关注两个方面，即负载水平及在此负载水平下的可持续时间，以高压设备能够安全运行为限，通常决定于最热点温度。影响负载能力的因素很多，包括前期(3h内)负载水平、近区环境温度、日照、风速，冷却装置运行状态、急救负载水平及持续时间及有无过热故障等。
二、主动保护
传统上，继电保护就是快速切除电网故障设备、保障设备和电网安全的基本技术。从现在的观点看，继电保护有“事后”和“被动”2个特点。所谓“事后”是指继电保护是在高压设备故障发生之后，由故障特征信号触发的一种控制响应，在保护动作之前电网调控系统对设备故障通常是一无所知；所谓“被动”是指继电保护的工作方式对电网调控系统而言是完全被动的，保护动作由继电保护装置根据设备故障特征信号(事前设定的定值)触发，对此，电网调控系统没有选择权，只能被动应对。
事实上，无论对于高压设备，或是对于电网安全运行，传统保护的“事后”和“被动”特征都是受限于技术的无奈选择。随着技术的进步，智能高压设备为保护理念的创新提供了可能。在智能高压设备技术的支撑下，通过设备电网的信息交互，电网调控系统对高压设备的运行可靠性是可知的，此种情况下，“主动保护”成为可能。这里，主动保护是指电网调控系统基于高压设备安全或电网
可靠性的需要，将运行可靠性低于一定水平的高压设备实施主动隔离的一种技术措施，是先于传统继电保护的主动性措施。
一般的应用策略是，针对不同运行方式(冗余情况)，预先设定运行可靠性指标系列P1<P2<...<Pn，n≥1，同时给出对应的时间系列t1<t2<...tn。若
高压设备本体的运行可靠性满足Pm-1≤ROP(tm)≤Pm，2≤m≤n，则电网调控系统可选择在t时刻选择主动将该高压设备退出运行，以便进行状态确认或检修，tm-1≤t≤tm；若高压设备本体的运行可靠性满足Rop(t1)≤P1，则电网调控系统宜尽快或立即主动将该高压设备退出运行，以便进行状态确认或检修。
以断路器为例，常规断路器在低气压操作闭锁前，电网调控系统无法预知其操作闭锁的时间，只有操作闭锁实际发生之后才能通过相关接点信息获取已经操作闭锁的事实。此时，电网调控系统已无其他选择，只能控制上一级断路器，对电网的安全运行造成不利影响。与常规断路器不同，智能断路器连续监测气室压力、温度，不仅可以完成低气压告警及操作闭锁等常规功能，而且可以根据气室压力的变化，预报实际闭锁的时间，并基于设备电网信息交互机制将这一信息及时报送至电网调控系统，电网调控系统可结合电网运行的实际需要，做出要么认可操作闭锁的发生、要么在操作闭锁实际发生前做出使其退出运行、进行检修的主动决策。
三、主动控制
3.1基于控制可靠性的主动控制
电网是一个实时动态平衡的系统，这种平衡需要实时控制予以保障。高压设备是电网调控系统的控制对象和执行器，如电力变压器有载分接开关、高压开关设备等。通常，针对高压设备的绝大多数控制可以正常完成，但由于高压设备数量庞大，发生控制失败的情况也并不少见。控制失败特别是断路器的控制失败，直接威胁着电网的安全稳定运行。
常规高压设备并不具有向电网报送其控制可靠性的能力，电网调控系统无法预见控制指令的执行结果，只能默认设备是完全可控的，只有在控制指令实际执行时才能知道控制是成功或失败。与运行可靠性类似，基于现代传感器技术，由专门的智能电子装置对涉及控制可靠性的关键参量进行监测和评估，实现对高压设备控制可靠性的预报，是智能高压设备的一项重要功能。通常，控制可靠性的预报是基于监测既往控制执行过程中的电气和/或机械信息变化，经综合分析实现的。在智能高压设备这一功能的支持下，通过设备电网信息交互，电网调控系统可以获知设备的控制可靠性(由Rctl(n)表示)，如果Rctl(n)低于正常水平，根据Rctl(n)值的大小，在发布控制指令前，电网调度系统应基于电网安全、供电可靠性、设备安全及综合风险最小的原则，权衡强行控制的利与弊，做出控制、或不控制并继续运行择机检修、或立即退出运行进行检修的主动决策。
以变压器有载分接开关为例，基于传感器信息，由专门的智能电子装置对有载分接开关变更档位的可靠性Rctl(k)做出预测。如Rctl(k)值较低，电网调控系统就可以根据电网运行的实际需要，做出变压器继续运行，但暂时不再改变有载分接开关档位，择机检修，或立即退出运行进行检修，或在做好故障预案的前提下冒一定风险去改变有载分接开关档位的决策。值得指出的是，不论选择上述决策的哪一种，决策都是主动的，有预案的。显然，这样的主动决策有助于电网的安全运行。
3.2基于断路器选相位操作的主动控制
常规断路器的合闸、分闸相位是随机的，也就是分(合)闸可能发生在任何相位。在不少工况下，由于这种分(合)操作相位的随机性，可能产生较大幅值的合闸涌流、较高幅值的操作过电压，加速断路器的电寿命损失等，对继电保护、电网设备均有不良影响。理论上，在特定的相位下完成分(合)闸操作可以减少前述不良后果，使断路器操作变得对电网更加友好。为此，一些场合要求智能断路器具有选相位分(合)操作功能，这是断路器智能化的重要特征之一。通常，选相位分(合)操作由集成于智能组件中的“开关设备控制器”(也称智能终端)完成。开关设备控制器采集系统电压、电流并由此求得相位信息，同时采集对分(合)闸时间有明显影响的各种参量，结合事先已录入的分(合)闸时间统计分布，通过综合分析，求得指令延时，然后由开关设备控制器对分(合)操作指令进行恰当延迟，实现在期望的相位完成分(合)操作(参见图1)。选相位分(合)操作实现了断路器对电网的友好操作，提升了电网及设备的安全运行水平。
以常见的投、切电容器(组)为例，由于常规断路器不具有选相位操作功能，频繁投、切电容器(组)每年都会导致一定数量的设备损坏，这些事故除导致资产损失外，更重要的是对电网安全运行有重大不利影响。应用智能断路器的选相位操作功能，可以有效降低或消除常规断路器操作的不良影响，提高电网及设备的安全运行水平。
3.3基于开关分(合)位置感知的顺序控制
常规开关设备的分(合)位置是靠辅助开关接点指示的。通常这种指示是正确的，但开关设备一旦出现分(合)不到位的机械故障，辅助开关就不能准确地反映开关设备分(合)状态的实际情况。实践中多次发生过因开关设备分(合)不到位导致的事故。如某500kV变电站，设备检修结束后，由于接地开关未能分到位，但辅助开关信号指示接地开关已分开，继续合断路器时造成对地闪络事故。智能变电站要求支持顺序控制，即按照闭锁逻辑和时序要求，依次顺序完成开关设备的分(合)闸操作。支持顺序控制已成为智能开关设备的基本要求，为此，智能开关设备需要配置新的分(合)位置传感技术，以便能够自主准确感知分(合)到位信息。一旦分(合)到位与否得到及时准确的感知，顺序控制的实现就非常容易了。对于智能变电站，顺序控制要求的闭锁逻辑和时序，既可以由站控层设备实现，也可以由开关设备控制器完成。顺序控制不再需要工作人员现场监视与见证，使开关设备的分(合)操作变得更加高效、安全。
四、负载水平的主动控制
4.1负载水平主动控制的必要性
随着电网技术的进步，调控策略越来越科学，保障供电安全的能力越来越强，供电可靠性越来越高。与此同时，社会对供电可靠性的要求也越来越高，追求更高供电可靠性依然是电网技术发展的基本目标。设备负载能力对于电网调控系统而言是十分重要的参量，特别是在用电高峰期或因设备故障需要急救负载时更是如此。实时负载能力受多种因素的影响，智能高压设备可具有负载能力的自主报
告功能，这一功能是实现高压设备负载水平安全控制、保障供电安全的有效技术手段。
4.2缺陷设备负载水平的主动控制
这里所谓缺陷系指引起负载能力下降的一类缺陷，如电力变压器磁屏蔽部分失效、铁心多点接地，又如开关设备触头接触电阻增大等。对于这类缺陷设备，如果缺陷稳定，没有继续劣化的明显趋势，最热点温度没有超过安全限值，仍然可以长期安全运行。但需要解决的问题是如何确定缺陷设备的长期最大安全负载水平。对于常规高压设备，这是一个不易很好解决的问题。对于智能高压设备，负载能力评估是基本功能之一，方法是通过集成于高压设备的传感器，采集与设备热状态密切相关的参量，实现对负载能力的监测和评估。对于电力变压器，主要采集油面温度、绕组温度(光纤传感器直接测量)，结合油中溶解气体、铁心电流监测等，经综合分析，对负载能力做出评估。对于高压开关设备，主要基于触头温度监测等来实现负载能力的评估。评估结果通过设备电网信息交互机制上报，电网调控系统基于有利于电网安全运行和可靠供电的原则，根据缺陷设备的当前负载能力(低于额定值，具体决定于缺陷严重程度，参见图2)和电网当前运行的实际冗余状态，进行缺陷设备的退、运决策。如当前电网的冗余度较低，可选择降低负载至安全水平继续运行，择机检修，否则，可选择立即退出运行，进行检修。
4.3正常设备负载水平的主动控制
一般情况下，高压设备都在额定负载及以下运行。但当电网发生故障时，为了保障供电可靠性，短时的过负载是允许的。如一个站内2台变压器中的一台因故障退出运行，需要另一台短时承担这部分负载(此时正常变压器的负载称为急救负载)，以给电网调控系统足够的时间去改变运行方式，以保障供电可靠性。
急救负载能力的预报与控制主要针对变压器。一般变压器订货时都要求有1.4倍的短时过负载能力。通常，变压器负载能力主要受限于主绝缘及铁心绝缘的最热点温度，为了保障电力变压器的安全，要求最热点温度不能超过某个限值，如140℃。在这一限值之下，变压器是安全的，只是绝缘寿命损失会随绝缘温度的增加而加速，大致每增加6℃寿命损失就加速1倍。因此，急救负载实际上是
牺牲设备寿命保障电网及供电安全的一种应急技术措施。负载能力的评估本质上是最热点温度的评估。最热点温度与负载水平及持续时间密切相关，一般急救负载的过载水平越高，可持续时间就越短，如图2所示。
五、结语
尽管智能高压设备的部分技术尚待进一步完善，运行可靠性、控制可靠性及负载能力的测评技术尚待进一步提高，但随着智能电网建设的推进，智能高压设备技术及其对电网调控系统的支撑作用已开始从理念设计向工程应用过渡，这必然对电网的运行控制产生深远而积极的影响。
参考文献
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[2]国家电网公司生产部，中国电力科学研究院．2008年国家电网公司变压器类设备专业总结报告报告[R]．2009．
[3]国家电网公司生产部，中国电力科学研究院．2006年国家电网公司高压开关设备专业工作总结[R]．2007．
论文作者:钱志军,孙秀军,顾鸣昊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/24
标签：电网论文; 设备论文; 负载论文; 高压论文; 智能论文; 可靠性论文; 断路器论文; 《基层建设》2018年第8期论文;