智能化技术在GIS变电站的应用

丁　锐　马喜才

（苏州阿尔斯通高压电开关有限公司）

智能化技术在GIS变电站的应用

丁锐马喜才

（苏州阿尔斯通高压电开关有限公司）

随着新能源及电力系统的不断发展，建设智能化电网已经成为国家能源战略的重要组成部分，其中变电站一次设备的智能化成为智能电网的重要内容，本文介绍分析了近年来电网智能化技术的发展以及在ALSTOM GIS变电站中的应用。

GIS变电站；在线监测；光电互感器；智能化；IEC61850

0　引言

国家提出构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的统一的坚强智能电网，智能化变电站伴随智能化电网概念产生。国内外电气设备厂家积极展开电气设备智能化的研究和开发。通过对一次电器设备的智能化，实现电网设备的可观测、可控制和自动化的目标，为智能电网建设奠定基础；提高了智能化变电站面对未来智能电网复杂运行工况的应对能力，减少新生隐患产出的几率。随着智能化变电站标准规范的制定，包括状态在线监测，光电技术及计算机通讯等智能化技术应用到变电站中并投入运行，提高了整个电网系统的可靠性。

1　GIS状态在线监测

GIS 气体绝缘组合电器设备，它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体。近年来 GIS已经大量使用在电力系统，其结构复杂、质量要求高、制造及检修工艺繁多。GIS故障少，但万一发生故障后果相当严重。GIS状态监测是利用各种传感器和测量手段对反映设备运行状态的物理、化学量进行检测，包括对有关设备运行参数及相关零部件性能工况的在线或离线监控、测量、试验等，其目的是为了判明设备是否处于正常状态。

1.1SF6微水及漏气监测系统

BWatch3系统主要用于在线监测断路器SF6气体的微水、密度、温度及其变化趋势。当SF6气体有关指标出现变化时，给出变化曲线；有关指标达到报警状态时，报警或自动启动报警装置；当有关指标超标达到危险状况时，报警或自动启动闭锁装置，禁止断路器动作，以保障设备和变电站整套系统的安全。

该套系统可以实现 SF6压力温度值的数字化信号传输，传感器精度高，可以实现SF6气体年漏气率小于 0.1%的状态监测。湿敏传感器适用环境温度范围大，稳定性好，相应速度快，抗化学腐蚀能力强。产品设计时壳体预留传感器安装接口，根据要求可方便实现各种传感器的接入。如图1所示。

图1　BWatch3系统示意图

1.2PD watch局放在线监测系统

GIS设备内部中的金属微粒、粉末和水分等导电性杂质以及其他绝缘缺陷是引发 GIS故障的重要原因。因此局部放电将是GIS状态监测重要内容。GIS内部存在绝缘缺陷时，因局部放电而产生的机械振动、发光、产生分解气体等现象，通过对这些物理或化学过程的分析为局放监测提供了可能性。

PD watch系统采用特高频（UHF）电磁波检测法，SF6气体中局部放电产生的脉冲电流有比较高的陡度，所产生的电磁暂态的频率能够达到 1GHz以上。采用内置式 UHF传感器（0.3～3GHz）可以显著提高抗干扰性能，实现对局放监测的准确性和可靠性。GIS设备标准设计装有内置式UHF传感器，可以在电站不停电的情况下，实现对传统变电站的智能化改造。

1.3机构状态检测系统

GIS断路器操作机构为断路器分合操作提供动能，一旦机构出现故障，将会对 GIS变电站造成重大事故。通过使用补偿式霍尔电流互感器对分合闸线圈电流检测获得，将检测到的电流曲线与以往曲线比较，可以发现机构卡涩，二次线接地或接点接触不良，转换开关失灵，分、合闸电磁铁卡涩等缺陷。

GIS通过加装行程、速度传感器测定断路器的机械特性（行程、合/分时间、平均速度等），综合诊断断路器的机械特性是否良好，通过对每次操作机械特性曲线与投运前的曲线比较，发现断路器内或是机构可能存在的故障或隐患，比如拉杆松动等问题，及时发现事故隐患。还可以通过监测弹簧机构电动机电流变化情况，分析判断机构传动质量。监测液压机构电机起动频次等，了解液压机构运行状况是否良好。

重要的是收集每次监测数据，建立智能化数据分析判断系统，针对每次监测数据进行综合分析判断，及时发现可能存在的风险和隐患，确保机构安全可靠运行。

2　非常规互感器

高压电流互感器和电压互感器是电力系统重要设备，电流互感器将电网中的高压信号变换传递为低压小电流信号，从而为系统的计量、监控、继电保护、自动装置等提供统一、规范的电流信号；电压互感器将一次高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。如图2所示。

非常规互感器是有别于传统的电磁型电流及电压互感器的新一代互感器的总称。

光学电压互感器是根据普克尔（Pockels）效应的原理工作，整个装置由3个部分构成：承受被测电压的光学晶体、光学元件（包括发光二极管）、光电二极管和光纤、电子组件（模拟与数字处理单元和数模转换器）的装置。光电式互感器与电子式电压互感器相比，不需电容分压，绝缘性能好、暂态特性好、集成度高，可以实现与 GIS高度集成，大幅度节省安装空间。

图2　非常规互感器示意图

光学电子式电流互感器采用法拉第磁光效应感应被测信号，传感为全光纤。无源型光电互感器的基本原理则是有效利用了物理学中法拉第电磁效应，其工作原理是将光信号通过电磁场中的磁光材料，使光信号的偏振面在一定程度上发生旋转，通过测算通流导体周围光信号偏振面的旋转角度，来推算导体中的电流值。

与传统电磁感应式互感器相比，光电式互感器具有以下特点：

1）不含铁心，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题；

2）整体结构紧凑，安装方便；

3）光纤测量通讯，抗干扰能力强；

4）精度高，同时满足计量和保护的；

5）一次、二次间传感信号由光缆连接，绝缘性能优异，且具有较强的抗电磁干扰能力；

6）具有光、电数字接口功能，便于二次部分的升级换代和数字化变电站的建设。

另外，Alstom还提供电容电子式电压互感器，罗氏线圈电子式电流互感器等解决方案。

3　RPH3选相分合闸系统

当断路器开断带电抗器、电容器线路及架空线线路时，系统将产生暂态过电压和大的冲击电流，其严重程度与合闸相角有关，通过 RPH3选相分合闸系统，利用 VT，CT的频率、开闭状态、控制电压、温度、断路器的驱动压力、断路器的动作时间动作行程曲线等条件，能够在指定的电流（电压）相位上完成分（合）闸操作。当开关设备操作时，减少在分合闸过程中涌流的冲击。对断路器的状态进行综合性的监测，根据断路器的电气机械的特性，确定最佳的目标相位，最大限度降低过电压改善电网的电能质量，延长断路器寿命，改进断路器性能，提高电网系统的可靠性。如图3所示。

图3　RPH3选相分合闸系统示意图

4　GIS室内SF6环境监测系统

当室内 GIS变电站在使用过程中发生泄漏时，由于SF6气体比重大于空气，漏出的SF6气体及其分解物会往室内低层空间积聚，且不易散发，造成局部缺氧和带毒，对进入室内的检修及巡视人员的安全构成严重危险。SF6环境监测系统由一台主机、一只温湿度模块和若干只气体探头（具体数量根据实际使用开关室的开关数量和空间大小而定）组成。气体探头安装 GIS间隔的下方，用以在线实时检测开关下方的氧气浓度，主机具有人体探测、语音提示和语音报警等功能。主机通过RS-485总线轮询、显示各气体探头的气体浓度数据并在危险时给出语音报警信息和控制风机工作。主机还可以通过RS-485总线实现与上位计算机的数据传输和系统参数修改，组成计算机对SF6开关室环境在线自动监测系统。

5　全数字化测量与控制

智能变电站不仅是采用先进、可靠的智能电力设备，还要具备全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，以及实现信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能。设备之间的连接全部采用高速的网络通信并使用IEC 61850协议标准，真正实现数据共享、资源共享。以上使用在 GIS变电站的智能化技术，均可实现按照IEC 61850标准协议进行远程数据监测和处理，并根据客户要求定制或扩展数字化方案。Alstom是首家提供全数字变电站的制造商，各种智能化方案成熟可靠并在全球多套 GIS变电站上应用。

6　结束语

2010年“加强智能电网建设”被写入《政府工作报告》，这标志着中国智能电网进入快速发展阶段看，目前许多成熟的智能化技术已经使用在智能化变电站中并投入运行，随着国家不断加大对智能化电网的投资和研究，各种新技术和研究成果会不断使用电力系统中，实现对电网的控制监测保护，从而建设更加安全可靠绿色环保的电力系统。

［1］ Q/GDW 393—2009 110kV～220kV智能化变电站设计规范［S］.

［2］ GB 7674—2008 额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备［S］.

［3］ 房岭峰， 倪浩， 魏本刚. 状态监测在220kV泸定智能化变电站中的工程应用［J］. 华东电力， 2012（6）.

［4］ 张猛， 申春红， 张库瓦， 等. GIS智能化的研究［J］. 高压电气， 2010（3）.

（2015-08-14）