智能電網(wǎng)的發(fā)展和建設(shè)是一項系統(tǒng)工程,涉及諸多學(xué)科和行業(yè),同時,智能電網(wǎng)沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可供借鑒,必須堅持自主創(chuàng)新。因此,智能電網(wǎng)將會極大地提高我國電力工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)諸如變壓器制造業(yè)的整體技術(shù)水平和創(chuàng)新能力。

智能電網(wǎng)具有堅強、自愈、兼容、經(jīng)濟、集成和優(yōu)化等特征,同時具有信息化、自動化和互動化等技術(shù)特征。堅強智能電網(wǎng)基本架構(gòu)如圖 1 所示,其技術(shù)體系包含電網(wǎng)基礎(chǔ)體系、技術(shù)支撐體系、智能應(yīng)用體系和標準規(guī)范體系。電網(wǎng)基礎(chǔ)體系是電網(wǎng)系統(tǒng)的物質(zhì)載體,是實現(xiàn)堅強電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。技術(shù)支撐體系是指先進的通信、信息和控制等應(yīng)用技術(shù),是實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。

智能應(yīng)用體系是保障電網(wǎng)安全、經(jīng)濟和高效運行,最大效率利用能源和社會資源,提供用戶增值服務(wù)的具體體現(xiàn)。標準規(guī)范體系是指技術(shù)、管理方面的標準、規(guī)范、試驗、認證和評估體系,是建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的制度保障。

智能化變電站對變壓器的要求

智能化變電站以先進的信息化、自動化和分析技術(shù)為基礎(chǔ),靈活、高效且可靠地滿足發(fā)電、用電對電網(wǎng)提出的各種需求,實現(xiàn)提高電網(wǎng)安全性、可靠性、靈活性和資源優(yōu)化配置水平的目標。變電站又是電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點,負責(zé)連接線路和輸送電能,擔(dān)負著變化電壓等級,匯集電流,分配電能,控制電能流向和調(diào)整電壓等功能。變電站的智能化運行是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。

智能化變電站基本機構(gòu)如圖 2 所示,可分為站控層、間隔層和過程層。

站控層包括自動化站級監(jiān)視控制系統(tǒng),站域控制、通信系統(tǒng)和對時系統(tǒng)等子系統(tǒng),實現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能。完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制(SCADA)、操作閉鎖以及同步矢量采集、電能量采集及保護信息管理等相關(guān)功能。站控層功能高度集成,可在一臺計算機或嵌入式裝置實現(xiàn),也可分別在多臺計算機或嵌入式裝置中。

間隔層包括繼電保護裝置、系統(tǒng)測控裝置和監(jiān)測功能組主智能電子裝置IED(Intelligent ElectronicDevice)等二次設(shè)備,實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能,即與各種遠方輸入、交互,使設(shè)備自診斷結(jié)果與調(diào)動決策和設(shè)備運行管輸出、傳感器和控制器通信。過程層包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)及電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。

電力變壓器是過程層中最重要的高壓設(shè)備之一,由于其事故率高,故障影響大,對電網(wǎng)可靠性有較大影響。電力變壓器也是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,故障原因最復(fù)雜的電網(wǎng)設(shè)備。電力變壓器在運行中有不少需要監(jiān)測的參數(shù),如負荷、油溫、油位、油中氣體和開關(guān)分接位置等;也有一些需要控制的部件,如冷卻系統(tǒng)、有載調(diào)壓系統(tǒng)等。綜合這些因素可以看出,電力變壓器具有智能化價值,是高壓設(shè)備智能化重要設(shè)備之一。

智能化變電站主要對電力變壓器的測量、控制、計量、監(jiān)測和保護等部分的要求與常規(guī)變電站不同,智能化變電站對其智能化設(shè)備要求至少具有五項基本技術(shù)特征：

測量數(shù)字化 對相關(guān)參量就地數(shù)字化測量,所屬參量包括變壓器油溫、有載分接開關(guān)分接位置,開關(guān)設(shè)備分、合閘位置等

控制網(wǎng)絡(luò)化 對有控制需求的部件實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)控制,如變壓器冷卻裝置、有載分接開關(guān)和開關(guān)操作機構(gòu)等

狀態(tài)可視化 把設(shè)備狀態(tài)信息,通過智能組件的自診斷,以可辨識的方式,使設(shè)備狀態(tài)在電網(wǎng)中是可觀測的,所謂狀態(tài)可視,并非對運行人員而是對相關(guān)系統(tǒng)的,如設(shè)備運行管理系統(tǒng)與電網(wǎng)調(diào)動系統(tǒng)可基于智能組件狀態(tài)可視化功能,看到設(shè)備健康狀態(tài),自動生成檢修方案,優(yōu)化電網(wǎng)運行

功能一體化 將相關(guān)測量、控制、計量、監(jiān)測和保護等一體化融合設(shè)計,做到簡潔、簡單,減少占用空間

信息互動化 與調(diào)動系統(tǒng)交互,與設(shè)備運行管理系統(tǒng)理系統(tǒng)有機結(jié)合,可提供變壓器運行自診斷結(jié)果。

智能化變壓器配置以及解決方案

智能化變壓器配置以及解決方案智能化變壓器的構(gòu)成包括變壓器本體,內(nèi)置或外置于變壓器本體的傳感器和控制器,實現(xiàn)對變壓器進行測量、控制、計量、監(jiān)測和保護的智能組件。變壓器的冷卻器控制器和有載分接開關(guān)控制器應(yīng)具有可連接智能組件的接口,并可以響應(yīng)智能組件的控制。變壓器的狀態(tài)監(jiān)測主要包括局部放電監(jiān)測、油中溶解氣體監(jiān)測、繞組光纖測溫、侵入波監(jiān)測、變壓器振動波譜和噪聲等。

1. 智能變壓器的測量功能及解決方案

提供主油箱頂層和底部油溫度的測量,可判斷變壓器是否過熱,冷卻裝置運行是否異常。采集來自氣體繼電器節(jié)點信息和壓力釋放閥狀態(tài)信號,用于檢測是否由于內(nèi)部故障產(chǎn)生嚴重放電或短路。

根據(jù)主油箱油位和分接開關(guān)油箱油位的測量,給出合理的油位上限、下限。測量風(fēng)扇電動機電流和電壓,觀察和分析風(fēng)扇及風(fēng)扇電動機的工作狀態(tài)。根據(jù)油流繼電器提供的信號,分析油泵是否異常。有載分接開關(guān)驅(qū)動電源電壓測量便于觀測操作電源狀態(tài),有載分接開關(guān)切換次數(shù)測量便于分析機械壽命,有載分接開關(guān)當(dāng)前分接位置測量可提供當(dāng)前工作的狀態(tài)量。

智能變壓器的測量功能還應(yīng)包括各側(cè)負荷電流及中性點電流測量,其主要作用應(yīng)用于保護和狀態(tài)量。智能變壓器的測量功能還應(yīng)包括各側(cè)負荷電流及中性點電流測量，其主要作用應(yīng)用于保護和狀態(tài)感知。

2.智能變壓器的控制功能及解決方案

對于冷卻控制系統(tǒng),主油箱油頂層溫度和底部油溫度以及繞組光纖測溫同樣用于判斷變壓器是否過熱,冷卻裝置運行是否異常,冷卻裝置開起組數(shù)參量用于控制冷卻裝置負荷匹配及運行狀態(tài)。鐵心接地電流的主要作用在于監(jiān)控鐵心故障,如是否存在多點接地。

變壓器各側(cè)電流和環(huán)境溫度可對變壓器進行發(fā)熱故障原因判斷和溫度預(yù)測,變壓器各側(cè)電壓則用于監(jiān)控是否有過勵磁狀況發(fā)生。對于有載分接開關(guān)控制系統(tǒng),開關(guān)分接位置、變壓器各側(cè)電流及變壓器各側(cè)電壓均用于控制參考量,分接開關(guān)運行狀態(tài)則用于智能控制。

智能化變壓器測控單元的配置基于變壓器本體測控參量,通過Modbus 通信協(xié)議將本體控制箱與智能控制柜中的測控單元IED進行連接。智能化變壓器測控單元IED的主要功能是接受來自間隔層或站控層的命令,對PLC通過串口通信進行協(xié)議轉(zhuǎn)換,不僅可以向間隔層或站控層發(fā)送數(shù)據(jù),還可以有效地對數(shù)據(jù)進行存儲,圖3給出了智能化變壓器測控單元的基本結(jié)構(gòu)。

3、智能化變壓器的監(jiān)測功能及解決方案

智能化變壓器的局部放電在線監(jiān)測一般用于500kV級以上的變壓器，所采用的局部放電監(jiān)測技術(shù)具有良好的抗電暈干擾能力，可監(jiān)測的視在放電量一般可控制在500~5000pC。局部放電監(jiān)測原理基于特高頻的全頻帶動態(tài)掃頻檢測技術(shù),使用特高頻傳感器可做到輸出阻抗自動平衡,不需阻抗變換器,可以帶電檢修,同時采用四通道高速同步采樣、復(fù)合除噪技術(shù)和自動閾值小波除噪技術(shù)等。

油中溶解氣體監(jiān)測一般選擇色譜柱法技術(shù),油氣分離采用負壓動態(tài)真空脫氣技術(shù),使用靈敏度高,響應(yīng)速度快的納米晶半導(dǎo)體氣敏傳感器,整個裝置支持 IEC61850 通信協(xié)議(見圖4)。油中溶解氣體監(jiān)測滿足智能組件狀態(tài)可視化的基本要求,氫氣和乙炔監(jiān)測為必選,其他氣體及水分為可選。

繞組光纖在線測溫可有效地監(jiān)測繞組內(nèi)部最熱點溫升,對分析變壓器熱絕緣壽命衰減具有重大意義。繞組光纖測量不確定度≤2 °C,測量范圍一般控制在5~180 °C之間。繞組光纖測溫采用在繞組熱點處預(yù)埋光纖,以達到實時測量繞組最熱點溫升的目的。繞組內(nèi)部光纖通過安裝在油箱壁上的貫穿器與外部光纖相連接,外部光纖終端連接至光纖控制器,光纖控制器通過串口通信連接到主IED。

在線監(jiān)測鐵心接地電流的目的是通過對鐵心接地電流的監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)箱體內(nèi)異物、內(nèi)部絕緣受潮或損傷、油箱沉積油泥及鐵心多點接地等類型的故障,從而及早發(fā)現(xiàn)潛伏隱患,提出預(yù)警,避免事故的發(fā)生(見圖6)。利用高靈敏度電流傳感器,不失真地采集變壓器鐵心對地的泄漏電流信號。信息傳輸采用IEC61850 通信協(xié)議,通過對電流信號的運算和處理,剔除雜波干擾信號,得到實際接地泄漏電流信息,最終利用專家系統(tǒng)分析、判斷并預(yù)測鐵心絕緣的健康狀況。

智能變壓器的監(jiān)測功能還包括氣體聚集量(輕瓦斯)、主油箱底部油溫、電容式套管電容量、套管介質(zhì)損耗因數(shù)以及用于500kV變壓器的振動波譜和噪聲的正常指紋等項目。其中,振動波譜和噪聲應(yīng)提供變壓器故障或缺陷時的特征指紋,并提供相應(yīng)指紋分析技術(shù),傳感器位置、監(jiān)測頻率及靈敏度等應(yīng)滿足監(jiān)測要求,監(jiān)測頻率大致在0.1~20kHz,最小可測量≤0.001 G。

4.智能化變壓器的保護功能及解決方案

110 kV 變壓器電量保護建議按雙套配置,采用主、后備保護一體化配置。220 kV 及以上變壓器電量保護按雙重化配置,每套保護包含完整的主、后備保護功能。

變壓器保護直接采樣,直接跳各側(cè)斷路器,非電量保護采用就地直接電纜跳閘方式,變壓器非電量保護量包括瓦斯信號、油溫信號、繞組信號、壓力釋放閥信號及冷卻設(shè)備全停信號。變壓器保護可采用分布式保護,分布式保護由主單元和若干個子單元組成,子單元不應(yīng)跨電壓等級。集成繼電保護功能,滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求,提高保護的性能和智能化水平。

智能變電站分為站控層、間隔層和過程層,包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)和電流互感器等在內(nèi)的一次設(shè)備及其所屬的智能組件均處于過程層,圖7給出了基于 IEC61850 通信協(xié)議,由過程層智能組件向間隔層或站控層信號傳遞的智能柜網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。

結(jié) 束 語

建設(shè)堅強智能電網(wǎng),設(shè)備是關(guān)鍵。變壓器制造企業(yè)只有積極迎接智能電網(wǎng)帶來的變革,抓住機遇,接受挑戰(zhàn),在不斷發(fā)展的過程中不懈努力,不斷提高,才能在智能電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用,實現(xiàn)新一輪智能化變壓器制造業(yè)的振興與崛起。隨著國家電網(wǎng)公司堅強智能電網(wǎng)計劃的實施,變電站將逐步向智能化變電站發(fā)展,傳統(tǒng)的變壓器也隨之要升級為智能化變壓器,這是變壓器制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。中國ABB電力變壓器制造公司已經(jīng)成立了智能化變壓器團隊,從設(shè)計、工藝及制造等各個領(lǐng)域積極應(yīng)對這一變革和挑戰(zhàn)。按照智能化變電站對電力變壓器的要求,從測量、控制、計量、監(jiān)測和保護五個方面給出智能化變壓器解決方案,特別考慮了代表智能化的在線監(jiān)測自診斷功能,以滿足智能化變電站對一次設(shè)備提出的測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化及信息互動化等諸多要求。

原標題:電氣知識 | 智能電網(wǎng)中的智能化變壓器