智能電網(wǎng)、電子式互感器、電力一次設備三者在線監(jiān)測

1.智能電網(wǎng)的發(fā)展

1. 1 《美國復蘇與再投資法案》

2009年2月17日美國總統(tǒng)奧巴馬簽署了2009年《美國復蘇與再投資法案》(American Recovery and Reinvestment Act—ARRA)。此法案規(guī)定撥款給美國能源部(Department of Energy-DOE)來支持研發(fā)智能電網(wǎng)(smart grid)的經(jīng)費和示范工程，美國能源部即于2009年4月19日公布了《基金機遇通告》(FOA，(Funding Opportunity Announcementr))，將智能電網(wǎng)示范工程規(guī)定如下：①地區(qū)示范——核實智能電網(wǎng)技術生存能力和確認智能電網(wǎng)的商務模型。②電力公司電能儲存示范——測試費用和收益，檢驗各種電能儲存方法的技術性能，如新型電池、特殊電容器、飛輪、風與光電組合以及壓縮空氣能量系統(tǒng)等。③同步相量測量示范-建立廣域信息網(wǎng)絡(即相量測量裝置PMU/廣域測量系統(tǒng)WAMS)來調(diào)度和規(guī)劃電力系統(tǒng)。

美國能源部統(tǒng)計，通過對美國電網(wǎng)的智能化改造，預計未來20年內(nèi)可節(jié)省投資近千億美元。智能電網(wǎng)技術革新將打開電信、電網(wǎng)、電視網(wǎng)等整合的通道，為全球電力、電信產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)、電視媒體等的改革提供獨特的機遇。

1.2 中國智能電網(wǎng)的研發(fā)

2009年5月21日舉行的“2009特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞表示，積極發(fā)展智能電網(wǎng)已成為世界電力發(fā)展的新趨勢，到2020年，中國將全面建成統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)。我國國家電網(wǎng)結(jié)合基本國情和特高壓實踐，確立了加快建設堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展目標，即加快建設以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、數(shù)字化、自動化、互動化特征的統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)。國網(wǎng)公司將按照統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標準、試點先行、整體推進的原則，在加快建設由1000kV交流和±800kV、±1000kV直流構成的特高壓骨干網(wǎng)架，實現(xiàn)各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的同時，分階段推進堅強智能電網(wǎng)發(fā)展。

按照規(guī)劃，國家電網(wǎng)公司的智能電網(wǎng)建設將分3階段：在2010年之前完成規(guī)劃與試點工作;在2010～2015年大面積推開;到2020年，全面建成統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)。

2.堅強智能電網(wǎng)與電子式互感器及電力一次設備在線監(jiān)測

2.1自愈性智能電網(wǎng)(Self-Healing Smart Grid)

目前各大國都逐步建立了特大電網(wǎng)，為保證電網(wǎng)的安全運行，美國、歐盟、俄羅斯、日本、巴西等國先后都在進行智能電網(wǎng)的研究。

我國特高壓骨干網(wǎng)架將由1000kV級交流輸電網(wǎng)和±800kV、±1000kV直流直流系統(tǒng)構成。我國地域遼闊，各大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)，大量的西電東送，使國家大電網(wǎng)跨越了幾個時區(qū)。為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行，對智能電網(wǎng)的研發(fā)，則是急迫和至關重要的任務。由于這種跨越幾個時區(qū)的特大電網(wǎng)存在大面積停電的危險，而這種危險大多涉及調(diào)度員處理是否得當?shù)娜藶橐蛩兀?003年 “8.14”美加大停電事故。為解決此問題，美國電力研究院(EPRI)最先提出以相量測量裝置PMU，Phasor Measurement Unit)/廣域測量系統(tǒng)(WAMS，Wide Area Measurement System)為基礎的突出自愈功能的智能電網(wǎng)概念。它要求對電網(wǎng)節(jié)點的電壓相角測量快速而準確。20世紀80年代同步相量測量的研究在美國已經(jīng)開始，并成為廣域測量系統(tǒng)的一部分。1996年夏季美國兩次大停電事故中，WAMS進行了較全面準確的記錄。1997年法國電力公司(EDF，Electric de France)也建設了基于PMU的協(xié)調(diào)防御控制系統(tǒng)。但是系統(tǒng)動作響應時間卻很長，達到1.03s。2003年“8.14” 美加大停電事故更推進了WAMS的建設。只要在全網(wǎng)PMU合理化布點的基礎上(滿足可觀測性)，就可對現(xiàn)代化大電網(wǎng)進行靜態(tài)功角穩(wěn)定裕度監(jiān)視;在線擾動識別;分析電網(wǎng)的短路故障、機組振蕩與失步和系統(tǒng)電壓失穩(wěn)等;利用實時聯(lián)絡線功率和相對相角等參量的頻譜特性(特征頻率以及對應的衰減因子)識別系統(tǒng)低頻振蕩;在系統(tǒng)發(fā)生擾動時，實時監(jiān)視機組間相對功角的暫態(tài)過程;進行發(fā)電機組進相運行監(jiān)測;電壓動態(tài)過程監(jiān)測與動態(tài)穩(wěn)定預報。以及實現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控等。

為此， 在PMU /WAMS的基礎上就能實現(xiàn)包括暫態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性在內(nèi)的動態(tài)安全評估。當電網(wǎng)出現(xiàn)危機之前就能立即提出網(wǎng)絡重構、調(diào)整保護定值和穩(wěn)定補救等安全對策。[1]

文獻[1]指出，電網(wǎng)自愈功能的目標是：“實時評價電力系統(tǒng)行為，應對電力系統(tǒng)可能發(fā)生的各種事件組合、防止大面積停電，并快速從緊急狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)。其實現(xiàn)方法，可概括為快速仿真決策、協(xié)調(diào)/自適應控制和分布能源(DER, Distributed Energy Resource)集成等3個方面。”

2.2電子式互感器

(1)自愈性智能電網(wǎng)對電子式互感器的要求

自愈性智能電網(wǎng)要求高速和高準確度的PMU，這樣才能高準確度進行電網(wǎng)運行參數(shù)(如I、δI、 U、δU、cosφ、f、P、Q )的測量, 監(jiān)控電網(wǎng)的運行。目前常規(guī)電磁式電流互感器鐵芯在電力系統(tǒng)故障狀態(tài)下的鐵芯飽和及磁滯回線，會引起電流測量極其不準確。從而使PMU/ WAMS的測量也不準確，嚴重威脅現(xiàn)代化電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，增加了繼保裝置的復雜性;抗電磁干擾能力減弱;絕緣技術、體積、質(zhì)量和價格都隨電壓等級的升高而越來越大;運輸、安裝和維護困難;量測受頻率影響;變電站占地大，成本高等。為此，有必要研發(fā)能克服上述缺點并滿足智能電網(wǎng)要求的新型電子式電流互感器。

這種新型電子式電流互感器要求既快速又高度準確，并將為現(xiàn)代化大電網(wǎng)的安全可靠和經(jīng)濟運行提供關鍵的基礎。它也是電力一次、二次設備的完美結(jié)合，解決了電網(wǎng)自動化發(fā)展的“瓶頸”?，F(xiàn)代化大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制技術也急需滿足要求的電子式互感器的出現(xiàn)。因此電子式互感器不是一般的對電磁式互感器的升級換代，而是現(xiàn)代化大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的需求。

電網(wǎng)的安全運行要求電力設備安全可靠。而據(jù)統(tǒng)計，電網(wǎng)中的電力設備平均每年有1/3的事故都是因為互感器所致，如雷電季節(jié)，打雷或閃電都有可能導致互感器爆炸或燃燒。電子式互感器的使用將大大減少這方面的事故。

電子式互感器是電網(wǎng)一次的重要主設備，它們擔負著電網(wǎng)的精確“測量和計量”，以及故障“監(jiān)測”的作用。要求量測的電網(wǎng)運行參數(shù)高度精確;裝置本身應具有相當?shù)目煽啃?。它是為智能電網(wǎng)、數(shù)字化繼電保護、電網(wǎng)實時PMU、WAMS、電網(wǎng)快速狀態(tài)估計、電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控、特高壓輸電線路的電暈測量、電網(wǎng)實時經(jīng)濟調(diào)度、諧波在電網(wǎng)中的應用、電網(wǎng)輸電阻塞的緩解(美國)、解決輸電走廊問題的分相輸電技術、實現(xiàn)準確的故障測距和緊湊型一次智能設備等提供可靠保證。對現(xiàn)代電網(wǎng)運行和設備革命發(fā)揮重要的作用。因此，要求它必須具有高準確性、快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅堋?/p>

(2)電子式互感器的國際標準和國家標準

國際電工委員會和國內(nèi)標準化組織近年來也相應頒布了有關協(xié)議和標準以作為指導。IEC61850協(xié)議是變電站自動化系統(tǒng)建設的依據(jù)。完全符合IEC61850協(xié)議的一次和二次數(shù)字化設備的研制和產(chǎn)品化是建設智能電網(wǎng)的堅實基礎。IEC 61850-5-13規(guī)定了變電站內(nèi)智能電子設備(IED，Intelligent Electronic Device)的同步標準以及電力系統(tǒng)有關參數(shù)值的指標，是變電站自動化系統(tǒng)的設計，電子式互感器及IED的性能研制和生產(chǎn)以及電力部門招標必須依據(jù)的標準。IEC60044-7/8標準也是電子式互感器制造檢測和招標應遵循的標準。我國于2007年1月正式頒布等同于IEC60044-7/8的國家標準 GT20840-7/8，并于2007年8月1日起實施。[3]

⑴根據(jù)國際標準IEC61850-5-13的要求，電子式互感器需為各種智能IED提供高準確度的電流I和電壓U，其數(shù)據(jù)采樣率必須≥12000次/s，三相同步時間應為±1μs。[3]，[4]

⑵PMU與WAMS的連接應滿足IEEE 37.118的準確性標準(1級)并對數(shù)據(jù)傳輸使用IEEE 37.118標準。 要求PMU的數(shù)據(jù)采樣率≥12000次/s，測量頻率的絕對準確度為± 1 mHz，絕對相角準確度為± 0.02度，時間準確度為± 1 μs。數(shù)據(jù)傳輸率為50/60 Hz。要達到此要求，提供給PMU和WAMS原始數(shù)據(jù)的電子式互感器對I、U的測量準確度應小于0.2%, 三相同步時間為± 1 μs，相位移應滿足IEC60044-7/8的要求。[3]

⑶IEC61850-9-1對以太網(wǎng)物理層傳輸速率的要求

電子式互感器的綜合單元對保護、測量等IED的輸出傳輸速率應與IED的采樣率匹配。根據(jù)IEC61850-5-13的規(guī)定：保護裝置IED的采樣率為480、960和1920次/s;測量儀表的IED采樣率為1500、4000和12000次/s。

IEC61850-9-1規(guī)定：電子式電流/電壓互感器的綜合單元對保護、測量等IED的輸出傳輸速率應與IED的采樣率匹配。[3]，[5]

2.3 電力一次設備在線監(jiān)測對堅強智能電網(wǎng)的作用

目前，大電網(wǎng)的安全防護已與涉及自然和社會因素的災害防護緊密相連，因此大電網(wǎng)的安全防護受到了美國白宮科技政策辦公室和美國國內(nèi)安全部的重視。美國政府已于2007年通過了《能源獨立和安全法規(guī)(Energy Independence and Security Act)》, 有專門一章就是智能電網(wǎng)。[2]

參考文獻[2]在解釋智能電網(wǎng)的具體內(nèi)容時指出：“在輸電的每個元件(如開關、變壓器等)、每個變電站和發(fā)電廠中皆設置一個具有堅強的操作系統(tǒng)獨立的處理器(processor)，也可用作獨立的代理器(agent)，在這些處理器或代理器之間能進行雙向快速通信，從而形成一個巨大的分布式平臺。每個代理器必須與相應元部件的傳感器連接，以評估其運行狀況，并用高速寬帶光纖通信系統(tǒng)將傳感器的數(shù)據(jù)傳送到其它處理器(代理器)，各處的代理器既是獨立動作的，又是彼此通信互連的，可以進行協(xié)調(diào)控制。”

智能電網(wǎng)的自愈控制是在事故影響電網(wǎng)之前就從本地或局部地區(qū)對事故進行處理后，從而達到自愈的效果。由此可見，電力一次設備的在線安全監(jiān)測裝置就是智能電網(wǎng)實現(xiàn)自愈控制的智能代理器最基礎部分。電力一次設備的在線安全監(jiān)測裝置最初是為了對一次設備進行常規(guī)診斷，后來實現(xiàn)狀態(tài)檢修，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計劃檢修。當然，目前的在線安全監(jiān)測，還不是實時的在線監(jiān)測。在此基礎上，若狀態(tài)監(jiān)測的可信度大大提高，并加快對設備狀態(tài)的監(jiān)測頻率，就可逐步成為自愈智能電網(wǎng)的智能代理器。這樣，當新型的傳感器、在線監(jiān)測裝置和執(zhí)行機構研制出來后就可形成智能代理器，從而加強電網(wǎng)的自適應和重組控制能力。

智能電網(wǎng)的智能代理器要求新型傳感器對電網(wǎng)運行參數(shù)的測量速度和高準確度與對電子式互感器的要求應是一致的，甚至對某些數(shù)據(jù)的測量準確度的要求更高，如對電暈損失的測量,其采樣率最好采用250k次/s，相當每周期(50Hz)采樣5000次。

在線監(jiān)測裝置主要是監(jiān)測電容型設備的介質(zhì)損耗，電容及其變化量，泄漏電流及其變化量，不平衡電壓，避雷器的全電流和阻性電流，變壓器套管的介損和油中氫氣含量，變壓器的局部放電、油中色譜，少油開關的泄漏電流及其他設備(如發(fā)電機放電)等。對變電站關鍵電力設備的電氣絕緣綜合在線監(jiān)測研究具有重要的意義，并要加強在線監(jiān)測裝置的防干擾措施。

3.結(jié)論

①隨著特高壓、大容量、超大規(guī)模電網(wǎng)的逐步形成，為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行，研發(fā)智能電網(wǎng)和進行示范工程是急迫及至關重要的任務。

②為保證智能電網(wǎng)實現(xiàn)自愈性，要求研制和生產(chǎn)高速及高準確度的電子式互感器。

③研制新型的傳感器、在線檢測裝置是實現(xiàn)智能電網(wǎng)所需的智能代理器的基礎。

參考文獻

[1] 王明俊. 突出自愈功能的智能電網(wǎng). 動力與電氣工程師，2007，2(2)：12~16.

[2] 何大愚. 應用智能網(wǎng)絡技術構建未來自愈型輸電網(wǎng). 動力與電氣工程師，2008， 3(6):12~16.

[3] 徐立子，萬啟發(fā). 現(xiàn)代化電網(wǎng)與國際標準對電子式互感器的要求. 電子式互感器 技術研討會交流文集，中國電力企業(yè)聯(lián)合會成果鑒定辦公室，2007，10：54～66.

[4] IEC 61850-5 Communication Network and Systems in Substations. Part 5-13：Message performance requirements. 2003-07.

[5] IEC 61850-9-1 Communication Network and System in Substation-Part 9-1: Specific communication service mapping (SCSM)—Sampled values over serial unidirectional multi-drop point to point link 2003-05.