淺談智能電網狀態檢測中的關鍵技術

　　0 引言

　　電網是經濟社會發展的重要基礎產業，是國家能源產業鏈的重要環節，為保障我國未來能源和經濟社會可持續發展，國家電網公司提出了符合我國能源戰略和電網企業需求的智能電網發展模式。智能電網是指電網的智能化，是建立在集成的、高速的雙向通信網絡的基礎之上。通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法，以及先進決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標。根據IBM中國公司高級電力專家Martin Hauske的解釋，智能電網有3 個層面的含義［1］：首先是利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監控;然后把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合;最后通過對數據的分析、挖掘，達到對整個電力系統運行的優化管理。2009年5月21日 舉行的 “2009 特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網公司總經理劉振亞表示，積極發展智能電網已成為世界電力發展的新趨勢，到2020年，中國將全面建成統一的堅強智能電網。我國國家電網結合基本國情和特高壓實踐，確立了加快建設堅強智能電網的發展目標，即加快建設以特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，具有信息化、數字化、自動化、互動化特征的統一的堅強智能電網。

　　為了提高智能電網安全穩定水平和電網設備管理效益，需要加強和提升電網設施的監控能力，針對輸變電設備狀態檢測的有效方法和先進技術、傳感技術、狀態評估技術、信息技術以及通信支撐技術開展技術研究和工程應用。國家電網公司已于2009年7月決定自2010年起全面推廣實施狀態檢修，全面提升設備智能化水平，推廣應用智能設備和技術，實現電網安全在線預警和設備智能化監控。

　　1 智能電網與傳統電網在狀態檢測方面的差異

　　1.1 傳統電網狀態檢測技術現狀

　　狀態檢修是以設備當前的實際工作狀況為依據，通過先進的狀態監測手段、可靠性評價手段以及壽命預測手段，判斷設備狀態，識別故障的早期征兆，對故障部位及其嚴重程度、故障發展趨勢作出判斷，并根據分析診斷結果在設備性能下降到一定程度或故障將發生之前進行維修［2］。狀態檢修的高效開展，需要大量的設備狀態信息，為設備狀態評價以及狀態檢修策略的制定提供基礎數據。設備狀態信息包括巡檢、運行工況、帶電檢測、停電例行試驗、停電診斷試驗數據等。

　　隨著狀態檢測技術的發展，人們越來越清晰地認識到“帶電檢測、在線監測、停電檢修試驗”三位一體的檢測模式代表著未來輸變電設備狀態檢測技術的發展方向。

　　帶電檢測一般采用便攜式檢測設備，在運行狀態下對設備狀態量進行現場檢測，其檢測方式為帶電短時間內檢測，有別于長期連續的在線監測［3］。在帶電檢測技術方面，國內外目前采用的主要帶電檢測技術包括：油色譜分析、紅外測溫、局放檢測、鐵心電流帶電檢測、紫外成像檢測、容性設備絕緣帶電檢測、氣體泄漏帶電檢測，其中最常用、最有效的是局放帶電檢測、油色譜分析及紅外測溫技術。尤其是局放帶電檢測技術，它是目前發展最為迅速、對電氣設備絕緣缺陷檢測最為有效的一種帶電檢測技術。

　　在在線監測技術方面，目前應用較多的主要集中在變電設備，而輸電線路和電纜也逐步出現一些應用。對于變電設備，變壓器和電抗器采用的在線監測技術主要包括：油色譜、局放、鐵心接地電流、套管絕緣、頂層油溫和繞組熱點溫度;CT、CVT、耦合電容等容性設備主要是對其電容量和介損進行監測;避雷器主要監測其泄漏電流;而斷路器、GIS等開關設備主要在線監測技術包括開關機械特性、GIS局放、SF6氣體泄漏及SF6微水、密度。其中應用比較成熟有效的：變壓器油色譜在線監測、容性設備和避雷器在線監測。對于輸電線路，目前主要應用的在線監測方法主要有雷電監測、絕緣子污穢度、桿塔傾斜、導線弧垂等監測技術，但是比較成熟的主要是雷電監測和絕緣子污穢監測。對于電力電纜，主要在線檢測方法是溫度和局放，相對成熟的是分布式光纖測溫。

　　在停電檢修試驗方面，國內外都形成了一套成熟的預防性試驗方法和規程。

　　我國狀態檢測和評估工作還處于起步階段，狀態檢測技術應用及推廣上存在的問題主要有：（1）狀態檢測技術應用范圍不廣，與電網設備總量相比，狀態監測技術應用的設備覆蓋面還處于較低水平;（2）狀態檢測裝置可靠性不高，存在誤報現象，并且裝置的故障率高，運維的工作量較大;（3）缺乏統一的標準和規范指導，各廠家裝置的工作原理、性能指標和運行可靠性等差異較大，同時各類裝置的校驗方法、輸出數據規范以及監測平臺都各不相同;（4）缺乏深入有效的綜合狀態評估方法;（5）在線監測技術需要深化研究，現行的在線監測技術在設備缺陷檢測方面還存在盲區，狀態參量還不夠豐富，對突發性故障預警作用不夠明顯;（6）缺少統一的考核、評估和指導方面的行業管理機構。

　　1.2 智能電網與傳統電網在狀態檢測方面的差異

　　智能電網對狀態信息的獲取范圍將與傳統電網發生很大的變化。未來智能電網的狀態信息不僅包括電網裝備的狀態信息，如：發電及輸變電設備的健康狀態、經濟運行曲線等;還應有電網運行的實時信息，如：機組運行工況、電網運行工況、潮流信息等;還應有自然物理信息，如：地理信息、氣息信息等［4］。

　　傳統電網的信息獲取及利用水平較低，且難以構成系統級的綜合業務應用。智能電網將通信技術、計算機技術、傳感測量技術、控制技術等諸多先進技術和原有的電網設施進行高度融合與集成，與傳統電網相比，智能電網進一步拓展了對電網的全景實時信息的獲取能力，通過安全、可靠、通常的通信通道，可以實現生產全過程中系統各種實時信息的獲取、整合、分析、重組和共享。通過加強對電網實時、動態狀態信息的分析、診斷和優化，可以為電網運行和管理人員提供更為全面、精細的電網運行狀態展現，并給出相應的控制方案、備用預案及輔助決策策略，最大程度的實現電網運行的安全可靠、經濟、環保。智能電網狀態檢修將不僅僅局限于電網裝備的狀態檢修，勢必延伸出更多的復合型高級應用。

　　2 智能電網狀態檢測關鍵技術

　　智能電網狀態檢測的應用范圍將不再局限于狀態檢修、全壽命周期管理等狹隘的范疇，而是擴大至對安全運行、優化調度、經濟運營、優質服務、環保經營等領域。智能電網狀態檢測技術應涵蓋以下方面：電網系統級的全景實時狀態檢測;真正意義的電網裝備全壽命周期管理;電網最優運行方式;及時可靠的電網運行預警;實時在線快速仿真及輔助決策支持;促進發電側經濟、環保、高效運行等［4］。本文主要探討了輸電線路設備管理、狀態檢修及全壽命周期管理、智能變電站相關技術等研究方向需要研究和解決的問題及預期達到的目標。

　　2.1 輸電線路設備管理

　　輸電線路智能化關鍵技術是基于信息化、數字化、自動化與互動化對輸電線路設備進行監測、評估、診斷和預警的智能化技術，以保證輸電線路運行的安全性。而輸電線路設備管理是實現輸電線路狀態檢測從而實現輸電線路智能化的重要方面，具體而言，針對輸電線路設備管理的研究需涵蓋的內容如下。

　?。?）輸電線路設備“自檢測”功能研究：研究輸電設備的特征參量及檢測、監測技術;構建設備狀態監測和診斷路線圖;滾動優化檢修策略;構建輸電線路狀態檢修體系。

　?。?）輸電線路設備“自評估”功能研究：構建設備運行狀態的數字化評價體系，實現設備的自評價功能;構建設備故障風險評估模型，實現設備風險成本的可控管理;建立設備的經濟壽命模型。

　?。?）輸電線路設備“自診斷”功能研究：研究主要設備的典型故障模式，提取有效的特征參量，給出故障的評判標準;研究多特征參量反映同一故障模式時設備狀態的表征方法;逐步建立具有自診斷功能的智能設備技術體系。

　?。?）輸電線路設備“事故預警、輔助決策”功能研究：構建設備運行可靠性預計模型，實現設備故障的數值預報功能;實現設備壽命周期成本的優化管理;結合設備的特征參量開發輔助決策系統，使其能夠為電網調度提供設備的可靠性數值預報信息，提供先進的供電安全快速預警功能。

　　2.2 狀態檢修和資產全壽命管理

　　狀態檢修過程中設備基礎數據的收集與管理、設備狀態的評價、故障診斷與發展趨勢預測、剩余壽命評估等4 個方面的內容是資產全壽命周期管理過程中資產的利用、維護、改造、更新所需要開展的基礎性工作，同時資產的規劃、設計、采購的管理也離不開設備在使用和維護期間歷史數據、狀態和健康記錄等的反饋。針對面向智能電網的輸變電設備的狀態檢修和資產全壽命管理需研究以下內容。

　?。?）基于自我診斷功能的故障模式、故障風險的數值預報技術：以油浸式電力變壓器、斷路器和GIS為對象，在初級智能化設備的基礎上，進一步開展增加自我檢測參量、改進自我檢測功能的研究;在自我診斷方面，開展提高智能化水平的研究，實現設備故障幾率和故障風險的數值預報，服務于智能化設備乃至電網的安全運行管理。

　?。?）狀態檢修輔助決策：在已有輸變電設備狀態檢修輔助決策基本功能基礎上，研究基于狀態檢修的檢修計劃編排及優化技術、設備狀態分析及故障診斷技術、輸變配設備典型缺陷標準化技術、設備廠家唯一性標識建立和跟蹤技術、在線監測數據接入技術等，并完善擴充輸變電設備的評價導則。

　?。?）資產全壽命周期管理：在已有成熟套裝軟件、生產管理、調度管理、營銷管理、可靠性管理、招投標管理、計劃統計等應用基礎上，研究電網資產從規劃、設計、采購、建設、運行、檢修、技改直至報廢的全壽命周期管理中的各種信息化關鍵技術，重點研究設備資產全息信息模型、設備資產全壽命周期管控技術、基于資產表現與服務支持的電力設備供應商綜合評價技術、設備資產全壽命周期優化評估決策體系及其相關算法、基于資產全壽命周期的技改大修輔助決策技術等，最終實現以資產全壽命周期評估決策系統為關鍵支撐系統的資產全壽命周期管理體系。

　?。?）面向智能電網的設備運行和檢修策略：研究面向智能電網的變電站巡檢技術、巡檢項目和巡檢技術規范;研究面向智能電網的停電試驗和維護策略;研究完成符合智能電網運行特點的設備停電試驗和檢修建模;研究智能化附件的現場維護、檢驗和檢定技術和策略。建立起一套面向智能電網的設備運行和檢修技術體系和標準體系，滿足智能電網的運行管理要求。

　?。?）面向智能電網的設備壽命周期成本管理策略：研究各類一次設備的故障模式及故障發生幾率，研究各種故障模式下的檢修模型（所需時間和資源分布規律），研究各種故障模式下的風險損失（檢修成本、供電損失成本、社會影響折算成本等）。面向智能電網，研究設備的技術經濟壽命模型，按新、舊設備分類建立壽命周期成本模型和與之相適應的設備檢修和更換策略。面向智能電網，完成設備壽命周期成本管理技術體系和標準體系，滿足智能電網的運行管理要求。

　　2.3 智能變電站相關技術研究

　　智能變電站是智能電網的物理基礎，其核心技術是智能化一次設備和網絡化二次設備。針對智能變電站相關技術的研究內容需包括以下方面。

　?。?）智能變電站技術體系及相關標準規范：研究智能變電站的架構和技術體系，明確智能變電站的定義和定位，制定相應的標準和規范，指導未來智能變電站的建設和運行，提高智能變電站的標準化程度、開放性和互操作性。

　?。?）智能變電站動態數據處理：通過開發開放式的智能化變電站系統，并改進通信設備以便取得更快的數據采集率，或者把在線測量數據儲存在當地的一個智能化變電站中，然后，在各個智能化變電站之間交換相關的數據，把每一個智能化變電站當作一個Agent，從而實現基于Multi-Agent的全數字實時決策應用。在高級調度中心側則需要開發廣域全景分布式一體化的EMS/WAMS技術支持系統。

　?。?）智能變電站系統和設備的自動重構技術：建立智能裝置的模型自描述規范，實現智能變電站中系統、設備的自動建模和模型重構，在系統擴建、升級、改造時實現智能化、快速化的系統部署、測試、校驗和糾錯，提升智能變電站自動化系統的安全性，減少系統建設和調試周期。

　?。?）智能變電站分布協調/自適應控制技術：研發分布協調/自適應控制的技術和方法，解決靈活分區導致的繼電保護、穩定補救和無功補償裝置定值的自適應修改，實現解列后包括發電在內的微網和變電站的分布式智能控制。

　　3 結論

　　狀態檢測技術是為基于狀態的檢修或預知性維修服務的一種技術，其發展是源于狀態檢修對于電網裝備狀態信息獲取、分析、評判的技術性需求。在未來智能電網的狀態檢測中，勢必要提高信息采集的準確性，加強采集信息的可靠性和準確性驗證手段，通過遠程、現場校驗和校準技術，提高監測信息的可用度。同時，智能電網狀態檢測的信息處理，必須針對不同應用需求，分層分布處理。智能電網狀態檢測的應用范圍，將不再局限于狀態檢修，全壽命周期管理等，將會擴大到對安全運行、優化調度、經濟運營、優質服務等領域?？傊?，未來智能電網的狀態檢測技術將遠遠超出傳統電網狀態檢測的范疇，檢測范圍將大幅擴展、全方位覆蓋，且將為電網運行、綜合管理等提供外延的應用支撐，而不僅局限于電網裝備的監測。