智能電網的發展和建設是一項系統工程,涉及諸多學科和行業,同時,智能電網沒有現成的經驗可供借鑒,必須堅持自主創新。因此,智能電網將會極大地提高我國電力工業及相關產業諸如變壓器制造業的整體技術水平和創新能力。

智能電網具有堅強、自愈、兼容、經濟、集成和優化等特征,同時具有信息化、自動化和互動化等技術特征。堅強智能電網基本架構如圖 1 所示,其技術體系包含電網基礎體系、技術支撐體系、智能應用體系和標準規范體系。電網基礎體系是電網系統的物質載體,是實現堅強電網的重要基礎。技術支撐體系是指先進的通信、信息和控制等應用技術,是實現智能化的基礎。

智能應用體系是保障電網安全、經濟和高效運行,最大效率利用能源和社會資源,提供用戶增值服務的具體體現。標準規范體系是指技術、管理方面的標準、規范、試驗、認證和評估體系,是建設堅強智能電網的制度保障。

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、自動化和分析技術為基礎,靈活、高效且可靠地滿足發電、用電對電網提出的各種需求,實現提高電網安全性、可靠性、靈活性和資源優化配置水平的目標。變電站又是電力網絡的節點,負責連接線路和輸送電能,擔負著變化電壓等級,匯集電流,分配電能,控制電能流向和調整電壓等功能。變電站的智能化運行是實現智能電網的最基礎環節之一。

智能化變電站基本機構如圖 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視控制系統,站域控制、通信系統和對時系統等子系統,實現面向全站設備的監視、控制、告警及信息交互功能。完成數據采集和監視控制(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,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、系統測控裝置和監測功能組主智能電子裝置IED(Intelligent ElectronicDevice)等二次設備,實現使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能,即與各種遠方輸入、交互,使設備自診斷結果與調動決策和設備運行管輸出、傳感器和控制器通信。過程層包括變壓器、斷路器、隔離開關及電流/電壓互感器等一次設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備之一,由于其事故率高,故障影響大,對電網可靠性有較大影響。電力變壓器也是結構最復雜,故障原因最復雜的電網設備。電力變壓器在運行中有不少需要監測的參數,如負荷、油溫、油位、油中氣體和開關分接位置等;也有一些需要控制的部件,如冷卻系統、有載調壓系統等。綜合這些因素可以看出,電力變壓器具有智能化價值,是高壓設備智能化重要設備之一。

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

測量數字化 對相關參量就地數字化測量,所屬參量包括變壓器油溫、有載分接開關分接位置,開關設備分、合閘位置等

控制網絡化 對有控制需求的部件實現基于網絡控制,如變壓器冷卻裝置、有載分接開關和開關操作機構等

狀態可視化 把設備狀態信息,通過智能組件的自診斷,以可辨識的方式,使設備狀態在電網中是可觀測的,所謂狀態可視,并非對運行人員而是對相關系統的,如設備運行管理系統與電網調動系統可基于智能組件狀態可視化功能,看到設備健康狀態,自動生成檢修方案,優化電網運行

功能一體化 將相關測量、控制、計量、監測和保護等一體化融合設計,做到簡潔、簡單,減少占用空間

信息互動化 與調動系統交互,與設備運行管理系統理系統有機結合,可提供變壓器運行自診斷結果。

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成包括變壓器本體,內置或外置于變壓器本體的傳感器和控制器,實現對變壓器進行測量、控制、計量、監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控制器應具有可連接智能組件的接口,并可以響應智能組件的控制。變壓器的狀態監測主要包括局部放電監測、油中溶解氣體監測、繞組光纖測溫、侵入波監測、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點信息和壓力釋放閥狀態信號,用于檢測是否由于內部故障產生嚴重放電或短路。

根據主油箱油位和分接開關油箱油位的測量,給出合理的油位上限、下限。測量風扇電動機電流和電壓,觀察和分析風扇及風扇電動機的工作狀態。根據油流繼電器提供的信號,分析油泵是否異常。有載分接開關驅動電源電壓測量便于觀測操作電源狀態,有載分接開關切換次數測量便于分析機械壽命,有載分接開關當前分接位置測量可提供當前工作的狀態量。

智能變壓器的測量功能還應包括各側負荷電流及中性點電流測量,其主要作用應用于保護和狀態量。智能變壓器的測量功能還應包括各側負荷電流及中性點電流測量，其主要作用應用于保護和狀態感知。

2.智能變壓器的控制功能及解決方案

對于冷卻控制系統,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,冷卻裝置開起組數參量用于控制冷卻裝置負荷匹配及運行狀態。鐵心接地電流的主要作用在于監控鐵心故障,如是否存在多點接地。

變壓器各側電流和環境溫度可對變壓器進行發熱故障原因判斷和溫度預測,變壓器各側電壓則用于監控是否有過勵磁狀況發生。對于有載分接開關控制系統,開關分接位置、變壓器各側電流及變壓器各側電壓均用于控制參考量,分接開關運行狀態則用于智能控制。

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議轉換,不僅可以向間隔層或站控層發送數據,還可以有效地對數據進行存儲,圖3給出了智能化變壓器測控單元的基本結構。

3、智能化變壓器的監測功能及解決方案

智能化變壓器的局部放電在線監測一般用于500kV級以上的變壓器，所采用的局部放電監測技術具有良好的抗電暈干擾能力，可監測的視在放電量一般可控制在500~5000pC。局部放電監測原理基于特高頻的全頻帶動態掃頻檢測技術,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、復合除噪技術和自動閾值小波除噪技術等。

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

繞組光纖在線測溫可有效地監測繞組內部最熱點溫升,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埋光纖,以達到實時測量繞組最熱點溫升的目的。繞組內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。

在線監測鐵心接地電流的目的是通過對鐵心接地電流的監測來發現箱體內異物、內部絕緣受潮或損傷、油箱沉積油泥及鐵心多點接地等類型的故障,從而及早發現潛伏隱患,提出預警,避免事故的發生(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,最終利用專家系統分析、判斷并預測鐵心絕緣的健康狀況。

智能變壓器的監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、套管介質損耗因數以及用于500kV變壓器的振動波譜和噪聲的正常指紋等項目。其中,振動波譜和噪聲應提供變壓器故障或缺陷時的特征指紋,并提供相應指紋分析技術,傳感器位置、監測頻率及靈敏度等應滿足監測要求,監測頻率大致在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、隔離開關和電流互感器等在內的一次設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絡拓撲結構示意圖。

結 束 語

建設堅強智能電網,設備是關鍵。變壓器制造企業只有積極迎接智能電網帶來的變革,抓住機遇,接受挑戰,在不斷發展的過程中不懈努力,不斷提高,才能在智能電網建設中發揮應有的作用,實現新一輪智能化變壓器制造業的振興與崛起。隨著國家電網公司堅強智能電網計劃的實施,變電站將逐步向智能化變電站發展,傳統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發展的必然趨勢。中國ABB電力變壓器制造公司已經成立了智能化變壓器團隊,從設計、工藝及制造等各個領域積極應對這一變革和挑戰。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測自診斷功能,以滿足智能化變電站對一次設備提出的測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化及信息互動化等諸多要求。

原標題:電氣知識 | 智能電網中的智能化變壓器