智能高压开关设备工程应用的几个关键问题

张一茗 陈志勇

（河南平高电气股份有限公司 河南 平顶山 467001）

0 前言

智能电网建设将成为我国未来10年的重点发展领域［1］。智能电网对高压开关设备提出了新的技术要求，传统的高压开关已不能满足智能电网建设的需求，迫切需要研发智能高压开关设备。智能高压开关设备肩负着坚强智能电网输变电系统的控制和保护作用，是坚强智能电网输变电系统中最重要的关键设备之一。

本文根据智能高压开关设备发展的特点，结合《高压设备智能化技术导则》，针对智能高压开关设备具体情况，阐述了作为智能电网关键设备支撑的智能高压开关设备主要特点及在工程应用中的几个关键问题。

1 高压开关设备智能化的基本特征

1.1 测量数字化［2］

对智能高压开关设备及其部件的相关参量进行就地数字化测量，测量结果可根据需要发送至站控层网络或/和过程层网络，用于高压设备及其部件的运行与控制。所属参量包括开关设备分、合闸位置、气室压力、操作压力、一次电流、电压信号等。通常由测量IED完成，是智能组件功能的一部分。

1.2 控制网络化［2］

基于DL/T 860，实现高压开关设备的智能控制。主要完成本间隔内断路器以及隔离刀闸、接地刀闸的操作控制和状态监视，直接或通过过程层网络基于GOOSE服务发布采集信息；直接或通过过程层网络基于GOOSE服务接收指令，驱动执行器完成控制功能，并具有防误操作功能。通常由开关设备控制器完成。

1.3 状态可视化［2］

状态可视化由智能组件基于聚合信息、经综合分析并通过信息互动实现。通常由监测主IED来实现，通过站控层网络与站控层设备（如站监控主机、远动装置和站信息监测子站等）进行信息交互，支持电网优化运行。

1.4 功能一体化［2］

将传感器（包括电子式互感器）与开关设备本体进行一体化设计，同时也将智能组件进行一体化设计，促进一次设备和二次设备的融合，保证智能高压开关设备的整体性能。

1.5 信息互动化［2］

信息互动化包括智能组件内各IED之间、智能组件与站控层设备之间以及智能组件之间的信息交互，以实现设备监控、电网优化运行、状态检修和全寿命周期成本管理等智能化功能。

2 智能高压开关设备的几个关键技术问题

2.1 传感器（包含电子式互感器）的集成问题

传感器将高压开关设备的状态信号转化为可测量信息，是设备状态的感知元件，在自监测功能中具有关键作用。以往传感器大多数是在定型的高压开关设备产品上由监测厂家或业主加装的，未能充分考虑加装传感器对主设备绝缘安全影响，以及开关设备本体运行过程中产生的电磁干扰、振动对传感器的影响。综合这些情况，高压开关设备智能化应从高压设备的设计开始，充分考虑自监测的需求，对不同传感器进行分类：对需要内置的传感器，例如局放传感器，在传感器选型以及安装设计时，就应根据高压开关产品结构，通过试验与仿真计算相结合来确定传感器与高压开关本体一体化的技术方案，达到满足高压开关设备主绝缘要求的目的，同时既满足传感器监测精度的要求又兼顾智能高压开关设备的经济性；对于外置传感器，在满足使用要求的前提下，尽量使多种传感器小型化和集成化。无论内置传感器还是外置传感器，都应由高压开关设备制造企业集成设计，在出厂试验时，传感器应安装在高压开关设备上进行测试，可以大幅提高传感器与开关设备集成的安全性与可靠性。

2.2 电子式互感器可靠性问题

电子式互感器可以实现系统电压、电流测量的数字化、数据传输的网络化，具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好等优点，大大提高了保护系统、测量系统和计量系统的准确性。因此，在智能变电站的试点工程中，被大量应用。同时也暴露出一些问题，主要表现为电子式互感器采用了一些光学器件和电子器件等相对易耗元件，现场试运行的运行时间又不长，具有一定的故障率(尚处于产品的早期故障阶段)[3]，其稳定性和可靠性有待进一步检验。同时，对电子式互感器可靠性的研究仅限于事前和事中分析阶段，且主要是在事前研究阶段。虽然电子式互感器能够通过自身相关型式试验，但与开关设备一体化后，增加了电子式互感器运行环境的复杂性，特别是振动、电磁干扰以及高低温的影响。因此，在继续加强电子式互感器可靠性研究的同时，有必要将互感器与高压开关设备作为一个整体进行性能试验，特别是对于高电压等级开关设备，更需要找出影响电子式互感器可靠性的关键环节。

2.3 数据采集共享问题

在智能高压开关工程应用中，为了系统安全，智能控制与状态监测功能采用两套独立的系统来实现，这样就会出现重复采集测量信号及信息不能共享的问题。要解决该问题，必须打破目前状态监测系统与智能控制系统相互独立的现状，在安全的基础上，使两者存在数据交换。但现在状态监测系统并不稳定。因此，如何提高状态监测系统的稳定性和可靠性也是目前亟待解决的问题。

2.4 状态监测高级应用问题

目前，智能高压开关设备能够实现机械状态、SF6气体状态、局部放电等基本在线监测功能，还未完全建立多参量综合评估和诊断系统。高压开关设备状态变化复杂，影响因素多，监测数据易受干扰，难点是如何实现多参量监测信息的聚合，实现高压开关设备多种状态的评估及诊断，分别支撑于智能电网的不同系统。这就需要收集高压开关设备现场运行数据，并进行统计分析，确定高压开关设备主要故障类型；研究神经网络、模糊识别及专家系统等各种故障诊断及评估算法，通过试验的方式确定故障类型与相应状态监测参量之间关系。研究不同参量综合评估和诊断方法，建立高压智能开关设备多参量的状态综合评估及故障诊断系统，进而实现高压设备的状态化检修。

2.5 电磁干扰问题

传感器及IED直接集成于高压开关设备上或其近旁，面临严酷电磁环境，尤其需要承受雷电、高压开关设备操作时或发生短路故障时的暂态电磁环境，相关研究基础薄弱。难点在于变电站现场电磁环境、特别是暂态电磁环境的测试困难，目前传感器及IED在严酷电磁环境下的失效机理复杂，有效的防护措施要经过反复的理论分析和试验验证。

2.6 缺乏试验调试规范和试验设备

目前，在智能高压开关设备研制以及工程应用中，缺乏针对智能化系统的试验调试规范和测试设备，特别是对各类传感器测试、各类智能组件测试、网络测试、子系统测试和系统联调测试，涵盖功能检查、性能检查、通信检查和互操作性检查等方面。

只有加快试验技术研究和相关测试设备的研制，通过对试验项目、试验方法和考核指标的明确，编制高压开关设备智能化系统试验规范，将试验工作流程化，并对每个试验环节进行量化评估，降低试验误操作，提高现场试验的效率。

3 结束语

目前，智能高压开关设备已经基本具备智能高压设备技术特征，初步满足智能变电站试点工程建设需要，但在智能化系统可靠性、状态监测高级应用、抗电磁干扰、以及调试设备及方法等方面还有待提高。总之，高压开关设备智能化是一个系统工程，还有许多技术难点需要攻关解决。

［1］中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要[EB/OL].[2011-03-16].http://politics.people.com.cn/GB/1026/14159541.html.

［2］Q/GDW Z410-2010高压设备智能化技术导则[S].

［3］丁书文，史志鸿.数字化变电站的几个关键技术问题[J].继电器，2008,36(10):53-56.