智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測關(guān)鍵技術(shù)

摘要：國家電網(wǎng)公司已提出全面建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展目標，狀態(tài)檢測技術(shù)為提高智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和電網(wǎng)設(shè)備管理效益提供了有力的技術(shù)支撐。未來智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測技術(shù)將遠遠超出傳統(tǒng)狀態(tài)檢測的范疇，不僅局限于電網(wǎng)裝備的狀態(tài)檢修，而是延伸出更多的復(fù)合型高級應(yīng)用。探討了智能電網(wǎng)狀態(tài)檢修關(guān)鍵技術(shù)，包括輸電線路設(shè)備管理、狀態(tài)檢修和全壽命周期管理、智能變電站相關(guān)技術(shù)等方面，提出了需要研究的問題和方向。

0 引言

電網(wǎng)是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是國家能源產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，為保障我國未來能源和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，國家電網(wǎng)公司提出了符合我國能源戰(zhàn)略和電網(wǎng)企業(yè)需求的智能電網(wǎng)發(fā)展模式。智能電網(wǎng)是指電網(wǎng)的智能化，是建立在集成的、高速的雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上。通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設(shè)備技術(shù)、先進的控制方法，以及先進決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。根據(jù)IBM中國公司高級電力專家Martin Hauske的解釋，智能電網(wǎng)有3 個層面的含義[1]：首先是利用傳感器對發(fā)電、輸電、配電、供電等關(guān)鍵設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)控;然后把獲得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行收集、整合;最后通過對數(shù)據(jù)的分析、挖掘，達到對整個電力系統(tǒng)運行的優(yōu)化管理。2009年5月21日 舉行的 “2009 特高壓輸電技術(shù)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(shè)堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展目標，即加快建設(shè)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)。

為了提高智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和電網(wǎng)設(shè)備管理效益，需要加強和提升電網(wǎng)設(shè)施的監(jiān)控能力，針對輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測的有效方法和先進技術(shù)、傳感技術(shù)、狀態(tài)評估技術(shù)、信息技術(shù)以及通信支撐技術(shù)開展技術(shù)研究和工程應(yīng)用。國家電網(wǎng)公司已于2009年7月決定自2010年起全面推廣實施狀態(tài)檢修，全面提升設(shè)備智能化水平，推廣應(yīng)用智能設(shè)備和技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)安全在線預(yù)警和設(shè)備智能化監(jiān)控。

1 智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)在狀態(tài)檢測方面的差異

1.1 傳統(tǒng)電網(wǎng)狀態(tài)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

狀態(tài)檢修是以設(shè)備當前的實際工作狀況為依據(jù)，通過先進的狀態(tài)監(jiān)測手段、可靠性評價手段以及壽命預(yù)測手段，判斷設(shè)備狀態(tài)，識別故障的早期征兆，對故障部位及其嚴重程度、故障發(fā)展趨勢作出判斷，并根據(jù)分析診斷結(jié)果在設(shè)備性能下降到一定程度或故障將發(fā)生之前進行維修[2]。狀態(tài)檢修的高效開展，需要大量的設(shè)備狀態(tài)信息，為設(shè)備狀態(tài)評價以及狀態(tài)檢修策略的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)備狀態(tài)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(shù)據(jù)等。

隨著狀態(tài)檢測技術(shù)的發(fā)展，人們越來越清晰地認識到“帶電檢測、在線監(jiān)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(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

帶電檢測一般采用便攜式檢測設(shè)備，在運行狀態(tài)下對設(shè)備狀態(tài)量進行現(xiàn)場檢測，其檢測方式為帶電短時間內(nèi)檢測，有別于長期連續(xù)的在線監(jiān)測[3]。在帶電檢測技術(shù)方面，國內(nèi)外目前采用的主要帶電檢測技術(shù)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(shè)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(shù)。尤其是局放帶電檢測技術(shù)，它是目前發(fā)展最為迅速、對電氣設(shè)備絕緣缺陷檢測最為有效的一種帶電檢測技術(shù)。

在在線監(jiān)測技術(shù)方面，目前應(yīng)用較多的主要集中在變電設(shè)備，而輸電線路和電纜也逐步出現(xiàn)一些應(yīng)用。對于變電設(shè)備，變壓器和電抗器采用的在線監(jiān)測技術(shù)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(shè)備主要是對其電容量和介損進行監(jiān)測;避雷器主要監(jiān)測其泄漏電流;而斷路器、GIS等開關(guān)設(shè)備主要在線監(jiān)測技術(shù)包括開關(guān)機械特性、GIS局放、SF6氣體泄漏及SF6微水、密度。其中應(yīng)用比較成熟有效的：變壓器油色譜在線監(jiān)測、容性設(shè)備和避雷器在線監(jiān)測。對于輸電線路，目前主要應(yīng)用的在線監(jiān)測方法主要有雷電監(jiān)測、絕緣子污穢度、桿塔傾斜、導(dǎo)線弧垂等監(jiān)測技術(shù)，但是比較成熟的主要是雷電監(jiān)測和絕緣子污穢監(jiān)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(nèi)外都形成了一套成熟的預(yù)防性試驗方法和規(guī)程。

我國狀態(tài)檢測和評估工作還處于起步階段，狀態(tài)檢測技術(shù)應(yīng)用及推廣上存在的問題主要有：(1)狀態(tài)檢測技術(shù)應(yīng)用范圍不廣，與電網(wǎng)設(shè)備總量相比，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的設(shè)備覆蓋面還處于較低水平;(2)狀態(tài)檢測裝置可靠性不高，存在誤報現(xiàn)象，并且裝置的故障率高，運維的工作量較大;(3)缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范指導(dǎo)，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(shù)據(jù)規(guī)范以及監(jiān)測平臺都各不相同;(4)缺乏深入有效的綜合狀態(tài)評估方法;(5)在線監(jiān)測技術(shù)需要深化研究，現(xiàn)行的在線監(jiān)測技術(shù)在設(shè)備缺陷檢測方面還存在盲區(qū)，狀態(tài)參量還不夠豐富，對突發(fā)性故障預(yù)警作用不夠明顯;(6)缺少統(tǒng)一的考核、評估和指導(dǎo)方面的行業(yè)管理機構(gòu)。

1.2 智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)在狀態(tài)檢測方面的差異

智能電網(wǎng)對狀態(tài)信息的獲取范圍將與傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)生很大的變化。未來智能電網(wǎng)的狀態(tài)信息不僅包括電網(wǎng)裝備的狀態(tài)信息，如：發(fā)電及輸變電設(shè)備的健康狀態(tài)、經(jīng)濟運行曲線等;還應(yīng)有電網(wǎng)運行的實時信息，如：機組運行工況、電網(wǎng)運行工況、潮流信息等;還應(yīng)有自然物理信息，如：地理信息、氣息信息等[4]。

傳統(tǒng)電網(wǎng)的信息獲取及利用水平較低，且難以構(gòu)成系統(tǒng)級的綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用。智能電網(wǎng)將通信技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感測量技術(shù)、控制技術(shù)等諸多先進技術(shù)和原有的電網(wǎng)設(shè)施進行高度融合與集成，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)進一步拓展了對電網(wǎng)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(xiàn)生產(chǎn)全過程中系統(tǒng)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(wǎng)實時、動態(tài)狀態(tài)信息的分析、診斷和優(yōu)化，可以為電網(wǎng)運行和管理人員提供更為全面、精細的電網(wǎng)運行狀態(tài)展現(xiàn)，并給出相應(yīng)的控制方案、備用預(yù)案及輔助決策策略，最大程度的實現(xiàn)電網(wǎng)運行的安全可靠、經(jīng)濟、環(huán)保。智能電網(wǎng)狀態(tài)檢修將不僅僅局限于電網(wǎng)裝備的狀態(tài)檢修，勢必延伸出更多的復(fù)合型高級應(yīng)用。

2 智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測關(guān)鍵技術(shù)

智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測的應(yīng)用范圍將不再局限于狀態(tài)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(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟運營、優(yōu)質(zhì)服務(wù)、環(huán)保經(jīng)營等領(lǐng)域。智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測技術(shù)應(yīng)涵蓋以下方面：電網(wǎng)系統(tǒng)級的全景實時狀態(tài)檢測;真正意義的電網(wǎng)裝備全壽命周期管理;電網(wǎng)最優(yōu)運行方式;及時可靠的電網(wǎng)運行預(yù)警;實時在線快速仿真及輔助決策支持;促進發(fā)電側(cè)經(jīng)濟、環(huán)保、高效運行等[4]。本文主要探討了輸電線路設(shè)備管理、狀態(tài)檢修及全壽命周期管理、智能變電站相關(guān)技術(shù)等研究方向需要研究和解決的問題及預(yù)期達到的目標。

2.1 輸電線路設(shè)備管理

輸電線路智能化關(guān)鍵技術(shù)是基于信息化、數(shù)字化、自動化與互動化對輸電線路設(shè)備進行監(jiān)測、評估、診斷和預(yù)警的智能化技術(shù)，以保證輸電線路運行的安全性。而輸電線路設(shè)備管理是實現(xiàn)輸電線路狀態(tài)檢測從而實現(xiàn)輸電線路智能化的重要方面，具體而言，針對輸電線路設(shè)備管理的研究需涵蓋的內(nèi)容如下。

(1)輸電線路設(shè)備“自檢測”功能研究：研究輸電設(shè)備的特征參量及檢測、監(jiān)測技術(shù);構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和診斷路線圖;滾動優(yōu)化檢修策略;構(gòu)建輸電線路狀態(tài)檢修體系。

(2)輸電線路設(shè)備“自評估”功能研究：構(gòu)建設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)字化評價體系，實現(xiàn)設(shè)備的自評價功能;構(gòu)建設(shè)備故障風(fēng)險評估模型，實現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險成本的可控管理;建立設(shè)備的經(jīng)濟壽命模型。

(3)輸電線路設(shè)備“自診斷”功能研究：研究主要設(shè)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(shè)備狀態(tài)的表征方法;逐步建立具有自診斷功能的智能設(shè)備技術(shù)體系。

(4)輸電線路設(shè)備“事故預(yù)警、輔助決策”功能研究：構(gòu)建設(shè)備運行可靠性預(yù)計模型，實現(xiàn)設(shè)備故障的數(shù)值預(yù)報功能;實現(xiàn)設(shè)備壽命周期成本的優(yōu)化管理;結(jié)合設(shè)備的特征參量開發(fā)輔助決策系統(tǒng)，使其能夠為電網(wǎng)調(diào)度提供設(shè)備的可靠性數(shù)值預(yù)報信息，提供先進的供電安全快速預(yù)警功能。

2.2 狀態(tài)檢修和資產(chǎn)全壽命管理

狀態(tài)檢修過程中設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集與管理、設(shè)備狀態(tài)的評價、故障診斷與發(fā)展趨勢預(yù)測、剩余壽命評估等4 個方面的內(nèi)容是資產(chǎn)全壽命周期管理過程中資產(chǎn)的利用、維護、改造、更新所需要開展的基礎(chǔ)性工作，同時資產(chǎn)的規(guī)劃、設(shè)計、采購的管理也離不開設(shè)備在使用和維護期間歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)和健康記錄等的反饋。針對面向智能電網(wǎng)的輸變電設(shè)備的狀態(tài)檢修和資產(chǎn)全壽命管理需研究以下內(nèi)容。

(1)基于自我診斷功能的故障模式、故障風(fēng)險的數(shù)值預(yù)報技術(shù)：以油浸式電力變壓器、斷路器和GIS為對象，在初級智能化設(shè)備的基礎(chǔ)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(xiàn)設(shè)備故障幾率和故障風(fēng)險的數(shù)值預(yù)報，服務(wù)于智能化設(shè)備乃至電網(wǎng)的安全運行管理。

(2)狀態(tài)檢修輔助決策：在已有輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修輔助決策基本功能基礎(chǔ)上，研究基于狀態(tài)檢修的檢修計劃編排及優(yōu)化技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)分析及故障診斷技術(shù)、輸變配設(shè)備典型缺陷標準化技術(shù)、設(shè)備廠家唯一性標識建立和跟蹤技術(shù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)接入技術(shù)等，并完善擴充輸變電設(shè)備的評價導(dǎo)則。

(3)資產(chǎn)全壽命周期管理：在已有成熟套裝軟件、生產(chǎn)管理、調(diào)度管理、營銷管理、可靠性管理、招投標管理、計劃統(tǒng)計等應(yīng)用基礎(chǔ)上，研究電網(wǎng)資產(chǎn)從規(guī)劃、設(shè)計、采購、建設(shè)、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(guān)鍵技術(shù)，重點研究設(shè)備資產(chǎn)全息信息模型、設(shè)備資產(chǎn)全壽命周期管控技術(shù)、基于資產(chǎn)表現(xiàn)與服務(wù)支持的電力設(shè)備供應(yīng)商綜合評價技術(shù)、設(shè)備資產(chǎn)全壽命周期優(yōu)化評估決策體系及其相關(guān)算法、基于資產(chǎn)全壽命周期的技改大修輔助決策技術(shù)等，最終實現(xiàn)以資產(chǎn)全壽命周期評估決策系統(tǒng)為關(guān)鍵支撐系統(tǒng)的資產(chǎn)全壽命周期管理體系。

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

(5)面向智能電網(wǎng)的設(shè)備壽命周期成本管理策略：研究各類一次設(shè)備的故障模式及故障發(fā)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(guī)律)，研究各種故障模式下的風(fēng)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(wǎng)，研究設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟壽命模型，按新、舊設(shè)備分類建立壽命周期成本模型和與之相適應(yīng)的設(shè)備檢修和更換策略。面向智能電網(wǎng)，完成設(shè)備壽命周期成本管理技術(shù)體系和標準體系，滿足智能電網(wǎng)的運行管理要求。

2.3 智能變電站相關(guān)技術(shù)研究

智能變電站是智能電網(wǎng)的物理基礎(chǔ)，其核心技術(shù)是智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備。針對智能變電站相關(guān)技術(shù)的研究內(nèi)容需包括以下方面。

(1)智能變電站技術(shù)體系及相關(guān)標準規(guī)范：研究智能變電站的架構(gòu)和技術(shù)體系，明確智能變電站的定義和定位，制定相應(yīng)的標準和規(guī)范，指導(dǎo)未來智能變電站的建設(shè)和運行，提高智能變電站的標準化程度、開放性和互操作性。

(2)智能變電站動態(tài)數(shù)據(jù)處理：通過開發(fā)開放式的智能化變電站系統(tǒng)，并改進通信設(shè)備以便取得更快的數(shù)據(jù)采集率，或者把在線測量數(shù)據(jù)儲存在當?shù)氐囊粋€智能化變電站中，然后，在各個智能化變電站之間交換相關(guān)的數(shù)據(jù)，把每一個智能化變電站當作一個Agent，從而實現(xiàn)基于Multi-Agent的全數(shù)字實時決策應(yīng)用。在高級調(diào)度中心側(cè)則需要開發(fā)廣域全景分布式一體化的EMS/WAMS技術(shù)支持系統(tǒng)。

(3)智能變電站系統(tǒng)和設(shè)備的自動重構(gòu)技術(shù)：建立智能裝置的模型自描述規(guī)范，實現(xiàn)智能變電站中系統(tǒng)、設(shè)備的自動建模和模型重構(gòu)，在系統(tǒng)擴建、升級、改造時實現(xiàn)智能化、快速化的系統(tǒng)部署、測試、校驗和糾錯，提升智能變電站自動化系統(tǒng)的安全性，減少系統(tǒng)建設(shè)和調(diào)試周期。

(4)智能變電站分布協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制技術(shù)：研發(fā)分布協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制的技術(shù)和方法，解決靈活分區(qū)導(dǎo)致的繼電保護、穩(wěn)定補救和無功補償裝置定值的自適應(yīng)修改，實現(xiàn)解列后包括發(fā)電在內(nèi)的微網(wǎng)和變電站的分布式智能控制。

3 結(jié)論

狀態(tài)檢測技術(shù)是為基于狀態(tài)的檢修或預(yù)知性維修服務(wù)的一種技術(shù)，其發(fā)展是源于狀態(tài)檢修對于電網(wǎng)裝備狀態(tài)信息獲取、分析、評判的技術(shù)性需求。在未來智能電網(wǎng)的狀態(tài)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(xiàn)場校驗和校準技術(shù)，提高監(jiān)測信息的可用度。同時，智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測的信息處理，必須針對不同應(yīng)用需求，分層分布處理。智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測的應(yīng)用范圍，將不再局限于狀態(tài)檢修，全壽命周期管理等，將會擴大到對安全運行、優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟運營、優(yōu)質(zhì)服務(wù)等領(lǐng)域。總之，未來智能電網(wǎng)的狀態(tài)檢測技術(shù)將遠遠超出傳統(tǒng)電網(wǎng)狀態(tài)檢測的范疇，檢測范圍將大幅擴展、全方位覆蓋，且將為電網(wǎng)運行、綜合管理等提供外延的應(yīng)用支撐，而不僅局限于電網(wǎng)裝備的監(jiān)測。

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