面向智能电网的智能电力设备技术与应用

■ 广州中浩控制技术有限公司 霍海锋 李军学 张 昊

广东省技术经济研究发展中心 卢 进

引言

随着人类对低碳生活及高品质电能的需求，各国正在大力开展对智能电网的究，并在不同层面开始了实用化的应用。在智能电网中，一次与二次、装备与电网、装置与系统将更加融合，复合技术应用日益广泛。专业界限的扩展和融合将使得智能电网中智能系统的外延大大拓宽。智能电网的装备不仅涵盖传统二次系统的测控、保护、安全稳定控制等装置，还将包括传统一次系统的智能电器、静止补偿装置、固态开关、优质低价和高容量的储能装置等。

目前，各个领域的专家从不同角度阐述了智能电网的内涵，并且随着研究和实践的深入对其不断细化。但总的来说，智能电网利用传感、嵌入式处理、数字化通信和IT技术，将电网信息集成到电力公司的流程和系统，使电网可观测(能够监测电网所有元件的状态)、可控制(能够控制电网所有元件的状态)和自动化(可自适应并实现自愈)，从而打造更加清洁、高效、安全、可靠的电力系统。对配电网进行离线与在线的智能化监控管理，使配电网始终处于最优运行状态。

1 智能电网与智能电力设备技术要求

智能电网具有以下功能特点。

(1)自愈：稳定可靠。自愈是实现电网安全可靠运行的主要功能。

(2)安全：抵御攻击。

(3)兼容：发电资源。

(4)交互：电力用户。

(5)协调：电力市场。

(6)高效：资产优化。

(7)优质：电能质量。

(8)集成：信息系统。

实现以上功能的智能电网涉及到的关键技术如图1所示。

在智能电网的关键技术中，其“自愈性”， 即协调与自适应性，关系到电网智能化程度的高低。在图1中，先进的控制技术是实现“自愈”功能的关键技术，而控制技术的实现基础就是IED设备。除了“自愈”功能之外， “安全”、 “交互”、 “协调”、“优质”和“集成”等其它功能的实现需要配电网具备智能化的“感知”或“动作”能力， 因此在配电网的底层必须具有广泛分布式的“配电网控制节点”。

综上所述，面向智能电网的IED设备是构建智能配电网的基础性环节。

智能电力设备技术主要体现在以下几个方面。

(1)可观测：量测、传感技术。

(2)可控制：对观测状态进行控制。

(3)嵌入式自主处理技术。

(4)实时分析：从数据到信息的提升。

(5)自适应。

(6)自愈。

IED设备利用新兴传感和测量技术将电网实时信息通过各类集成通信(光纤、无线、电力载波宽带等)与控制技术、决策支持进行数据交换，并能准确执行上层信息。

2 设计分析及软硬件实现

2.1 关键技术分析

综合目前国内外研究成果，智能电力设备宜采用模块化设计，并综合运用了以下关键技术。

(1)全电量实时数据采集与处理技术。全电量实时数据包括相电流、相(线)电压、频率、功率(有功／无功／视在)、功率因数、电能(有功／无功)等。通过对电流和电压二次信号的高速A／D转换，得出正确的一次值，并且能监控瞬时故障电流的发生。基于电流电压的向量计算，得出其它电力参数。

(2)执行设备控制技术。执行设备指供电网络中的高／中压开关装置，是对供电回路进行闭合／分断的一次设备。通过对执行设备的有效控制，达到供电网络拓扑结构的灵活构建，实现智能电网自愈性与自适应性的要求。

(3)数据存储、交换与信息安全技术。智能电网对智能电力设备的数据存储、交换与信息安全提出更高的要求。IED设备能满足关键参数失电保存，重要数据及状态主动快速上报， 识别馈线短路故障， 事件SOE，多级密码权限控制等功能要求。

(4)多通信接口技术。智能电力设备具备多种现代通信接口，以适应不同应用场合的需要。最常用的工业通信接口应具备RS-232、RS-485及以太网通信接口；对于采用公网通信的终端设备，需要根据用户要求配置GPRS或CDMA通信模块；对于采用光纤、载波等通信方式的监控系统，可以根据需要加装光纤、载波等通信设备。

2.2 设备硬件实现

智能电力装置采用全不锈钢机箱， 模块化系统设计，分为控制模块、通信模块、电源模块，高度集成于紧凑的机架内。IED 系统组成块图如图2所示。

2.2.1 控制系统

控制系统模块主要实现两大功能：一是开关控制，通过开关连接器直接与开关相连；二是故障电流监测与测量，通过采集板采集电流与电压，并计算出其它参数。对执行设备进行控制，必须采集相关的状态信号，如开关状态、接地刀闸状态等，所有DI量具有光电隔离措施。IED设备接收并执行遥控及复归指令，具有远方和本地闭锁及控制切换功能；支持开关就地操作控制，输入、输出回路采用严密的防干扰、防误动安全防护措施，保证在任何情况下模块都不出现误动；设备支持在交流失电的情况下，能够对开关进行3次以上分合操作，具有输出短路、过热、过压等保护功能；遥控模块采用三级遥控模式，即遥控对象预置、遥控对象返校、遥控执行；单模块、单插件的故障不影响其它模块的正常运行，支持热插拔，支持在线扩充。

电流采集采用测量互感器+连接电缆+电流采集卡的组合形式，以利于设备安装与连接。相电流基于RMS电流测量并考虑一定的谐波分量。零序电流则通过穿芯平衡电流互感器进行直接测量。电压采集通过电压测量模块接人供电电源来获取，可测量50Hz或60Hz的单相或三相电压，它基于基波成分测量。剩余电压的测量取三相电压的内部和。频率基于单相测量电压RMS。功率是基于线电压U21和U32以及相电流I1和I3得出。采用2个瓦特计方式测量三相三线线路的有功和无功功率。有功和无功电能基于基波成分的测量，可分别计算2个方向的累积电能， 当电源故障时，保留累积值。

2.2.2 通信系统

通信系统模块同时管理“串口类”通信协议、IP类通信协议以及多达3个通信端口，因此可以在不同的传输介质上使用不同的通信协议，实现不同地点的冗余通信形式。通信端口Port1和Port2支持所有的传输介质。Ethernet Port 3端口通过IP协议和以太网传输介质与控制中心进行通信，同样，此端口也可用于参数配置和就地操作。在通信规约方面则支持国标或电力行业大多数主流通信规约，如IEC 60870—5—101／104 规约、DNP3、DNP3／IP、M0DBUS、MODBUS／IP、其它专有协议(PID1，PUR2.2，PUR2.4，EDP，TG800等)， 并具有灵活配置的能力。

2.2.3 电源系统

IED设备采用高可靠性与可用性的、具有备用供电电源的电源模块。供电结构示意图如图3所示。电源系统模块主要实现以下功能。

(1)供电电源自监测：交流供电电源缺失时立即或延时告警，监测48V电机电源、12V DC通信装置电源、12V IX2内部电源故障。

(2)电池智能监测与管理： 电池可用性水平监测(可调整温度补偿充电技术)， 电源供电模块每12小时检测电池状态。当2个测试点均为负时，产生告警并上传控制中心。备用电池能够在无主供电电源情况下，带无线通信传输设备持续工作16小时，并在此基础上能够执行10次分合闸操作。

2.3 软件实现方法

软件实现方法使用内嵌WEB数据服务器以HT—ML格式进行数据显示，主要有监视画面：显示所有的状态量和测量值；控制画面：断路器开／合命令，预制命令计数；诊断画面：读取或存储数据存档；维护画面：站点参数，软件版本升级，配置参数下载， 网络分析；参数画面：通信配置，规约协议，开关控制，测量值和检测参数。通过软件可实现重要状态量变位信息快速主动上报及时间记录；能够保存极值记录及事件记录SOE等数据；识别馈线发生的短路故障，以状态量变位的方式上报并有时间记录。

3 应用效果

目前，该智能电力设备已大规模应用于南方电网集团几个试点城市的城网智能化改造，在恶劣的现场环境下能稳定地发挥功效，大大提高了系统自动化和智能化水平。

4 结束语

当前智能电网的研究方兴未艾，其涉及领域涵括了先进的电力、工业自动化及计算机网络技术，相关技术和装备的应用提高了配电用电的安全性和可靠性。该技术设备的稳定运行对我国逐步推进智能电网具有良好的促进作用及借鉴意义，并有着广泛的应用前景。