智能电网中二次设备发展

文／国家电网中国电力技术装备有限公司 周逢权／

智能电网从根本上讲是将信息技术与传统电网高度“融合”，从而极大地提升电网的信息感知、信息互联和智能控制能力，提高电网品质，实现各种新的应用。因此，它需要进行大量信息采集，并通过庞大通信网络，形成实时、高速、双向的信息流，采用开放的系统和共享的信息模式，促进电力流、信息流、业务流的高度融合和统一，以保证包括从需求侧设施到广泛分散的分布式发电再到电力市场的整个电力系统及相关环节的正常运行，支撑各类业务正常运转。

一、智能电网引起的变化

智能电网采用感知、嵌入处理和数字通信技术，使电网具有可见性、可控性、自动化以及完全集成的功能。

埃森哲认为智能电网实现智能的方法：

（1）控制：多代理系统；高级变电站自动化；高级配电自动化；Web服务和网络计算。

（2）决策：准自治软件；高级模式识别；高级可视化方法；数值气象预报。

（3）通信：第二代互联网；光纤以太网；电力宽带；3G及4G无线通讯技术；新型无线网络技术。

（4）采集：线路在线测温；无线智能电网信息感应器；光纤PT和CT；无线智能设备状态感应器；客户门户。

（5）设备：分布式微网；高效率的绿色分布式电源；高级储能系统；高级电网控制设备；高级大容量导体。

二、二次设备的重新定义

1 智能电网与物联网

智能电网从根本上讲是将信息技术与传统电网高度“融合”，从而极大地提升电网的信息感知、信息互联和智能控制能力，提高电网品质，实现各种新的应用。因此，它需要进行大量信息采集，并通过庞大通信网络，形成实时、高速、双向的信息流，采用开放的系统和共享的信息模式，促进电力流、信息流、业务流的高度融合和统一，以保证包括从需求侧设施到广泛分散的分布式发电再到电力市场的整个电力系统及相关环节的正常运行，支撑各类业务正常运转。

另一方面，电网和电力系统以及相关物品与设备等满足物联网的各种特征，且电力系统的自动化水平与信息化水平高，基础通信条件好，有利于推进物联网应用的快速发展，是物联网的重要应用领域。目前，智能电网目标明确，需求清晰，预期效果明显。智能电网的发展与建设将成为拉动物联网产业，甚至整个信息通信产业（ICT）发展的强大驱动力，并有力影响和推动其他行业的物联网应用和部署进度，进而提高我国工业生产、行业运作和公众生活等各个方面的信息化水平。

2 传感与量测技术与传感器

传感与量测技术在智能电网系统监测、分析、控制中起着基础性作用，提高了智能电网的可观测性。传感与量测技术将在智能电网中得到广泛应用，涉及新能源发电、输电、配电、用电等众多领域。

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。智能电网使用的传感器包括传统传感器、光纤传感器以及新兴的智能传感器等。传统传感器包括电流/电压传感器、气体传感器、超高频传感器、温湿度传感器、压力传感器、振动传感器、噪声传感器、风速和风向传感器等。

传感器技术已经从过去的单一化向集成化、微型化和网络化方向发展，传感器网络作为物联网的一种表现形式已开始得到应用，传感器网络的基本要素是传感器、感知对象和观察者。传感器之间、传感器与观察者之间通过有线或无线网络进行通信。

3 新能源发电与物联网的关系

大规模新能源发电场的状态监控和量测离不开使用大量传感器，例如：传感技术开始用于检测和优化风力发电风轮系统。这些风轮通常体积巨大，又安装在比较遥远的地点。监视工程师需要实时了解这些风轮的状态。传感器通常在风轮组装的时候很容易安装在风轮上。

4 智能输变电与物联网的关系

智能变电环节是智能电网中一个十分重要的环节，特别是设备状态检修，资产全寿命管理，变电站综合自动化。利用物联网的相关技术，可以提高电网变电环节的自动化和数字化水平、设备检修模式以及设备状态自动诊断，提高电网变电环节各方面的技术水平。

输电线路状态在线监测是物联网的重要应用之一。采用不同的传感器可以监测包括微风振动、风偏、线路舞动、线路温度、线路覆冰、杆塔倾斜等输电线路状态，环境温度、风速、障碍物距离、危险接近等。

对于调度来说，采用物联网技术可以全面有效地对电力传输的整个系统，从电厂、变电站、高压输电线路直至用户终端进行智能化处理。包括对电力系统运行状态的实时监控和自动故障处理，确定电网整体的健康水平，触发可能导致电网故障发展的早期预警，确定是否需要立即进行检查或采取相应的措施，分析电网系统的故障、电压降低、电能质量差、过载和其他不希望的系统状态，基于这些分析，采取相应控制行动。

5 智能配电与物联网的关系

物联网在配电网设备状态监测、预警与检修方面的应用主要有：

（1）对配电网关键设备的环境状态信息、机械状态信息、运行状态信息的感知与监测；

（2）配电网设备安全防护预警；

（3）对配电网设备故障的诊断评估和配电网设备定位检修等方面。

（4）例如物联网技术可用于智能配电网的现场作业管理以及智能巡检。

6 智能用电与物联网的关系

随着智能电网的快速发展，智能用电将快速实现电网与用户的双向互动，供提高电可靠率与用电效率，大量分布式电源、微网、电动汽车充放电系统、大范围应用储能设备接入电网，这些都需要物联网技术的支撑。

物联网技术在智能用电环节拥有广泛应用空间，例如∶智能表计及高级量测、智能插座、智能用电交互与智能用电服务；电动汽车及其充电站的管理；绿色数据中心与智能机房；能效监测与管理和电力需求侧管理等。

7 智能电力物联网传感器

面向智能电网运行与设备制造的实际需求，充分利用已有技术成果，研制基于电力物联网的电流/电压传感器、气体传感器、超声波传感器、超高频传感器、光学传感器、温湿度传感器与压力传感器、震动传感器、振动传感器、噪声传感器、角度传感器、红外传感器、集成温湿度传感器、风速和风向传感器、行波传感器、烟雾传感器、日照强度传感器、图像传感器、倾斜角传感器、感应报警传感器、微波感应传感器、气敏传感器、声表面波传感器、绝缘子传感器等拥有自主知识产权的智能电网系列专用智能感知装备，推动物联网技术和智能感知装备的大力发展，满足我国面向智能电网的物联网应用的信息采集前端产品需求。

三、控制保护领域的突破

1 主网保护的变化

主网保护是利用先进的光纤通信技术、计算机技术、传感技术、继电保护及控制、电网运行等技术，基于IEC61850标准，并将其扩展到调度层面，将调度范围内的保护集中配置，实现电网的调度自动化与保护控制的一体化，并按照三级调度（国调、省调、地调）配备。其通俗的含义是基于变电站信息共享标准化、传输网络化特征，将区域电网内多变电站信息传输至监控中心，集中实现继电保护及自动化/监控功能的系统。它的基本特性是大大简化了变电站内的二次系统，实现了定值免整定，促进了调控一体化建设。

2 网络保护的概念

1）现有技术背景

（1）传统后备保护定值整定和配合困难；

（2）基于IEC61850-9-2协议的数据共享采样传输技术；

（3）支持IEEE1588时间同步协议的技术及设备发展成熟；

（4）智能电网和智能变电站、调控一体化技术的发展促进了对网络化保护的关注和研究。

2）主要特征

（1）站内设备一次化：变电站测量和智能组件与一次设备整合一体化安装。

（2）保护监控集成化：按照调度管理范围变电站的继电保护与自动化系统功能全部上移至调度控制中心并集中完成。

（3）调度控制一体化：调控一体化与变电站自动化系统一体化设计，实现一体化保护、监测与控制。

（4）电网运行智能化：利用全景实时信息，实现对电网的智能化监测、保护、控制、计量及运行检修管理。

3 网络保护对现有系统的变革

1）电子式互感器、通信网络技术的优越特性，使继电保护、自动化、通信、计量等二次专业融为一体，不可分割，必然带来运行管理方式的变化，促进了“大二次”的建设。

2）继电保护定值免整定。解决了继电保护整定计算周期较长，后备保护长期难以配合而带来的安全隐患。

3）继电保护由面向元件转变为面向系统，并实现高度集成集中配置，解决二次设备较多，配置不灵活，不能适应分布式电源接入，不能实现环网运行等诸多问题。

4 网络保护完成的目标

1）变电站内建设一次化，一次设备智能化，数据传输网络化，二次设备集成化。取消变电站级继电保护设备及其他二次设备，只保留网络设备和电源系统。

2）二次测量、智能单元、合并单元、在线监测组件与一次设备集成，实现标准化配置；变电站建设实现模块化。

3）保护控制策略上升到系统调度层面，全面提高继电保护和控制性能，提高系统运行的安全性和可靠性。

4）继电保护主保护全部采用原理简单、性能可靠的差动保护，后备保护实现免整定，从而自适应系统扩建、新能源分布式接入、环网运行等变化。

5）采用网络化计量，实现网损、 线损的在线动态监测与分析，全面提升电网管理水平。

6）调度数据由秒级提升到亚秒级，使系统分析、预警、控制具备实时性，可实现调度策略的实时在线调控，智能调度。

7）低频减载、联机切负荷、备自投等装置实现控制量自由组合，在调度集中设置，实现调度安全自动控制和倒闸操作的顺序控制。

8）建立设备状态专家系统和RFID电子化标签系统，可实现设备全生命周期管理，实现设备检修的自动化管理。

5 网络保护系统解决方案

1）变电站设备

采用测量、智能单元、合并单元、一段保护（基于参数测量技术，保护范围达95%，通信故障时投入）一体化的综合智能装置，双重化配置，并与一次设备整合。

2）区域保护配置

（1）将区域电网整体视为保护对象；

（2）主保护故障隔离范围定义为直接与故障点相连的所有开关，用这些开关CT做多端差动保护，保护动作时跳开与故障点相连的所有开关；

（3）当开关CT异常或开关失灵时投入后备扩大差动保护；

（4）根据开关失灵状态自动隔离失灵开关，迅速恢复供电。

6 配电网供电结构变化趋势

1）辐射网供电

2）双环网供电

3）智能小区集中保护

集中保护与智能终端配合快速实现配电线路闭环运行的故障区段识别和故障隔离。

智能配电站系统（非实时处理）：根据配电网的实时拓扑结构，生成网络化差劲算法定值整定文件；生成恢复重构定值整定文件；下载到集中式保护控制装置。

集中式保护控制装置（实时处理）：接受终端上送矢量值和状态信息；根据定值整定进行网络化差动运；根据恢复整定进行开关操作；上送故障信息。

智能终端（实时处理）：采集电压电流及开关位置等状态信息；接受集中式保护控制装置跳合闸命令；根据整定完成后备保护功能；上送故障信息及其他运行信息。

4）定制电力—提高供电可靠性

利用低压固态开关SSTS实现双回路供电的快速切换，提高电力供电可靠性

5）定制电力—提高电能质量

利用DSTATCOM快速连续提供容性和感性无功功率，实现电压和无功功率控制，保障电力系统稳定、高效、优质地运行

利用UPQC同时补偿无功、谐波电流、谐波电压，提高母线电能质量,并配合分布式电源实现重要负荷的不间断供电。

四、计量领域的突破带来的变革

1 能源计量体系的变革，如右图所示。

2 基于物联网技术的网络计量

（1）实时监测每个电器的耗电量；

（2）提供更加详尽的用电信息；

（3）用户用电行为模式分析；

（4）电器智能控制。

五、总结

新一代智能电网具有能源生产形式多样化、能源消费有序化、管理分层化的内涵；新能源、多能源交通工具的使用，分布式能源的广泛接入，实现能源的高效利用；新型通信技术、自动控制技术、物联网技术、节能环保技术等一体的新型集成系统，为人们提供绿色、清洁、健康、环保、便捷的工作生活环境，实现人类活动与环境的和谐发展。