智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測關鍵技術

摘要：國家電網(wǎng)公司已提出全面建設堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展目標，狀態(tài)檢測技術為提高智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和電網(wǎng)設備管理效益提供了有力的技術支撐。未來智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測技術將遠遠超出傳統(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合型高級應用。探討了智能電網(wǎng)狀態(tài)檢修關鍵技術，包括輸電線路設備管理、狀態(tài)檢修和全壽命周期管理、智能變電站相關技術等方面，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)絡的基礎之上。通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法，以及先進決策支持系統(tǒng)技術的應用，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、供電等關鍵設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)結合基本國情和特高壓實踐，確立了加快建設堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展目標，即加快建設以特高壓電網(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)設備管理效益，需要加強和提升電網(wǎng)設施的監(jiān)控能力，針對輸變電設備狀態(tài)檢測的有效方法和先進技術、傳感技術、狀態(tài)評估技術、信息技術以及通信支撐技術開展技術研究和工程應用。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，全面提升設備智能化水平，推廣應用智能設備和技術，實現(xiàn)電網(wǎng)安全在線預警和設備智能化監(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)檢測技術現(xiàn)狀

狀態(tài)檢修是以設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測手段，判斷設備狀態(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)分析診斷結果在設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，需要大量的設備狀態(tài)信息，為設備狀態(tài)評價以及狀態(tài)檢修策略的制定提供基礎數(shù)據(jù)。設備狀態(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備狀態(tài)檢測技術的發(fā)展方向。

帶電檢測一般采用便攜式檢測設備，在運行狀態(tài)下對設備狀態(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]。在帶電檢測技術方面，國內(nèi)外目前采用的主要帶電檢測技術包括：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。尤其是局放帶電檢測技術，它是目前發(fā)展最為迅速、對電氣設備絕緣缺陷檢測最為有效的一種帶電檢測技術。

在在線監(jiān)測技術方面，目前應用較多的主要集中在變電設備，而輸電線路和電纜也逐步出現(xiàn)一些應用。對于變電設備，變壓器和電抗器采用的在線監(jiān)測技術主要包括：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等開關設備主要在線監(jiān)測技術包括開關機械特性、GIS局放、SF6氣體泄漏及SF6微水、密度。其中應用比較成熟有效的：變壓器油色譜在線監(jiān)測、容性設備和避雷器在線監(jiān)測。對于輸電線路，目前主要應用的在線監(jiān)測方法主要有雷電監(jiān)測、絕緣子污穢度、桿塔傾斜、導線弧垂等監(jiān)測技術，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)檢測技術應用及推廣上存在的問題主要有：(1)狀態(tài)檢測技術應用范圍不廣，與電網(wǎng)設備總量相比，狀態(tài)監(jiān)測技術應用的設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，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)測技術需要深化研究，現(xiàn)行的在線監(jiān)測技術在設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)性故障預警作用不夠明顯;(6)缺少統(tǒng)一的考核、評估和指導方面的行業(yè)管理機構。

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)電及輸變電設備的健康狀態(tài)、經(jīng)濟運行曲線等;還應有電網(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，且難以構成系統(tǒng)級的綜合業(yè)務應用。智能電網(wǎng)將通信技術、計算機技術、傳感測量技術、控制技術等諸多先進技術和原有的電網(wǎng)設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)，并給出相應的控制方案、備用預案及輔助決策策略，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合型高級應用。

2 智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測關鍵技術

智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測的應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、環(huán)保經(jīng)營等領域。智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測技術應涵蓋以下方面：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備管理、狀態(tài)檢修及全壽命周期管理、智能變電站相關技術等研究方向需要研究和解決的問題及預期達到的目標。

2.1 輸電線路設備管理

輸電線路智能化關鍵技術是基于信息化、數(shù)字化、自動化與互動化對輸電線路設備進行監(jiān)測、評估、診斷和預警的智能化技術，以保證輸電線路運行的安全性。而輸電線路設備管理是實現(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，針對輸電線路設備管理的研究需涵蓋的內(nèi)容如下。

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

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

(3)輸電線路設備“自診斷”功能研究：研究主要設備的典型故障模式，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備狀態(tài)的表征方法;逐步建立具有自診斷功能的智能設備技術體系。

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

2.2 狀態(tài)檢修和資產(chǎn)全壽命管理

狀態(tài)檢修過程中設備基礎數(shù)據(jù)的收集與管理、設備狀態(tài)的評價、故障診斷與發(fā)展趨勢預測、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性工作，同時資產(chǎn)的規(guī)劃、設計、采購的管理也離不開設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、故障風險的數(shù)值預報技術：以油浸式電力變壓器、斷路器和GIS為對象，在初級智能化設備的基礎上，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)設備故障幾率和故障風險的數(shù)值預報，服務于智能化設備乃至電網(wǎng)的安全運行管理。

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

(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)計等應用基礎上，研究電網(wǎng)資產(chǎn)從規(guī)劃、設計、采購、建設、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鍵技術，重點研究設備資產(chǎn)全息信息模型、設備資產(chǎn)全壽命周期管控技術、基于資產(chǎn)表現(xiàn)與服務支持的電力設備供應商綜合評價技術、設備資產(chǎn)全壽命周期優(yōu)化評估決策體系及其相關算法、基于資產(chǎn)全壽命周期的技改大修輔助決策技術等，最終實現(xiàn)以資產(chǎn)全壽命周期評估決策系統(tǒng)為關鍵支撐系統(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、巡檢項目和巡檢技術規(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、檢驗和檢定技術和策略。建立起一套面向智能電網(wǎng)的設備運行和檢修技術體系和標準體系，滿足智能電網(wǎng)的運行管理要求。

(5)面向智能電網(wǎng)的設備壽命周期成本管理策略：研究各類一次設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)，研究設備的技術經(jīng)濟壽命模型，按新、舊設備分類建立壽命周期成本模型和與之相適應的設備檢修和更換策略。面向智能電網(wǎng)，完成設備壽命周期成本管理技術體系和標準體系，滿足智能電網(wǎng)的運行管理要求。

2.3 智能變電站相關技術研究

智能變電站是智能電網(wǎng)的物理基礎，其核心技術是智能化一次設備和網(wǎng)絡化二次設備。針對智能變電站相關技術的研究內(nèi)容需包括以下方面。

(1)智能變電站技術體系及相關標準規(guī)范：研究智能變電站的架構和技術體系，明確智能變電站的定義和定位，制定相應的標準和規(guī)范，指導未來智能變電站的建設和運行，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技術支持系統(tǒng)。

(3)智能變電站系統(tǒng)和設備的自動重構技術：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)、設備的自動建模和模型重構，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)建設和調(diào)試周期。

(4)智能變電站分布協(xié)調(diào)/自適應控制技術：研發(fā)分布協(xié)調(diào)/自適應控制的技術和方法，解決靈活分區(qū)導致的繼電保護、穩(wěn)定補救和無功補償裝置定值的自適應修改，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 結論

狀態(tài)檢測技術是為基于狀態(tài)的檢修或預知性維修服務的一種技術，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，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，必須針對不同應用需求，分層分布處理。智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測的應用范圍，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)服務等領域?？傊磥碇悄茈娋W(wǎng)的狀態(tài)檢測技術將遠遠超出傳統(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用支撐，而不僅局限于電網(wǎng)裝備的監(jiān)測。

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