智能电网、电子式互感器、电力一次设备三者在线监测
1.智能电网的发展
1. 1 《美国复苏与再投资法案》
2009年2月17日美国总统奥巴马签署了2009年《美国复苏与再投资法案》American Recovery and Reinvestment ActARRA此法案规定拨款给美国能源部Department of Energy-DOE来支持研发智能电网smart grid的经费和示范工程美国能源部即于2009年4月19日公布了《基金机遇通告》FOAFunding Opportunity Announcementr将智能电网示范工程规定如下①地区示范核实智能电网技术生存能力和确认智能电网的商务模型②电力公司电能储存示范测试费用和收益检验各种电能储存方法的技术性能如新型电池特殊电容器飞轮风与光电组合以及压缩空气能量系统等③同步相量测量示范-建立广域信息网络即相量测量装置PMU/广域测量系统WAMS来调度和规划电力系统
美国能源部统计通过对美国电网的智能化改造预计未来20年内可节省投资近千亿美元智能电网技术革新将打开电信电网电视网等整合的通道为全球电力电信产业通信产业电视媒体等的改革提供独特的机遇
1.2 中国智能电网的研发
2009年5月21日举行的2009特高压输电技术国际会议上国家电网公司总经理刘振亚表示积极发展智能电网已成为世界电力发展的新趋势到2020年中国将全面建成统一的坚强智能电网我国国家电网结合基本国情和特高压实践确立了加快建设坚强智能电网的发展目标即加快建设以特高压电网为骨干网架各级电网协调发展具有信息化数字化自动化互动化特征的统一的坚强智能电网国网公司将按照统筹规划统一标准试点先行整体推进的原则在加快建设由1000kV交流和±800kV±1000kV直流构成的特高压骨干网架实现各级电网协调发展的同时分阶段推进坚强智能电网发展
按照规划国家电网公司的智能电网建设将分3阶段在2010年之前完成规划与试点工作;在2010～2015年大面积推开;到2020年全面建成统一的坚强智能电网
2.坚强智能电网与电子式互感器
及电力一次设备在线监测
2.1自愈性智能电网Self-Healing Smart Grid
目前各大国都逐步建立了特大电网为保证电网的安全运行美国欧盟俄罗斯日本巴西等国先后都在进行智能电网的研究
我国特高压骨干网架将由1000kV级交流输电网和±800kV±1000kV直流直流系统构成我国地域辽阔各大区电网互联大量的西电东送使国家大电网跨越了几个时区为保证电网的安全稳定可靠运行对智能电网的研发则是急迫和至关重要的任务由于这种跨越几个时区的特大电网存在大面积停电的危险而这种危险大多涉及调度员处理是否得当的人为因素如2003年 8.14美加大停电事故为解决此问题美国电力研究院EPRI最先提出以相量测量装置PMUPhasor Measurement Unit/广域测量系统WAMSWide Area Measurement System为基础的突出自愈功能的智能电网概念它要求对电网节点的电压相角测量快速而准确20世纪80年代同步相量测量的研究在美国已经开始并成为广域测量系统的一部分1996年夏季美国两次大停电事故中WAMS进行了较全面准确的记录1997年法国电力公司EDFElectric de France也建设了基于PMU的协调防御控制系统但是系统动作响应时间却很长达到1.03s2003年8.14 美加大停电事故更推进了WAMS的建设只要在全网PMU合理化布点的基础上满足可观测性就可对现代化大电网进行静态功角稳定裕度监视;在线扰动识别;分析电网的短路故障机组振荡与失步和系统电压失稳等;利用实时联络线功率和相对相角等参量的频谱特性特征频率以及对应的衰减因子识别系统低频振荡;在系统发生扰动时实时监视机组间相对功角的暂态过程;进行发电机组进相运行监测;电压动态过程监测与动态稳定预报以及实现暂态稳定监控等
为此 在PMU /WAMS的基础上就能实现包括暂态稳定性电压稳定性和频率稳定性在内的动态安全评估当电网出现危机之前就能立即提出网络重构调整保护定值和稳定补救等安全对策[1]
文献[1]指出电网自愈功能的目标是实时评价电力系统行为应对电力系统可能发生的各种事件组合防止大面积停电并快速从紧急状态恢复到正常状态其实现方法可概括为快速仿真决策协调/自适应控制和分布能源DER, Distributed Energy Resource集成等3个方面
2.2电子式互感器
1自愈性智能电网对电子式互感器的要求
自愈性智能电网要求高速和高准确度的PMU这样才能高准确度进行电网运行参数如IδI UδUcosφfPQ 的测量, 监控电网的运行目前常规电磁式电流互感器铁芯在电力系统故障状态下的铁芯饱和及磁滞回线会引起电流测量极其不准确从而使PMU/ WAMS的测量也不准确严重威胁现代化电网的安全稳定运行增加了继保装置的复杂性;抗电磁干扰能力减弱;绝缘技术体积质量和价格都随电压等级的升高而越来越大;运输安装和维护困难;量测受频率影响;变电站占地大成本高等为此有必要研发能克服上述缺点并满足智能电网要求的新型电子式电流互感器
这种新型电子式电流互感器要求既快速又高度准确并将为现代化大电网的安全可靠和经济运行提供关键的基础它也是电力一次二次设备的完美结合解决了电网自动化发展的瓶颈现代化大电网的安全稳定控制技术也急需满足要求的电子式互感器的出现因此电子式互感器不是一般的对电磁式互感器的升级换代而是现代化大电网安全稳定运行的需求
电网的安全运行要求电力设备安全可靠而据统计电网中的电力设备平均每年有1/3的事故都是因为互感器所致如雷电季节打雷或闪电都有可能导致互感器爆炸或燃烧电子式互感器的使用将大大减少这方面的事故
电子式互感器是电网一次的重要主设备它们担负着电网的精确测量和计量以及故障监测的作用要求量测的电网运行参数高度精确;装置本身应具有相当的可靠性它是为智能电网数字化继电保护电网实时PMUWAMS电网快速状态估计电网暂态稳定监控特高压输电线路的电晕测量电网实时经济调度谐波在电网中的应用电网输电阻塞的缓解美国解决输电走廊问题的分相输电技术实现准确的故障测距和紧凑型一次智能设备等提供可靠保证对现代电网运行和设备革命发挥重要的作用因此要求它必须具有高准确性快速数据传输的高性能
2电子式互感器的国际标准和国家标准
国际电工委员会和国内标准化组织近年来也相应颁布了有关协议和标准以作为指导IEC61850协议是变电站自动化系统建设的依据完全符合IEC61850协议的一次和二次数字化设备的研制和产品化是建设智能电网的坚实基础IEC 61850-5-13规定了变电站内智能电子设备IEDIntelligent Electronic Device的同步标准以及电力系统有关参数值的指标是变电站自动化系统的设计电子式互感器及IED的性能研制和生产以及电力部门招标必须依据的标准IEC60044-7/8标准也是电子式互感器制造检测和招标应遵循的标准我国于2007年1月正式颁布等同于IEC60044-7/8的国家标准 GT20840-7/8并于2007年8月1日起实施[3]
⑴根据国际标准IEC61850-5-13的要求电子式互感器需为各种智能IED提供高准确度的电流I和电压U其数据采样率必须≥12000次/s三相同步时间应为±1μs[3][4]
⑵PMU与WAMS的连接应满足IEEE 37.118的准确性标准1级并对数据传输使用IEEE 37.118标准 要求PMU的数据采样率≥12000次/s测量频率的绝对准确度为± 1 mHz绝对相角准确度为± 0.02度时间准确度为± 1 μs数据传输率为50/60 Hz要达到此要求提供给PMU和WAMS原始数据的电子式互感器对IU的测量准确度应小于0.2%, 三相同步时间为± 1 μs相位移应满足IEC60044-7/8的要求[3]
⑶IEC61850-9-1对以太网物理层传输速率的要求
电子式互感器的综合单元对保护测量等IED的输出传输速率应与IED的采样率匹配根据IEC61850-5-13的规定保护装置IED的采样率为480960和1920次/s;测量仪表的IED采样率为15004000和12000次/s
IEC61850-9-1规定电子式电流/电压互感器的综合单元对保护测量等IED的输出传输速率应与IED的采样率匹配[3][5]
2.3 电力一次设备在线监测对坚强智能电网的作用
目前大电网的安全防护已与涉及自然和社会因素的灾害防护紧密相连因此大电网的安全防护受到了美国白宫科技政策办公室和美国国内安全部的重视美国政府已于2007年通过了《能源独立和安全法规Energy Independence and Security Act》, 有专门一章就是智能电网[2]参考文献[2]在解释智能电网的具体内容时指出在输电的每个元件如开关变压器等每个变电站和发电厂中皆设置一个具有坚强的操作系统独立的处理器processor也可用作独立的代理器agent在这些处理器或代理器之间能进行双向快速通信从而形成一个巨大的分布式平台每个代理器必须与相应元部件的传感器连接以评估其运行状况并用高速宽带光纤通信系统将传感器的数据传送到其它处理器代理器各处的代理器既是独立动作的又是彼此通信互连的可以进行协调控制
智能电网的自愈控制是在事故影响电网之前就从本地或局部地区对事故进行处理后从而达到自愈的效果由此可见电力一次设备的在线安全监测装置就是智能电网实现自愈控制的智能代理器最基础部分电力一次设备的在线安全监测装置最初是为了对一次设备进行常规诊断后来实现状态检修以代替传统的计划检修当然目前的在线安全监测还不是实时的在线监测在此基础上若状态监测的可信度大大提高并加快对设备状态的监测频率就可逐步成为自愈智能电网的智能代理器这样当新型的传感器在线监测装置和执行机构研制出来后就可形成智能代理器从而加强电网的自适应和重组控制能力
智能电网的智能代理器要求新型传感器对电网运行参数的测量速度和高准确度与对电子式互感器的要求应是一致的甚至对某些数据的测量准确度的要求更高如对电晕损失的测量,其采样率最好采用250k次/s相当每周期50Hz采样5000次
在线监测装置主要是监测电容型设备的介质损耗电容及其变化量泄漏电流及其变化量不平衡电压避雷器的全电流和阻性电流变压器套管的介损和油中氢气含量变压器的局部放电油中色谱少油开关的泄漏电流及其他设备如发电机放电等对变电站关键电力设备的电气绝缘综合在线监测研究具有重要的意义并要加强在线监测装置的防干扰措施
3.结论
①随着特高压大容量超大规模电网的逐步形成为保证电网的安全稳定可靠运行研发智能电网和进行示范工程是急迫及至关重要的任务
②为保证智能电网实现自愈性要求研制和生产高速及高准确度的电子式互感器
③研制新型的传感器在线检测装置是实现智能电网所需的智能代理器的基础
