智能化GIS的关键技术研究及工程应用

智能化GIS的关键技术研究及工程应用
作者：王松
来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2016年第5期
王松
（河南平高电气股份有限公司，河南平顶山467000）
摘要：分析当前电网发展的新形势，根据国网公司对智能化一次设备的整体技术要求（测
量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化），从开关状态监测、智能控制、电机驱动等关键技术上描述智能化GIS 的技术特征，为智能化GIS 的深化研究提供研究参考。

关键词：智能化GIS；智能组件；智能电网
中图分类号：TM516 文献标识码：A 文章编号：1673-1069（2016）14-168-2
1 智能化GIS 的技术特征
GIS 设备是变电站电力系统的关键一环，起着控制、测量、保护等重要作用。

智能化GIS
不同于传统的GIS，根据《Q/GDW Z 410-2010 高压设备智能化技术导则》定义，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化的智能高压设备技术特征。

1.1 测量数字化
GIS 的测量数字化是智能变电站建设的前提和基础。

对重点关注的状态监测信息进行就地
数字化测量，同时将测量信息发送至站控层网络或过程层网络。

在智能变电站中，传统GIS 被
具有数字接口的互感器、断路器、隔离开关、接地开关等设备取代，这些设备在制造时就按照
一次开关与二次装置融合的思想来研制。

1.2 控制网络化
智能化GIS 以IEC61850 通信技术规范为依据，按分层分布式来实现站内智能化GIS 的信
息共享和操作控制。

目前变电站内多采用“三层两网”网络化控制方案，“三层”为站控层、
间隔层和过程层，“两网”为站控层网络与过程层网络。

“三层两网”网络结构的使用简化了
站内的信息网络，基于GOOSE 通信报文的通信规范提供了一种报文快速传输机制，为智能化组
件（IED）、保护测控装置和变电站自动化系统之间的快速信息交换提供了条件，极大地提升了通信的可靠性和安全性。

1.3 状态可视化
GIS 的在线监测信息是数字化的，状态可视化就是把抽象的数据信息通过在线监控系统或
智能电网相关应用系统，以图形、图表或其他可辨别等方式表述自监测结果，为用户提供直观、全面的可视化操控模式。

其中数据信息可以是智能化GIS 自监测信息，也可以是经过信息互动
获得的其他高压设备的状态信息。

1.4 功能一体化
功能一体化实质上就是GIS 组成部件的融合设计和功能集成化设计。

借助于先进的仿真分
析与虚拟样机制造技术，实现传感器（或执行器）与高压设备本体的集成；借助于高精度传感
与集成测控技术，实现相关测量、控制、计量、监测、保护等功能的一体化融合。

2 智能化GIS 的关键技术研究
2.1 开关状态监测技术
状态监测功能由状态监测IED 完成。

所有监测功能可经独立的子IED 完成后，由监测主
IED 汇总状态信息；也可用集成式状态监测IED 完成多项监测功能。

机械特性监测包括分合闸
线圈电流监测、动作特性监测以及开关位置状态监测。

对于GIS 断路器而言，机械特性各参数
指标有着最佳的取值范围，运动速度过慢会延长燃弧时间，导致触头磨损降低断路器使用寿命，运动速度过快会导致运动机构承受过大的机械应力和冲击，增加零部件失效概率。

操动机构监测包括电机状态监测、电机电流监测和储能状态监测。

通过过监测分合闸线圈
电流波形、行程时间曲线、一次回路电流以及分合闸位置和储能状态，并通过波形分析和数据
分析得到分合闸时间、分合闸速度、三相不同期分合闸次数，通过分合闸行程时间曲线与空载
时对比分析得到机械状态的变化趋势。

SF6 监测包括气体密度监测、气体温度监测和气体微水含量监测。

SF6 气体密度与GIS 的
绝缘性能关系密切，为了保证电气设备的安全可靠，非常有必要进行SF6 密度的在线监测。

SF6 气体在开断电弧或电晕的作用下，分解出的S 和F原子会与气体中的水分结合产生毒性气
体SOF2（氟化硫）和腐蚀物HF（氢氟酸）等，对一次电气回路及设备内表面产生腐蚀，对GIS 的稳定运行造成潜在威胁。

当前针对SF6 气体进行在线监测的技术较为成熟，SF6 气体密度、
微水含量均是通过安装在GIS 筒体上相应传感器进行信号监测，气体温度是通过安装在气室内
的温度传感器进行监测。

其他信号监测包括避雷器状态监测和局放监测。

避雷器监测主要是测量工作状态下的泄漏
电流和放电次数，及时发布预警信息，保护GIS、变压器、母线等设备正常运行，避免因泄漏
电流的持续性存在造成温升的累积进而导致氧化锌阀片的热崩溃。

局放监测主要是监测和追踪
发生在GIS 内局部放电的发展趋势和绝缘劣化程度，避免突发性故障的发生。

目前普遍采用UHF 超高频监测技术，UHF 具有较强的抗干扰能力，信号传输衰减小，监测范围大，对GIS 的
各种放电性缺陷具有较高的敏感度。

2.2 开关智能控制技术
开关设备智能控制装置具有以下主要特点：开关设备控制功能的数字化；集成开关设备的
状态监测和故障诊断功能的能力。

和符合IEC61850 的数字通讯接口。

智能控制功能由智能终端实现。

智能终端可完成所在间隔（包括断路器、隔离刀闸、接地
刀闸）的信息采集、控制功能。

智能终端具有如下配置原则：淤220耀750 千伏电压等级配电装置各间隔断路器智能终端，主变压器各侧主变间隔断路器智能终端，宜按2 套/1 间隔配置；于110 千伏及以下配电装置
各间隔断路器智能终端，每段母线电压互感器间隔隔离开关智能终端，宜按 1 套/1 间隔配置；盂智能终端宜分散布置于配电装置场地智能组件柜内。

2.3 汇控柜智能化技术
汇控柜的智能化是指利用可编程控制器（PLC）取代常规继电器组成的硬件接线控制电路，PLC 是一种内置微处理器的控制设备，对外提标准通信接口，通信接口与外部触点组成功能回路，取代原有的二次接线及电气回路。

通过简易的编程即可实现对GIS 设备中断路器、隔离开关、接地刀的在线监视和控制。

PLC 的使用可深度简化二次接线，减少开关操动机构的辅助开关数量，使得汇控柜内元件布局和布线更加整洁。

PLC 的高可靠性间接减轻了变电站的维护和检修工作量。

该技术已在110kV 河北许庄变、220kV 云南大关变等多地使用，得到了市场的验证。

2.4 电机驱动操动机构技术
电机驱动操动机构是用永磁电机直接驱动断路器进行分、合闸操作的新型操动机构。

操动机构只有一个转动的电机转子部件，运动部件少能量损失小。

电机驱动操动机构利用电容器进行电机驱动能量的存储，能量经电容释放后进入电力电子电路进行逆变适配输出，电机在DSP 的程序控制下，直接驱动断路器动触头进行分合闸操作。

电机驱动操动机构的最大优点是断路器的动作速度和分合闸时间都是可控的，并且对机构箱内的温湿度、辅助电源变化不太敏感，很容易实现对操动机构和断路器进行连续的自检、监测及智能控制等功能。

2.5 开关振动特性技术研究
断路器在操动的过程中，内部运动部件如操动机构、连杆、动触头的运动、撞击和摩擦都会产生振动。

振动信号由一系列的瞬态波形叠加构成，每种瞬态波形都是断路器操作期间内部部件的运动状态反映，代表着丰富的机械部件状态信息。

由于GIS 属于金属封闭开关设备，灭弧室、母线、操动机构等部件都装配在内部，从外部无法看到其工作状态，通过开关操作产生的振动信号来进行内部部件的故障检测是一种新型的故障诊断方法。

振动信号可通过加速度传感器来进行监测。

加速度传感器安装于GIS 外部，振动信号的采集不涉及电气测量，信号不易受到电磁干扰。

振动信号采集。

在GIS 设备上安装振动传感器，振动传感器将接收到的机械振动信号转化为电信号进行输出。

振动信号处理。

智能组件（IED）负责接收振动传感器反馈的电信号，振动信号经去噪处理后送入IED 功能电路进行信号的去噪处理和频谱分析。

振动信号的分析与应用。

监控系统接收来自智能组件IED 信号处理过的振动信号，运用分析软件对振动信号特征进行分析和研究，通过图表分析等方法进行直观显示，为GIS 的故障诊断提供决策依据。

3 工程应用
图1 所示为在某智能化变电站中的智能化GIS 系统框图。

目前智能化GIS 组合电器设备
采用“一次设备垣智能组件”模式，智能化的变电站体系上采用“三层两网”（过程层、间隔
层和站控层、过程层网络和站控层网络）的结构形式，在逻辑层次上，通过过程层网络连接过
程层和间隔层设备，通过站控层网络连接间隔层和变电站层设备。

过程层是智能化一次电器设备的智能化部分，主要功能分为三类：淤实时运行电气量的监测；于运行设备的状态检测；盂操作控制执行和驱动。

过程层GIS 设备包括断路器、隔离接地
开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置IED，在过程
层组网模式下还包括过程层交换机。

间隔层的主要功能分为：淤汇总过程层设备的实时数据信息；于实施对一次设备的保护控
制功能；盂实施本间隔操作闭锁功能；榆实施操作同期及其他控制功能；虞对数据采集、统计
运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；愚承上启下的通讯功能，同时完成与过程层和站
控层的网络通信功能。

站控层的主要功能是通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，将有关数据信息送往电
网调度或控制中心，接收电网调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行，具有对间隔层、过程层设备的在线维护、在线组态和在线修改参数等功能。

智能化GIS 组合电器设备
是智能变电站的重要组成部分，也是体现其“智能化”特征的主要标志之一。

4 结束语
GIS 智能化是基于变电站综自系统智能化提升和在线监测系统的重要依据。

实现GIS 设备
的测量数字化、控制网络化和状态可视化，可以科学地判断GIS 的运行状态，识别故障的早期
征兆，为电网运行提供实时的设备可靠性数据，服务于电网的智能调度，实现电网灵活优化控制，降低电网的事故风险，从而可以提高系统的安全性，加强对电网的实时监测和控制。

参考文献
[1] 国家电网公司.Q/GDW/Z 410-2010 高压设备智能化技术导则.
[2] 张文亮，刘壮志，王明俊，等援智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，
2009(13)：1-11
[3] 周华，孟晨，张战军，等.智能电网及高压开关设备技术发展[J].电气技术，2010(8)：25-27
[4] 高明华，王冬，王学峰，等援智能变电站设备在线监测系统[J].山东电力技术，
201l(1)：18-21
[5] 黎斌.SF6 高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2010.。