GIS智能化设计研究与应用

刘洪正，曲文韬，平海涛

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250001；2.国网山东省电力公司检修公司，山东济南250001；3.国网平高电气集团有限公司，河南平顶山467000）

·试验研究·

GIS智能化设计研究与应用

刘洪正1，曲文韬2，平海涛3

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250001；2.国网山东省电力公司检修公司，山东济南250001；3.国网平高电气集团有限公司，河南平顶山467000）

为适应智能化变电站的不断发展和需求，提高GIS的智能化水平势在必行。在常规GIS设备的基础上，以微电子技术、计算机技术、新型传感技术以及数字处理技术为核心，结合现场实际，提出智能化GIS系统的设计方法。从结构、功能、应用等方面重点介绍GIS特高频局部放电、微水测量、断路器机械特性、避雷器在线监测系统，依据测量精度、安全性和经济性的要求，归纳新型电子式互感器的选择原则，并对其可靠性和安装方式进行分析总结。最后，通过对传感器的接入技术、计算机检测与控制系统的应用研究，提出相关的设计要求及发展方向，以进一步提高GIS的智能化水平。

GIS；智能化；在线监测；电子式互感器

0 引言

智能化GIS是将智能传感器技术、数字处理技术、网络通信技术以及自动控制技术结合在一起，应用在GIS的一次及二次系统中，使其实现信息化、自动化和互动化的功能。具体来说，它是采用新型数字传感器采集GIS的状态数据，并通过智能电子装置进行数据整合处理，然后通过光纤将这些包含保护、测控、计量的数据传送到间隔层计算机中，由这些计算机对其进行分析处理，从而完成对组合电器的监视和控制功能。除此之外，系统本身还具有自检功能，通过实时监控自身状态，识别存在的故障，完成自愈功能，因此，智能化GIS能够大大提高设备运行可靠性。

目前，国内外在GIS智能化设计与研究方面做了大量的工作。国外方面，西门子公司通过采用型号为8DN9的在线监测系统以及电子式电压电流互感器，能够完成设备状态的连续监测，并利用带数据处理能力的智能电子装置完成监测数据的收集处理，对系统发展趋势进行统计分析。日本东芝公司通过采用功能各异的传感器在线监测GIS中SF6气体状态、温湿度、局部放电以及泄漏电流等状态量，为掌握设备内部状态提供丰富的数据信息。ABB公司的EXK-0l型Smart-GIS为其智能化产品，它利用新型传感器和智能化操作机构，配有专门的处理器及接口装置，能够将传感器采集到的信息进行储存和预处理，为测控和保护装置提供可靠的信息。国内厂商如西开、平开、泰开、沈开等也都在高压组合电器的智能化方面开展了大量的研究，也取得了一定的成果。目前，已有部分变电站采用了国产的智能化组合电器，通过采用先进的传感器技术及数字互感器技术，完成过程层数据的采集和处理，然后基于IEC61850标准，通过面向对象的变电站事件，利用光纤传输技术，完成与间隔层及过程层设备的信息交互，最终实现对一次设备的保护和控制功能［1-3］。

本文基于智能变电站信息化、自动化、互动化的特点，依据相关技术导则、标准规约，结合现场实际，阐述GIS智能化系统的设计方法，并从GIS在线监测系统、新型电子式互感器系统以及传感器接入技术、计算机检测与控制系统等方面展开研究，提出了设计思路及要求，并对其发展趋势进行展望。

1 GIS智能化系统设计

GIS智能化设计是在相应电压等级的常规GIS产品基础上进行的，具有较高的继承性、通用性、兼容性，遵循一体化设计、一体化制造、一体化试验的原则。

智能化GIS是在常规GIS的基础上，植入电子式电流／电压互感器及开关设备状态传感器，通过智能组件对开关设备的传感信号进行采集、处理和分析，以IEC61850通信规约与主控层组网进行信息互动，实现对GIS开关设备的遥测、遥控、遥信功能以及状态监测和设备诊断功能，集成了智能控制系统、智能监测系统以及数据采集系统，系统结构如图1所示。

图1 GIS智能化系统结构简图

1.1 智能控制系统

智能控制系统包括传统控制部分和开关设备控制器，可实现开关设备的测量数字化、控制网络化功能，如图2所示。其中，开关设备控制器接收测控装置发出的指令后，通过传统控制部分的远控接口，对开关设备发出分、合闸指令，同时可接收开关设备的位置信号、报警信号等，并上传至测控装置。

图2 智能化GIS的智能控制系统

1.2 状态监测系统

状态监测系统包括机械状态监测系统、SF6气体状态监测系统和局部放电监测系统等，可实现断路器位移量、分合闸操作线圈电流、储能电机电流、SF6气体状态、局部放电等相关状态参量的在线监测，并可通过基于IEC 61850的通信网络上传至变电站上层系统，实现对开关设备状态的诊断预评估，如图3所示。

图3 智能化GIS的状态监测系统

1.3 数据采集系统

数据采集系统多采用电子式电流／电压传感器，该传感器采用罗氏线圈和低功率线圈原理采集一次电流信号，采用电容分压原理采集一次电压信号，就地转换成数字信号并上传，合并单元接收到数据后进行整合并上传至上层网络，如图4所示。

图4 智能化GIS的电子式互感器系统

1.4 智能组件柜

智能化GIS所用的智能元／器件一般集成在智能组件柜内，可实现GIS的测量、控制和监测等功能，包括开关设备控制器、电子式电流／电压互感器的合并单元、机械状态监测IED、局部放电监测IED等设备，可根据不同工程需求，配置不同设备。

在具体的智能化GIS工程设计中，是将智能组件柜与常规汇控柜组合为一个“智能汇控柜”，柜内配置温控设备，保留原汇控柜的报警、指示、控制等功能。图5为实际设计的智能汇控柜，其左半部为智能组件柜部分，右侧为保留的原汇控柜部分。

图5 智能汇控柜

2 GIS在线监测系统

2.1 局部放电在线监测系统

GIS中局部放电的检测方法很多，随着缺陷类型的不同和应用场合的不同灵敏性也不一样。常用的方法有脉冲电流法、化学检测法、光学检测法、超声波法和特高频法。

在GIS局部放电检测中，特高频（UHF）法是近年来发展起来的一项新技术。采用测量GIS内绝缘隐患在运行电压下辐射的电磁波来判断GIS内是否发生局部放电，该方法可以非接触测量及在线监测。

特高频法特点。特高频接收到的信号频率较高，能够有效避开电磁干扰信号；通过高速示波器等数据采集设备，根据电磁波信号的传输特征，可利用时差法对故障进行定位；根据放电脉冲的陡度、幅度和宽度可对故障类型、强度等进行模式识别；由于特高频放电信号在传输过程中衰减较小，有效检测范围广，因此，相对于其他检测方式，需要布置的传感器数量较少，能够节约成本、减少工作量。

特高频局部放电在线监测系统结构。针对固定突起物、自由微粒、绝缘子气隙、悬浮电极、GIS间隔上的微粒等缺陷，利用特高频局部放电在线监测系统进行监测，系统结构如图6所示。

图6可以看出，GIS中局部放电产生的电磁波经特高频传感器接收后，局部放电信号转换为电压信号，然后经过同轴电缆传送到信号调理单元。局部放电信号经过调理后，送入数据采集卡进行信号的采集存储等处理。计算机通过并行接口实现对信号调理单元的控制，即实现对系统选通频带的中心频率和滤波器的带宽的选择和控制。

2.2 断路器机械特性在线监测系统

断路器智能化在线监测系统主要包括灭弧室寿命监测系统、机械状态监测系统以及绝缘状态监测系统。

灭弧室寿命监测系统。灭弧室的寿命主要取决于断路器操作时触头的磨损情况，由于断路器在不同电流下开断时造成触头的磨损量是不同的，通过监测断路器分合次数以及对应操作时的电流，经过统计累加可以换算出触头的磨损量，进而可以推断出触头及灭弧室的寿命。

机械状态监测系统。通过监测分合闸线圈电流、分合闸时间和速度、触头行程曲线、打压时间以及储能电机电流等参数，能够分析判断断路器机械传动部分的状态，便于对相应部分的健康状况做出诊断。

图6 特高频法在线监测系统结构

绝缘状态检测系统。通过在运行的GIS设备内部预先安装SF6气体湿度传感器、局部放电传感器以及温度传感器等，能够实时采集设备内部的状态信息，对设备绝缘状态进行分析判断［4］。

2.3 微水在线监测系统

目前比较常见的一种在线监测方法是以采集GIS的湿度、温度、压力3个特征量信号为基础，根据温度、压力对气体水分含量的影响解决气体计算及湿度修正等问题，达到准确在线监测的目的。

温度对湿度的影响。国标中对于微水的规定值是20℃时的测量值，但是实际测量时环境温度不一定是20℃，而SF6气体的湿度又与应用温度有关，因此讨论GIS中水分含量时就要考虑温度的影响。

压力对湿度的影响。GIS内SF6气体的微水含量取决于气体压力的大小。充气压力不同时，相同微水含量的SF6气体可能结露，也可能是气态。以上可知，SF6气体湿度与温度、压力均有直接关系。因此在线监测SF6气体微水含量时要剔除温度和压力对气体湿度的影响，使测得数据客观反映气体湿度情况。

微水判据修正。对于GIS设备中SF6气体，为了防止凝露，在20℃环境中要求露点温度不高于-5℃，基于此条件下再判别SF6体积浓度要求。因此，在其他温度下测量时必须作适当的修正，修正到20℃的SF6体积浓度、露点温度。

这样利用传感器采集到3个特征量后按照上述修正方法进行处理、计算，可以实现对GIS内微水的实时监测显示，分析功能。

2.4 避雷器在线监测系统

避雷器在线监测系统利用罗氏线圈等电流互感器采集运行中避雷器的泄漏电流，通过监测装置内部的光电转换装置将电流信号转换为光信号，利用光纤传到后台计算机进行数据处理，并将结果实时传送到监控中心，有效解决了传统站中人工测量时需耗费大量人力物力的问题，实现了变电站无人值守即可掌握避雷器绝缘状况。目前，避雷器在线监测系统已在智能变电站中广泛使用，运行情况表明，该系统检测结果准确有效，能够较好地反映避雷器的运行状况［4］。

3 新型电子式互感器系统

电子式互感器是智能GIS的重要组成部分。由于具有体积小、精度高、运维简单以及绝缘和抗电磁特性优良等特点，电子式互感器具备了常规互感器无法比拟的优点，是今后互感器技术发展的重要方向［5-6］。

3.1 电子式互感器选择原则

GIS中同类互感器的特性应一致；设计时应满足设备全寿命周期管理的要求；使用成熟先进的技术，能够满足现场复杂条件下的使用要求。

3.2 可靠性分析

目前，随着电子式互感器电压等级逐步升高，在运行过程中面临的问题越来越多，主要表现在绝缘强度和抗电磁干扰性能方面。由于电子式互感器安装在GIS内部，且以SF6气体良好的绝缘性能以及壳体内部的足够的空间作为保障，其绝缘性能已能满足要求，但电磁干扰问题则依然没有完全解决。

有源式电子互感器主要应用在220 kV以下的电压等级中，经统计比较国内40多个变电站中电子式互感器的使用情况，结合近6年的运行经验，可以得出，上述问题现场基本都能解决，但能否在强电磁干扰下长期可靠的工作，且出现问题后是否能有效的排查解决，都有待于实践检验。无源式电子互感器基于光电效应原理，具有较好的抗电磁干扰性能，在较高电压等级设备中具有明显优势。无源式电子互感器寿命主要取决于光学元件的老化情况，但由于受运行年限的限制，现在还无法验证，但鉴于其结构更加简单、抗干扰性更强，因此，它代表了电子式互感器的发展方向。

3.3 安装方式分析

对于GIS设备而言，电子互感器的安装方式主要有外置式与内置式两种。外置式是将互感器放在气室外面，这种方式优点是更换互感器铁心及二次线圈时不需要对设备进行解体，减少了工作量，缺点是易受外部电磁环境的干扰；内置式是将互感器置于气室内部，优点是抗电磁干扰性能好，但在更换互感器部件时需要对气室进行解体处理，增加了检修时间和成本。

4 传感器接入技术与计算机检测控制系统

4.1 传感器接入技术

智能化GIS设备中传感器的接入方式也分为内置式和外置式，在设计时应满足如下要求。

内置型传感器要求：宜采用无源型；设备出厂交接或解体大修后进行试验前，应先安装传感器；传感器与设备外部的连接通道要有良好的密封性能；内置传感器应具备较长的使用寿命，其寿命不应低于一次设备内部部件的使用寿命。

外置型传感器要求：安装后不应影响设备的外绝缘水平；传感器应安装在低电场强度部位，且与高压带电部位保持足够的安全距离；传感器应具备良好的抗电磁干扰性能。

4.2 计算机检测系统

GIS计算机检测系统通常包括硬件、软件和通信3部分。

传感器。建立了GIS设备一次与二次设备之间的联系，根据类型不同，可分为电流和电压传感器；断路器机械特性传感器；气体压力、温湿度传感器；隔离开关和接地开关机械状态传感器。

数据采集单元。能够采集电压电流等数据，并能完成数据的A／D转换、时间同步及预处理功能，为上层设备提供完整的数据信息。

数据处理单元。由各种功能的智能电子装置组成，能够对采集到的数据信息进行同步检测、数据融合以及处理等功能。

通信模块。包含过程总线及通信协议等，主要完成智能控制柜内各智能电子装置间的数据通信，实现过程层和间隔层间信息的交换功能。相比传统GIS设备，智能化GIS通过过程总线通信技术，可以将一次互感器及传感器单元采集到的信号一次性传给间隔层设备，而不需要点对点传输，节约了大量的连接数据线。

综合性软件包。包含人机界面、应用模板等系统数据，能够激活上述模块实现相应的功能。

4.3 计算机控制系统

在智能化GIS设备中引入计算机控制系统，使用数字化控制技术，取代传统的电磁式控制技术，通过网络化通信方式取代传统的点对点传输方式，从而满足GIS的智能化需求，其发展方向主要体现在以下几个方面。

集成化。智能化GIS设备使一次与二次设备联系更加紧密，通过智能终端及合并单元，将采集到的一次设备信息传给测控及保护装置，同样还可将二次设备的保护和控制指令传达到一次设备。智能化GIS设备将计量、保护、控制、通信、录波等装置集为一体，功能更加全面。

智能化。通过状态检测与故障诊断技术，可以对GIS的运行状态进行评价，利用辅助状态决策系统对设备风险进行评估，并根据结果制定有效合理的检修方案，做到设备状态可控能控，真正实现设备的智能化管理。

网络化。通过总线技术，按照统一的通信规约，利用光纤通信，实现智能GIS各设备间以及与其他设备的信息交换，有效地解决设备连线多、电磁干扰强等问题。

5 结语

在传统GIS设备的基础上，以微电子技术、计算机技术、传感技术以及数字处理技术为核心，提出了一种集智能控制系统、智能监测系统、数据采集系统及智能组件柜为一体的智能化GIS设计方法，能够实现智能化GIS的需求。结合目前较为成熟的在线监测技术，重点介绍GIS特高频局部放电、微水含量、断路器机械特性以及避雷器在线监测系统的构成和功能，为智能化设计提供参考。另外，随着电子式互感器技术的不断发展和成熟，从选择原则、可靠性以及安装方式等方面进行比较和分析，提出优化方案。最后，提出智能传感器接入技术的要求，以及GIS计算机检测系统和控制系统的功能及发展方向。

［1］刘洪正.高压组合电器［M］.北京：中国电力出版社，2014．

［2］张文亮，汤广福，查鲤鹏，等.先进电力电子技术在智能电网中的应用［J］.中国电机工程学报，2010，4（2）：56-59.

［3］周华，孟晨，张战军，等．智能电网及高压开关设备技术发展．电气技术，2010（8）：25-27.

［4］张猛，申春红，张库娃，等.智能化GIS的研究［J］.高压电器，2011，47（3）：6-11.

［5］IEC 60044—8：2002电子式电流互感器［S］.

［6］IEC 60044—7：1999电子式电压互感器［S］.

Research and Application of GIS Intelligent Design

It is necessary to improve the intelligent level of GIS（gas insulted switchgear）to meet the growing demand for intelligent substation.On the basis of the conventional GIS equipment，with microelectronic technology，computer control technology，new sensor technology，and digital processing technology as the core，the design method of intelligent GIS system is put forward in the paper which combine with the actual site.In terms of structure，function and application，on-line monitoring system of the GIS is emphatically introduced，including ultrahigh frequency partial discharge，micro water measurements，mechanical properties of breakers and surge arresters.According to the requirements of measurement accuracy，safety and economy，the selection principles of the new electronic transformers are introduced，and the reliability and installation modes are summarized.Finally，through the application research on sensor access technology and the computer detection and control systems，the relevant design requirements and the development direction are proposed，which can further improve the intelligent level of GIS.

GIS；intelligent；on-line monitoring；electronic transformer

TM406

：A

：1007－9904（2014）05－0001－05

2014-08-04

刘洪正（1963—），男，高级工程师，从事高压电网设备管理工作；

曲文韬（1982—），男，工程师，主要从事变电设备检修管理工作。