1．智能電網(wǎng)的發(fā)展

1.1 《美國復蘇與再投資法案》

2009 年 2 月 17 日 美國總統(tǒng)奧巴馬簽署了2009年《美國復蘇與再投資法案》（ American Recovery and Reinvestment Act—ARRA ）,。此法案規(guī)定撥款給美國能源部 (Department of Energy-DOE) 來支持研發(fā)智能電網(wǎng) (smart grid) 的經(jīng)費和示范工程,，美國能源部即于 2009 年 4 月 19 日 公布了《基金機遇通告》（ FOA ， (Funding Opportunity Announcementr) ）,，將智能電網(wǎng)示范工程規(guī)定如下 ：① 地區(qū)示范——核實智能電網(wǎng)技術生存能力和確認智能電網(wǎng)的商務模型 ,。② 電力公司電能儲存示范——測試費用和收益，檢驗各種電能儲存方法的技術性能,，如新型電池,、特殊電容器、飛輪,、風與光電組合以及壓縮空氣能量系統(tǒng)等 ,。③ 同步相量測量示范－建立廣域信息網(wǎng)絡（即相量測量裝置 PMU/ 廣域測量系統(tǒng) WAMS ）來調(diào)度和規(guī)劃電力系統(tǒng)。

美國能源部統(tǒng)計,，通過對美國電網(wǎng)的智能化改造,，預計未來 20 年內(nèi)可節(jié)省投資近千億美元 。智能電網(wǎng)技術革新將打開電信,、電網(wǎng),、電視網(wǎng)等整合的通道，為全球電力,、電信產(chǎn)業(yè),、通信產(chǎn)業(yè),、電視媒體等的改革提供獨特的機遇。

1.2 中國智能電網(wǎng)的研發(fā)

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(jié)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),。國網(wǎng)公司將按照統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標準,、試點先行,、整體推進的原則，在加快建設由 1000kV 交流和 ±800kV ,、 ±1000kV 直流構(gòu)成的特高壓骨干網(wǎng)架,，實現(xiàn)各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的同時，分階段推進堅強智能電網(wǎng)發(fā)展,。

按照規(guī)劃,，國家電網(wǎng)公司的智能電網(wǎng)建設將分3階段：在 2010 年之前完成規(guī)劃與試點工作；在 2010 ～ 2015 年大面積推開,；到 2020 年,，全面建成統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)。

2．堅強智能電網(wǎng)與電子式互感器及電力一次設備在線監(jiān)測

2.1 自愈性智能電網(wǎng)（ Self-Healing Smart Grid ）

目前各大國都逐步建立了特大電網(wǎng),，為保證電網(wǎng)的安全運行,，美國、俄羅斯,、日本,、巴西等國先后都在進行智能電網(wǎng)的研究。

我國特高壓骨干網(wǎng)架將由 1000kV 級交流輸電網(wǎng)和 ±800kV ,、 ±1000kV 直流 直流系統(tǒng)構(gòu)成,。我國地域遼闊，各大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián),，大量的西電東送,，使國家大電網(wǎng)跨越了幾個時區(qū),。為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定,、可靠運行,，對智能電網(wǎng)的研發(fā)，則是急迫和至關重要的任務,。由于這種跨越幾個時區(qū)的特大電網(wǎng)存在大面積停電的危險,，而這種危險大多涉及調(diào)度員處理是否得當?shù)娜藶橐蛩兀?2003 年“ 8.14” 美加大停電事故,。為解決此問題,，美國電力研究院（ EPRI ）最先提出以相量測量裝置 PMU ， Phasor Measurement Unit ） / 廣域測量系統(tǒng)（ WAMS ,， Wide Area Measurement System ）為基礎的突出自愈功能的智能電網(wǎng)概念,。它要求對電網(wǎng)節(jié)點的電壓相角測量快速而準確。 20 世紀 80 年代同步相量測量的研究在美國已經(jīng)開始,，并成為廣域測量系統(tǒng)的一部分,。 1996 年夏季美國兩次大停電事故中， WAMS 進行了較全面準確的記錄,。 1997 年法國電力公司（ EDF ,， Electric de France ）也建設了基于 PMU 的協(xié)調(diào)防御控制系統(tǒng)。但是系統(tǒng)動作響應時間卻很慢,，長達 1.03s ,。 2003 年“ 8.14 ” 美加大停電事故更推進了 WAMS 的建設。只要在全網(wǎng) PMU 合理化布點的基礎上（滿足可觀測性）,，就可對現(xiàn)代化大電網(wǎng)進行靜態(tài)功角穩(wěn)定裕度監(jiān)視,；在線擾動識別；分析電網(wǎng)的短路故障,、機組振蕩與失步和系統(tǒng)電壓失穩(wěn)等,；利用實時聯(lián)絡線功率和相對相角等參量的頻譜特性（特征頻率以及對應的衰減因子）識別系統(tǒng)低頻振蕩；在系統(tǒng)發(fā)生擾動時,，實時監(jiān)視機組間相對功角的暫態(tài)過程,；進行發(fā)電機組進相運行監(jiān)測；電壓動態(tài)過程監(jiān)測與動態(tài)穩(wěn)定預報,。以及實現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控等,。

為此， 在 PMU / WAMS 的基礎上就能實現(xiàn)包括暫態(tài)穩(wěn)定性,、電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性在內(nèi)的動態(tài)安全評估,。當電網(wǎng)出現(xiàn)危機之前就能立即提出網(wǎng)絡重構(gòu)、調(diào)整保護定值和穩(wěn)定補救等安全對策,。 [1]

文獻 [1] 指出,，電網(wǎng)自愈功能的目標是：“實時評價電力系統(tǒng)行為,，應對電力系統(tǒng)可能發(fā)生的各種事件組合、防止大面積停電,，并快速從緊急狀態(tài)恢復到正常狀態(tài),。其實現(xiàn)方法，可概括為快速仿真決策,、協(xié)調(diào) / 自適應控制和分布能源（ DER, Distributed Energy Resource ）集成等 3 個方面,。”

2.2 對電子式互感器

（1）自愈性智能電網(wǎng)對電子式互感器的要求

自愈性智能電網(wǎng)要求高速和高準確度的 PMU ，這樣才能高準確度進行電網(wǎng)運行參數(shù)（如 I ,、δ I 、 U ,、δ U ,、 cos φ、 f ,、 P ,、 Q ）的測量 , 監(jiān)控電網(wǎng)的運行。目前常規(guī)電磁式電流互感器鐵芯在電力系統(tǒng)故障狀態(tài)下的鐵芯飽和及磁滯回線,，會引起電流測量極其不準確,。從而使 PMU/ WAMS 的測量也不準確，嚴重威脅現(xiàn)代化電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,，增加了繼保裝置的復雜性,；抗電磁干擾能力減弱；絕緣技術,、體積,、質(zhì)量和價格都隨電壓等級的升高而越來越大；運輸,、安裝和維護困難,；量測受頻率影響；變電站占地大,，成本高等,。為此，有必要研發(fā)能克服上述缺點并滿足智能電網(wǎng)要求的新型電子式電流互感器,。

這種新型電子式電流互感器要求既快速又高度準確,，并將為現(xiàn)代化大電網(wǎng)的安全可靠和經(jīng)濟運行提供關鍵的基礎。它也是電力一次,、二次設備的完美結(jié)合,，解決了電網(wǎng)自動化發(fā)展的“瓶頸”。現(xiàn)代化大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制技術也急需滿足要求的電子式互感器的出現(xiàn),。因此電子式互感器不是一般的對電磁式互感器的升級換代,，而是現(xiàn)代化大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的需求,。

電網(wǎng)的安全運行要求電力設備安全可靠。而據(jù)統(tǒng)計,，電力設備平均每年有 1/3 的事故都是因為互感器所致,，如雷電季節(jié)，打雷或閃電都有可能導致互感器爆炸或燃燒,。電子式互感器的使用將大大減少這方面的事故,。

電子式互感器是電網(wǎng)一次的重要主設備， 它們擔負著電網(wǎng)的精確 “ 測量和計量 ” ,，以及故障 “ 監(jiān)測 ” 的作用,。要求量測的電網(wǎng)運行參數(shù)高度精確；裝置本身應具有相當?shù)目煽啃?。它是為智能電網(wǎng) ,、數(shù)字化繼電保護、電網(wǎng)實時 PMU ,、WAMS ,、電網(wǎng)快速狀態(tài)估計、電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控,、特高壓輸電線路的電暈測量,、電網(wǎng)實時經(jīng)濟調(diào)度、諧波在電網(wǎng)中的應用,、電網(wǎng)輸電阻塞的緩解（美國）,、解決輸電走廊問題的分相輸電技術、實現(xiàn)準確的故障測距和緊湊型一次智能設備等提供可靠保證,。對現(xiàn)代電網(wǎng)運行和設備革命發(fā)揮重要的作用 ,。 因此，要求它必須具有高準確性,、快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅堋?/p>

（2）電子式互感器的國際標準和國家標準

國際電工委員會和國內(nèi)標準化組織近年來也相應頒布了有關協(xié)議和標準以作為指導,。 IEC61850 協(xié)議是變電站自動化系統(tǒng)建設的依據(jù)。完全符合 IEC61850 協(xié)議的一次和二次數(shù)字化設備的研制和產(chǎn)品化是建設智能電網(wǎng)的堅實基礎,。 IEC 6 1850-5-13 規(guī)定了變電站內(nèi)智能電子設備（ IED ,， Intelligent Electronic Device ）的同步標準以及電力系統(tǒng)有關參數(shù)值的指標，是變電站自動化系統(tǒng)的設計,，電子式互感器及 IED 的性能研制和生產(chǎn)以及電力部門招標必須依據(jù)的標準,。 IEC60044-7/8 標準也是電子式互感器制造檢測和招標應遵循的標準。我國于 2007 年 1 月正式頒布等同于 IEC60044-7/8 的國家標準 GT20840-7/8 ,，并于 2007 年 8 月 1 日起 實施,。 [3]

1）根據(jù)國際標準 IEC6 1850-5-13 的要求，電子式互感器需為各種智能 IED 提供高準確度的電流 I 和電壓 U ,，其數(shù)據(jù)采樣率必須 ≥ 12000次/s ,，三相同步時間應為±1μs,。[3]，[4]

2）PMU 與 WAMS 的連接應滿足 IEEE 37.118 的準確性標準（ 1 級）并對數(shù)據(jù)傳輸使用 IEEE 37.118 標準,。 要求 PMU 的數(shù)據(jù)采樣率≥ 12000 次 /s ,， 測量頻率的絕對準確度為 ± 1 mHz ，絕對相角準確度為 ± 0.02 度,，時間準確度為 ± 1 μs ,。數(shù)據(jù)傳輸率為 50/60 Hz 。要達到此要求,，提供給 PMU 和 WAMS 原始數(shù)據(jù)的電子式互感器對 I ,、 U 的測量準確度應小于 0.2%, 三相同步時間為 ± 1 μs ，相位移應滿足 IEC60044 － 7/8 的要求,。 [3]

3）IEC6 1850-9-1 對 以太網(wǎng)物理層傳輸速率的要求

電子式互感器的綜合單元對保護,、測量等 IED 的輸出傳輸速率應與 IED 的采樣率匹配。根據(jù) IEC6 1850-5-13 的規(guī)定：保護裝置 IED 的采樣率為 480 ,、 960 和 1920 次 /s ；測量儀表的 IED 采樣率為 1500 ,、 4000 和 12000 次 /s ,。

IEC6 1850-9-1 規(guī)定：電子式電流 / 電壓互感器的綜合單元對保護、測量等 IED 的輸出傳輸速率應與 IED 的采樣率匹配,。 [3] ,， [5]

2.3 電力一次設備在線監(jiān)測對堅強智能電網(wǎng)的作用

目前，大電網(wǎng)的安全防護已與涉及自然和社會因素的災害防護緊密相連,，因此大電網(wǎng)的安全防護受到了美國白宮科技政策辦公室和美國國內(nèi)安全部的重視,。美國政府已于 2007 年通過了《能源獨立和安全法規(guī)（ Energy Independence and Security Act ）》 , 有專門一章就是智能電網(wǎng)。 [2]

參考文獻 [2] 在解釋智能電網(wǎng)的具體內(nèi)容時指出：“在輸電的每個元件（如開關,、變壓器等）,、每個變電站和發(fā)電廠中皆設置一個具有堅強的操作系統(tǒng)獨立的處理器（ processor ），也可用作獨立的代理器（ agent ）,，在這些處理器或代理器之間能進行雙向快速通信,，從而形成一個巨大的分布式平臺。每個代理器必須與相應元部件的傳感器連接,，以評估其運行狀況,，并用高速寬帶光纖通信系統(tǒng)將傳感器的數(shù)據(jù)傳送到其它處理器（代理器），各處的代理器既是獨立動作的,，又是彼此通信互連的,，可以進行協(xié)調(diào)控制。”

智能電網(wǎng)的自愈控制是在事故影響電網(wǎng)之前就從本地或局部地區(qū)對事故進行處理后,，從而達到自愈的效果,。由此可見,，電力一次設備的在線安全監(jiān)測裝置就是智能電網(wǎng)實現(xiàn)自愈控制的智能代理器最基礎部分。電力一次設備的在線安全監(jiān)測裝置最初是為了對一次設備進行常規(guī)診斷,，后來實現(xiàn)狀態(tài)檢修,，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計劃檢修。當然,，目前的在線安全監(jiān)測,，還不是實時的在線監(jiān)測。在此基礎上,，若狀態(tài)監(jiān)測的可信度大大提高,，并加快對設備狀態(tài)的監(jiān)測頻率，就可逐步成為自愈智能電網(wǎng)的智能代理器,。這樣,，當新型的傳感器、在線監(jiān)測裝置和執(zhí)行機構(gòu)研制出來后就可形成智能代理器,，從而加強電網(wǎng)的自適應和重組控制能力,。

智能電網(wǎng)的智能代理器要求新型傳感器對電網(wǎng)運行參數(shù)的測量速度和高準確度與對電子式互感器的要求應是一致的，甚至對某些數(shù)據(jù)的測量準確度的要求更高,，如對 電暈損失的測量 , 其采樣率最好采用 250k 次 /s ,，相當每周期（ 50Hz ） 采樣 5000 次。

在線監(jiān)測裝置主要是監(jiān)測電容型設備的介質(zhì)損耗,，電容及其變化量,，泄漏電流及其變化量，不平衡電壓,，避雷器的全電流和阻性電流,，變壓器套管的介損和油中氫氣含量，變壓器的局部放電,、油中色譜,，少油開關的泄漏電流及其他設備（如發(fā)電機放電）等。 對變電站關鍵電力設備的電氣絕緣綜合在線監(jiān)測研究具有重要的意義,，并要加強在線監(jiān)測裝置的防干擾措施,。

3 結(jié)論

① 隨著特高壓、大容量,、超大規(guī)模電網(wǎng)的逐步形成,，為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定,、可靠運行,，研發(fā)智能電網(wǎng)和進行示范工程是急迫及至關重要的任務。

②為保證智能電網(wǎng)實現(xiàn)自愈性，要求研制和生產(chǎn)高速及高準確度的電子式互感器,。

③研制新型的傳感器,、在線檢測裝置是實現(xiàn)智能電網(wǎng)所需的智能代理器的基礎。