1．智能電網(wǎng)的發(fā)展

1.1 《美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案》

2009 年 2 月 17 日 美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬簽署了2009年《美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案》（ American Recovery and Reinvestment Act—ARRA ）,。此法案規(guī)定撥款給美國(guó)能源部 (Department of Energy-DOE) 來(lái)支持研發(fā)智能電網(wǎng) (smart grid) 的經(jīng)費(fèi)和示范工程,，美國(guó)能源部即于 2009 年 4 月 19 日 公布了《基金機(jī)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(shí)智能電網(wǎng)技術(shù)生存能力和確認(rèn)智能電網(wǎng)的商務(wù)模型 。② 電力公司電能儲(chǔ)存示范——測(cè)試費(fèi)用和收益,，檢驗(yàn)各種電能儲(chǔ)存方法的技術(shù)性能,，如新型電池,、特殊電容器、飛輪,、風(fēng)與光電組合以及壓縮空氣能量系統(tǒng)等 ,。③ 同步相量測(cè)量示范－建立廣域信息網(wǎng)絡(luò)（即相量測(cè)量裝置 PMU/ 廣域測(cè)量系統(tǒng) WAMS ）來(lái)調(diào)度和規(guī)劃電力系統(tǒng)。

美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì),，通過(guò)對(duì)美國(guó)電網(wǎng)的智能化改造,，預(yù)計(jì)未來(lái) 20 年內(nèi)可節(jié)省投資近千億美元 。智能電網(wǎng)技術(shù)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(dú)特的機(jī)遇,。

1.2 中國(guó)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(shù)國(guó)際會(huì)議 ” 上,，國(guó)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(shì),，到 2020 年,，中國(guó)將全面建成統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)結(jié)合基本國(guó)情和特高壓實(shí)踐,，確立了加快建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo),，即加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展,，具有信息化,、數(shù)字化、自動(dòng)化,、互動(dòng)化特征的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng),。國(guó)網(wǎng)公司將按照統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),、試點(diǎn)先行,、整體推進(jìn)的原則，在加快建設(shè)由 1000kV 交流和 ±800kV ,、 ±1000kV 直流構(gòu)成的特高壓骨干網(wǎng)架,，實(shí)現(xiàn)各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的同時(shí)，分階段推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展,。

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

2．堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與電子式互感器及電力一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)

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

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

我國(guó)特高壓骨干網(wǎng)架將由 1000kV 級(jí)交流輸電網(wǎng)和 ±800kV 、 ±1000kV 直流 直流系統(tǒng)構(gòu)成,。我國(guó)地域遼闊,，各大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)，大量的西電東送,，使國(guó)家大電網(wǎng)跨越了幾個(gè)時(shí)區(qū),。為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定,、可靠運(yùn)行,，對(duì)智能電網(wǎng)的研發(fā)，則是急迫和至關(guān)重要的任務(wù),。由于這種跨越幾個(gè)時(shí)區(qū)的特大電網(wǎng)存在大面積停電的危險(xiǎn),，而這種危險(xiǎn)大多涉及調(diào)度員處理是否得當(dāng)?shù)娜藶橐蛩兀?2003 年“ 8.14” 美加大停電事故,。為解決此問(wèn)題,，美國(guó)電力研究院（ EPRI ）最先提出以相量測(cè)量裝置 PMU ， Phasor Measurement Unit ） / 廣域測(cè)量系統(tǒng)（ WAMS ,， Wide Area Measurement System ）為基礎(chǔ)的突出自愈功能的智能電網(wǎng)概念,。它要求對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓相角測(cè)量快速而準(zhǔn)確。 20 世紀(jì) 80 年代同步相量測(cè)量的研究在美國(guó)已經(jīng)開始,，并成為廣域測(cè)量系統(tǒng)的一部分,。 1996 年夏季美國(guó)兩次大停電事故中， WAMS 進(jìn)行了較全面準(zhǔn)確的記錄,。 1997 年法國(guó)電力公司（ EDF ,， Electric de France ）也建設(shè)了基于 PMU 的協(xié)調(diào)防御控制系統(tǒng)。但是系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間卻很慢,，長(zhǎng)達(dá) 1.03s ,。 2003 年“ 8.14 ” 美加大停電事故更推進(jìn)了 WAMS 的建設(shè)。只要在全網(wǎng) PMU 合理化布點(diǎn)的基礎(chǔ)上（滿足可觀測(cè)性）,，就可對(duì)現(xiàn)代化大電網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)功角穩(wěn)定裕度監(jiān)視,；在線擾動(dòng)識(shí)別；分析電網(wǎng)的短路故障、機(jī)組振蕩與失步和系統(tǒng)電壓失穩(wěn)等,；利用實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)線功率和相對(duì)相角等參量的頻譜特性（特征頻率以及對(duì)應(yīng)的衰減因子）識(shí)別系統(tǒng)低頻振蕩；在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí),，實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)組間相對(duì)功角的暫態(tài)過(guò)程,；進(jìn)行發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行監(jiān)測(cè)；電壓動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定預(yù)報(bào),。以及實(shí)現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控等,。

為此， 在 PMU / WAMS 的基礎(chǔ)上就能實(shí)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(dòng)態(tài)安全評(píng)估,。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)危機(jī)之前就能立即提出網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、調(diào)整保護(hù)定值和穩(wěn)定補(bǔ)救等安全對(duì)策,。 [1]

文獻(xiàn) [1] 指出,，電網(wǎng)自愈功能的目標(biāo)是：“實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)行為，應(yīng)對(duì)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?gòu)木o急狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。其實(shí)現(xiàn)方法,，可概括為快速仿真決策,、協(xié)調(diào) / 自適應(yīng)控制和分布能源（ DER, Distributed Energy Resource ）集成等 3 個(gè)方面。”

2.2 對(duì)電子式互感器

（1）自愈性智能電網(wǎng)對(duì)電子式互感器的要求

自愈性智能電網(wǎng)要求高速和高準(zhǔn)確度的 PMU ,，這樣才能高準(zhǔn)確度進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)（如 I ,、δ I 、 U ,、δ U ,、 cos φ、 f ,、 P ,、 Q ）的測(cè)量 , 監(jiān)控電網(wǎng)的運(yùn)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(huì)引起電流測(cè)量極其不準(zhǔn)確,。從而使 PMU/ WAMS 的測(cè)量也不準(zhǔn)確，嚴(yán)重威脅現(xiàn)代化電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,，增加了繼保裝置的復(fù)雜性,；抗電磁干擾能力減弱；絕緣技術(shù),、體積,、質(zhì)量和價(jià)格都隨電壓等級(jí)的升高而越來(lái)越大；運(yùn)輸,、安裝和維護(hù)困難,；量測(cè)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(diǎn)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(zhǔn)確,，并將為現(xiàn)代化大電網(wǎng)的安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供關(guān)鍵的基礎(chǔ),。它也是電力一次、二次設(shè)備的完美結(jié)合,，解決了電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的“瓶頸”?，F(xiàn)代化大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制技術(shù)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(duì)電磁式互感器的升級(jí)換代,，而是現(xiàn)代化大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求,。

電網(wǎng)的安全運(yùn)行要求電力設(shè)備安全可靠。而據(jù)統(tǒng)計(jì),，電力設(shè)備平均每年有 1/3 的事故都是因?yàn)榛ジ衅魉?，如雷電季?jié)，打雷或閃電都有可能導(dǎo)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(shè)備， 它們擔(dān)負(fù)著電網(wǎng)的精確 “ 測(cè)量和計(jì)量 ” ,，以及故障 “ 監(jiān)測(cè) ” 的作用,。要求量測(cè)的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)高度精確；裝置本身應(yīng)具有相當(dāng)?shù)目煽啃?。它是為智能電網(wǎng) ,、數(shù)字化繼電保護(hù)、電網(wǎng)實(shí)時(shí) PMU ,、WAMS ,、電網(wǎng)快速狀態(tài)估計(jì)、電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控,、特高壓輸電線路的電暈測(cè)量,、電網(wǎng)實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度、諧波在電網(wǎng)中的應(yīng)用,、電網(wǎng)輸電阻塞的緩解（美國(guó)）,、解決輸電走廊問(wèn)題的分相輸電技術(shù)、實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障測(cè)距和緊湊型一次智能設(shè)備等提供可靠保證,。對(duì)現(xiàn)代電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備革命發(fā)揮重要的作用 ,。 因此，要求它必須具有高準(zhǔn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際電工委員會(huì)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織近年來(lái)也相應(yīng)頒布了有關(guān)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)以作為指導(dǎo),。 IEC61850 協(xié)議是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的依據(jù),。完全符合 IEC61850 協(xié)議的一次和二次數(shù)字化設(shè)備的研制和產(chǎn)品化是建設(shè)智能電網(wǎng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 IEC 6 1850-5-13 規(guī)定了變電站內(nèi)智能電子設(shè)備（ IED ,， Intelligent Electronic Device ）的同步標(biāo)準(zhǔn)以及電力系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)值的指標(biāo),，是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(biāo)必須依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn),。 IEC60044-7/8 標(biāo)準(zhǔn)也是電子式互感器制造檢測(cè)和招標(biāo)應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn),。我國(guó)于 2007 年 1 月正式頒布等同于 IEC60044-7/8 的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GT20840-7/8 ,，并于 2007 年 8 月 1 日起 實(shí)施,。 [3]

1）根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC6 1850-5-13 的要求，電子式互感器需為各種智能 IED 提供高準(zhǔn)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(shí)間應(yīng)為±1μs。[3],，[4]

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

3）IEC6 1850-9-1 對(duì) 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(duì)保護(hù)、測(cè)量等 IED 的輸出傳輸速率應(yīng)與 IED 的采樣率匹配,。根據(jù) IEC6 1850-5-13 的規(guī)定：保護(hù)裝置 IED 的采樣率為 480 ,、 960 和 1920 次 /s ；測(cè)量?jī)x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(duì)保護(hù)、測(cè)量等 IED 的輸出傳輸速率應(yīng)與 IED 的采樣率匹配,。 [3] ,， [5]

2.3 電力一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)對(duì)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的作用

目前，大電網(wǎng)的安全防護(hù)已與涉及自然和社會(huì)因素的災(zāi)害防護(hù)緊密相連,，因此大電網(wǎng)的安全防護(hù)受到了美國(guó)白宮科技政策辦公室和美國(guó)國(guó)內(nèi)安全部的重視,。美國(guó)政府已于 2007 年通過(guò)了《能源獨(dú)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(xiàn) [2] 在解釋智能電網(wǎng)的具體內(nèi)容時(shí)指出：“在輸電的每個(gè)元件（如開關(guān)、變壓器等）,、每個(gè)變電站和發(fā)電廠中皆設(shè)置一個(gè)具有堅(jiān)強(qiáng)的操作系統(tǒng)獨(dú)立的處理器（ processor ）,，也可用作獨(dú)立的代理器（ agent ），在這些處理器或代理器之間能進(jìn)行雙向快速通信,，從而形成一個(gè)巨大的分布式平臺(tái),。每個(gè)代理器必須與相應(yīng)元部件的傳感器連接，以評(píng)估其運(yùn)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(dú)立動(dòng)作的，又是彼此通信互連的,，可以進(jìn)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(duì)事故進(jìn)行處理后，從而達(dá)到自愈的效果,。由此可見,，電力一次設(shè)備的在線安全監(jiān)測(cè)裝置就是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自愈控制的智能代理器最基礎(chǔ)部分。電力一次設(shè)備的在線安全監(jiān)測(cè)裝置最初是為了對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行常規(guī)診斷,，后來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修,，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計(jì)劃?rùn)z修。當(dāng)然,，目前的在線安全監(jiān)測(cè),，還不是實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上,，若狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可信度大大提高,，并加快對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)頻率，就可逐步成為自愈智能電網(wǎng)的智能代理器,。這樣,，當(dāng)新型的傳感器、在線監(jiān)測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制出來(lái)后就可形成智能代理器,，從而加強(qiáng)電網(wǎng)的自適應(yīng)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(duì)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量速度和高準(zhǔn)確度與對(duì)電子式互感器的要求應(yīng)是一致的，甚至對(duì)某些數(shù)據(jù)的測(cè)量準(zhǔn)確度的要求更高,，如對(duì) 電暈損失的測(cè)量 , 其采樣率最好采用 250k 次 /s ,，相當(dāng)每周期（ 50Hz ） 采樣 5000 次。

在線監(jiān)測(cè)裝置主要是監(jiān)測(cè)電容型設(shè)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(guān)的泄漏電流及其他設(shè)備（如發(fā)電機(jī)放電）等,。 對(duì)變電站關(guān)鍵電力設(shè)備的電氣絕緣綜合在線監(jiān)測(cè)研究具有重要的意義，并要加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)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(yùn)行,，研發(fā)智能電網(wǎng)和進(jìn)行示范工程是急迫及至關(guān)重要的任務(wù),。

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

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