引言
智能電網(wǎng)已經(jīng)成為未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向和當(dāng)今電力技術(shù)的熱點(diǎn)。智能電網(wǎng)的特點(diǎn)是自愈、安全、經(jīng)濟(jì)、清潔、優(yōu)質(zhì)，其主要特征是互動(dòng)、自適應(yīng)。目前智能電網(wǎng)的定義各國(guó)雖有不同，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)也不同，但其共同的目標(biāo)是要建設(shè)一個(gè)堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)，提高服務(wù)水平。例如美國(guó)GRID2030計(jì)劃從三個(gè)方面來(lái)達(dá)到目標(biāo)，一是提高電網(wǎng)的可靠性，二是降低電網(wǎng)運(yùn)行的損耗，三是充分利用可再生能源。
智能電網(wǎng)發(fā)展方向是“一次”與“二次”系統(tǒng)的融合，其追求的功能目標(biāo)是智能化、自適應(yīng)，追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)是綜合建設(shè)成本最低，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最低。從配電網(wǎng)的角度來(lái)講，要提高用戶的用電質(zhì)量，必須實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高度自動(dòng)化以及和用戶之間的互動(dòng)。
全面提升配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)和控制的智能化水平。目前主電網(wǎng)的監(jiān)控手段已經(jīng)非常先進(jìn)，如光纖通信、無(wú)人值守變電站、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等，但是配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)控制水平還較差。配電網(wǎng)需要加強(qiáng)末端的信息采集以及末端配電設(shè)備的控制，從而使配電網(wǎng)達(dá)到可觀可控的狀態(tài)。美國(guó)目前在底特律等三個(gè)城市進(jìn)行“百萬(wàn)級(jí)節(jié)點(diǎn)”配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的試點(diǎn)工作，該系統(tǒng)能夠使處于配電網(wǎng)末梢的每個(gè)用戶信息都處于“可觀”狀態(tài)。
在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，變壓器是重要設(shè)備，它直接和用電設(shè)備連接，分布廣、數(shù)量多，容量大，總損耗（變壓器損耗，用電設(shè)備損耗）大。配電變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和降低損耗（降低變壓器損耗和用電設(shè)備損耗）對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展的影響重大。隨著電力自動(dòng)化技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力設(shè)備智能化方面有了良好的技術(shù)支撐。變壓器控制技術(shù)也在不斷提高和發(fā)展，這也為智能變壓器的發(fā)展提供了有利的條件。本文拋磚引玉，針對(duì)變壓器尤其是配電網(wǎng)變壓器論述了智能變壓器的構(gòu)成、功能及發(fā)展趨勢(shì)。
1 智能變壓器的構(gòu)成
智能變壓器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和通信技術(shù)和變壓器技術(shù)不斷融合的結(jié)果。它主要由如下幾個(gè)部分組成：
1）變壓器基本部件；
2）智能控制部件；
3）主控單元；
4）傳感、檢測(cè)、傳輸裝置；
1.1 變壓器基本部件
變壓器的基本功能是電壓變換，因此其基本部件必須具備這一功能。變壓器有油浸、干式等不同的結(jié)構(gòu)之分，有鐵芯與非鐵芯、硅鋼片與非晶合金等不同的材料選用，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合需求。
1.2智能控制部件
變壓器作為電網(wǎng)輸配電的重要環(huán)節(jié)，在進(jìn)行電壓變換的同時(shí)，也應(yīng)具有電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)控制等功能，這要依靠?jī)?yōu)良性能的控制部件來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)方式，分無(wú)載調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種，即通過(guò)無(wú)勵(lì)磁開(kāi)關(guān)或者機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)等控制部件實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)壓。由于機(jī)械式有載開(kāi)關(guān)壽命低、可靠性差，切換有電弧，因此實(shí)際使用效果不能滿足電壓調(diào)節(jié)快速、可靠動(dòng)作的要求。目前，一種用于配電網(wǎng)的光控電子式有載分接開(kāi)關(guān)已經(jīng)研發(fā)成功，其可頻繁動(dòng)作、壽命長(zhǎng)、快速響應(yīng)、無(wú)電弧、可分相操作的良好技術(shù)特性為電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了良好的實(shí)現(xiàn)手段。
1.3主控單元
作為變壓器智能核心，應(yīng)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理、通信、存儲(chǔ)功能。對(duì)變壓器運(yùn)行參數(shù)例如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并根據(jù)控制原則實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控功能。在變壓器供電回路出現(xiàn)故障時(shí)還應(yīng)及時(shí)報(bào)警，為檢修人員快速定位和處理故障提供良好的幫助。
1.4傳感、檢測(cè)、傳輸裝置
傳感檢測(cè)裝置部分采用模塊化、組合式結(jié)構(gòu)、具有體積小、配置靈活、安裝方便的特點(diǎn)。通過(guò)它，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變壓器系統(tǒng)的智能通信并可以傳輸信號(hào)給靈活控制部件如新型光控電子式有載分接開(kāi)關(guān)穩(wěn)定或調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行。通信接口規(guī)約應(yīng)采用開(kāi)放性規(guī)約，符合IEC61860國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。接口采用電口或者光口，滿足高速通信和可靠通信的要求。
2 智能變壓器的功能
變壓器應(yīng)具有變壓傳輸電能、穩(wěn)定電壓的基本功能。智能變壓器相比于常規(guī)的變壓器，其智能化主要體現(xiàn)在：具有良好的通信接口、信息管理、狀態(tài)診斷與評(píng)估，運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警功能并與配網(wǎng)SCADA系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)、負(fù)荷控制功能，具有其它高級(jí)功能例如良好的自適應(yīng)能力優(yōu)化運(yùn)行實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定和自動(dòng)補(bǔ)償功能；各部分的功能簡(jiǎn)單描述如下：
通信接口：采用電口RS485/RS232或者光纖口，通信規(guī)約應(yīng)符合IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；
信息管理：記錄設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，為檢修和設(shè)備管理提供信息；
狀態(tài)診斷與評(píng)估：智能在線監(jiān)測(cè)、故障診斷，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，減少人力維護(hù)成本，提高設(shè)備可靠率；
運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警：實(shí)現(xiàn)遙信遙測(cè)遙控功能，并實(shí)時(shí)發(fā)送運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障報(bào)警信息；主要處理的數(shù)據(jù)有：電流、電壓、有功、無(wú)功、功率因數(shù)、溫度、變壓器使用壽命計(jì)算以及其它必要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；
保護(hù)功能：對(duì)于內(nèi)部器件損壞引起的故障應(yīng)有完善的保護(hù)并與系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行接口通信，實(shí)現(xiàn)保護(hù)智能化。一般采用提供交直流通用的干接點(diǎn)方式；
運(yùn)行控制功能：具有優(yōu)化運(yùn)行，靈活控制及自適應(yīng)能力：
例如實(shí)現(xiàn)智能溫控、電壓自動(dòng)調(diào)整、無(wú)功補(bǔ)償控制、可按照負(fù)荷情況選擇變壓器運(yùn)行方式、按照最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線運(yùn)行實(shí)現(xiàn)損耗最低。
3 智能變壓器的發(fā)展趨勢(shì)
智能變壓器的發(fā)展與自動(dòng)化控制水平、器件及材料的發(fā)展是密切相關(guān)的。有幾種發(fā)展的的路線：
3.1采用組合集成技術(shù)形成智能組合式變壓器
從單一只具有變電功能的變壓器，向帶有強(qiáng)迫風(fēng)冷、功率計(jì)量、計(jì)算機(jī)接口等多功能組合式變壓器發(fā)展；采用新型電子式有載分接開(kāi)關(guān)，引入智能化接口，具有數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)控制、優(yōu)化運(yùn)行、狀態(tài)顯示等功能，從而使變壓器成為一種多功能智能化、隨時(shí)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)的電氣設(shè)備
3.2 采用電力電子技術(shù)形成智能萬(wàn)用變壓器(IUT)
電力電子學(xué)器件用于電力拖動(dòng)、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)。近年來(lái)，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力的一次系統(tǒng)?？煽毓瑁ňчl管）用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。近年來(lái)大功率電子器件已經(jīng)應(yīng)用于靈活的交流輸電（FACTS）、定制電力技術(shù)（Custom Power）以及新一代直流輸電技術(shù)。采用電力電子技術(shù)制造的變壓器稱為“智能萬(wàn)用變壓器”。它的實(shí)質(zhì)可以說(shuō)是一種用于配電系統(tǒng)的多功能變換器。不同于傳統(tǒng)的線圈式變壓器，它是基于電力電子技術(shù)（由多級(jí)逆變器組成）的變壓器。作為美國(guó)EPRIADA項(xiàng)目中的一個(gè)基礎(chǔ)性的裝置，IUT已接近市場(chǎng)化。見(jiàn)于報(bào)道的IUT的額定功率為20kV?A,輸入相電壓為2.4kV,輸出的額定電壓為120V/240V。
IUT集電壓變換、頻率變換、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、電能質(zhì)量控制、不間斷電源等功能于一身。它是采用先進(jìn)的電力電子系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)配電變壓器的電磁結(jié)構(gòu)。同傳統(tǒng)變壓器相比，它將為系統(tǒng)運(yùn)行提供眾多的好處，例如，可實(shí)現(xiàn)功能模塊化，減少了備品備件種類和數(shù)量。它消除了危險(xiǎn)的液體介質(zhì)，可以為用戶提供可選擇的服務(wù)項(xiàng)目（如直流或其它頻率的電力），可改變接線組別，容許從一條單相線路上傳遞三相功率，當(dāng)需要時(shí)，可以用來(lái)作為開(kāi)斷潮流的可控開(kāi)關(guān)、具有調(diào)壓和諧波過(guò)濾功能，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的電壓調(diào)節(jié)和解決其它電能質(zhì)量問(wèn)題，甚至它可以起到短時(shí)間儲(chǔ)能、可以用作配電自動(dòng)化設(shè)備的傳感器。而且，該種變壓器耗用資源少，加工簡(jiǎn)單，屬于低碳成本的產(chǎn)品，符合低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。
IUT有兩種設(shè)計(jì)方案，即混合設(shè)計(jì)方案和全固態(tài)方案?；旌显O(shè)計(jì)方案仍然有傳統(tǒng)的變壓器，高壓側(cè)沒(méi)有電力電子組件，只是在低壓繞組接入電力電子組件。由于還保留了傳統(tǒng)的變壓器，一些重要的功能還不能實(shí)現(xiàn)。全固態(tài)方案是用電力電子組件完全取代傳統(tǒng)的變壓器，構(gòu)成不同的AC/DC、AC/AC變換器。
4 結(jié)束語(yǔ)
智能電網(wǎng)屬于低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，通過(guò)提高電力使用效率能夠間接降低碳排放量。隨著環(huán)保要求的不斷提高以及電力自動(dòng)化技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變壓器制造也將向低碳的標(biāo)準(zhǔn)提出更高的要求，變壓器設(shè)計(jì)生產(chǎn)中引入電力監(jiān)測(cè)技術(shù)、電力電子技術(shù)、電力通信技術(shù)、新材料新工藝以及“一次”與“二次”融合的設(shè)計(jì)思想并推進(jìn)變壓器智能性的不斷提升是必然的趨勢(shì)。智能型變壓器必將以其高性能、低功耗、多功能的優(yōu)異性能適應(yīng)智能電網(wǎng)的要求，變壓器行業(yè)也將走上低碳經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展道路上來(lái)。
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