在线监测智能电子设备论文

2022-04-16

【摘要】随着智能电网建设的不断深入，电网运行的安全性和可靠性得到显著提升。借助网络通信技术以及在线监测技术，可以对电网设备运行状态进行实时监测，通过智能分析掌握设备运行状态信息，并对异常数据进行分析及时进行故障预警。鉴于此，本文对变电站二次设备在线监测系统的设计与实现进行详细分析。今天小编为大家推荐《在线监测智能电子设备论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

在线监测智能电子设备论文篇1：

变电设备在线监测技术与状态检修

摘要：当前，我国电力企业日益重视变电设备的在线监测与状态检修。加强变电设备在线监测与状态检修，能有效保障变电设备的安全可靠运行，并促进供电效率的大幅度提高。本文分析了变电设备在线监测技术、变电设备状态检修技术，及加强变电设备在线监测与状态检修的策略，以期为变电设备在线监测与状态检修提供借鉴。

关键词：变电设备；在线监测；状态检修

On Line Monitoring Technology and Condition Based

Maintenance of Substation Equipment

HUANG Junliang

当前，变电设备故障原因日趋复杂。对变电设备进行状态检修，要求尽量延长变电设备相应的检修周期，以促进变电设备潜力的充分发挥。对变电设备实施在线监测与状态检修，并对其检修周期进行正确推测，对变电设备的正常运行具有重要意义[1]。因此，有必要采取有效策略强化变电设备在线监测与状态检修，有效保障变电设备的使用安全。

1 变电设备在线监测技术

1.1 智能变电站在线监测系统概述

智能变电站在线监测系统是实现变电设备状态检修管理、提升变电专业生产运行管理精益化水平的重要技术手段，是智能变电站建设的一部分。智能变电站的在线监测系统包括对变压器、GIS、断路器、套管和避雷器等变电设备进行实时在线监测[2]。在软件系统和硬件结构上，系统采用先进的分层分布式系统结构，总体上分为2层：过程层和站控层。过程层安装在变电站现场的各种状态监测终端，在线完成电力设备状态的数据采集，站端状态监测平臺主要为一个软件系统，实现以下功能：统一使用IEC 61850对各种智能组件数据的采集，数据处理、分析、保存和诊断，对外提供统一的基于IEC 61850的通信接口，以及站内数据同远方数据平台的通信[3]。系统应用总线控制技术和模块化设计原理，使系统的扩展性、标准化和稳定性都得到提高，满足了工业现场实用的要求，以标准通信规约（I 1接口-IEC 61850）接收站内各类状态监测装置或状态监测代理的标准化状态信息，站端平台应符合数字化智能变电站通信标准设计的要求，并采用多种形式对采集的数据进行展现，便于及时了解并掌握变电设备的健康状态。

系统可实现对变电站电气设备状态的在线监测，进行数据采集、实时显示、诊断分析、故障报警和参数设置等[4]，实现电网变电站电气设备在线监测的系统化和智能化，使各级领导、专业人员能实时直观地了解和掌握电气设备的运行情况，对有异常状况的电气设备及时采取措施，避免事故。

1.2 变压器油中气体及微水在线监测

现场在线色谱仪通过管路与变压器的进出口阀连接即可工作，主变无须停电，实现对变压器油中7种故障组分（H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2）、油中总含气量及油中微量水分的连续检测，具有检测灵敏度高、分析周期短和实验室数据一致的特点。测试油样技术处理达到要求后再返回变压器本体，确保了返回油的质量，真正做到全过程无污染、无损耗。

1.3 变压器局放监测在线监测

使用特高频（UHF）传感器，安装在变压器箱体的油阀内，通过变压器壳体可有效屏蔽外部干扰，传感器耐高温、耐油、耐腐蚀，密封性好，可带电安装，可以无障碍地检测到变压器内部的局放源[5]。

1.4 铁芯及夹件接地电流在线监测

采用高精度及高稳定性的穿芯式零磁通电流传感器，对变压器铁芯对地的泄漏电流信号进行取样，通过对电流信号的运算和处理，剔除杂波干扰信号，得到实际接地泄漏电流信息。通过阈值判断、预测铁芯绝缘的健康状况。

1.5 GIS设备在线监测

采用特高頻（UHF）法监测，传感器具有密封和屏蔽结构的特点，分为内置式和外置式传感器，安装在GIS封孔盖内侧或绝缘子敞开边缘上，接收放电源传来的电磁波信号。传感器装有前置放大器与过压保护装置，能在各种恶劣的气候（温度、湿度）及现场的强电磁干扰、无线电波干扰和机械振动环境下运行，具有抗干扰能力强，灵敏度高（不低于5pC），性能可靠稳定的特点[6]。系统基于状态预警、跟踪测试、缺陷统计和自动诊断，达到及时发现GIS内部绝缘缺陷隐患与状态预警的目的，通过信息模式识别及故障类型诊断，实现局部放电故障点的准确定位。

1.6 断路器动作特性在线监测

对断路器的状态监测分2个方面：机械状态监测和电寿命监测。断路器机械状态监测主要监测其传动机构和储能电机，对储能电机的监测针对储能电机的日储能次数、单次储能时间长短。对断路器电寿命的监测建立在触头累计磨损量模型的基础上，将电寿命与机械状态、电量和非电量的监测相结合，对高压断路器的在线监测和故障诊断具有很好的效果。

1.7 避雷器及容性设备在线监测

避雷器的绝缘性能采用泄漏电流及阻性电流的增长率阈值作为判断依据。容性设备主要指电流互感器、电容性电压互感器、耦合电容器等[7]，容性设备的绝缘性能采用泄漏电流、介损及电容量的增长率阈值作为判断依据。传感器的信号取样采用穿芯结构的有源零磁通设计技术。

2 变电设备状态检修技术

2.1 常见的检修方式

变电设备状态检修主要包括以下3种检修方式。①事故检修方式。该检修方式是指当事故发生后，对变电设备实施进行检修，仅能实现弥补性维修。在对变电设备事故进行检修的过程中，若电力设备规模相对较小，事故仅对电网造成局部性影响，且用户未对用电质量提出较高要求，可采用该检修方式。当前，电网规模日益扩大，且自动化程度显著提高，变电设备故障会严重阻碍电网的正常运行。另外，用户对用电质量提出了较高要求，事故检修方式呈现显著的滞后性。②定期检修方式。该方式是指将变电设备呈现的运行情况作为依据，对变电设备实施等级划分，并制订具有较强针对性的检修计划，对检修周期进行科学设定，定期对变电设备进行检修，实现对设备事故的有效预防。此类检修方式有助于准确掌握变电设备的运行状态，但可能引发对变电设备的重复和过度检修。③状态检修方式。该方式是指借助先进性较强的监测技术，实时监控变电设备相应的运行状态，并对其进行科学评价，实现对变电设备实时运行状态的全面掌握，并在此基础上采取有针对的检修措施[8]。

2.2 状态监测

通过状态监测技术，能实现对变电设备实际运行工况的实时掌握，进而有效避免电力系统出现各类突发状况。状态监测技术，是借助在线监测技术及相关系统实施，对变电设备各系统如信息管理及分散控制等的全程监测，获取变电设备在实际运行状态下呈现的各项参数，并将其与变电设备相应的参考参数对照，进而分析变电设备的运行状态是否正常，实现对变电设备运行状态的有效监控。

2.3 状态预测

状态预测技术是指当变电设备异常现象发生前，将变电设备正常运行状态作为依据，并参照相关人员的实际工作经验，实现对变电设备相应特征向量的准确预报，并对报警阀值进行合理设置，实现对变电设备状态的有效预测。

2.4 故障诊断

对变电设备进行故障诊断，主要采用以下2种方法。①综合法。综合法是对变电设备相关数据进行采集，实现对变压器相应的绝缘状态及运行温度等状况的准确了解，对变电设备相应的开关检测、离线、系统传输等数据进行收集，并对收集的数据进行科学分析和系统整理，进而从整体上对变电设备运行状态进行科学判断，借助认证系统实施匹配，实现对变电设备故障具体位置和实际范围的有效确定。②比较法。比较法是借助振动诊断、射线诊断等方式对数据结果进行获取，并对获取的前后数据结果实施比较，当前后数据结果呈现的差异较大时，表明变电设备运行状态出现异常。

3 加强变电设备在线监测与状态检修的策略

3.1 构建系统完善的变电设备状态检修保证体系

电力企业要针对变电设备状态检修构建系统完善的保证体系，增强变电设备状态检修步骤及相关作业流程的规范性，并明确各岗位的具体职责，秉承以人为本的原则构建变电设备状态检修模式，有效增强变电设备状态检修安全管理[8]。同时，电力企业要针对变电设备状态检修制定配套的验收制度，并设置验收管理的具体部门，负责对变电设备实施自检、初检及预验收，有效保障变电设备的检修质量。另外，要制定相应的变电设备隐患排查治理制度。

3.2 充分应用计算机辅助技术

变电设备状态检修涉及诸多环节，且变电设备故障原因多样化，仅凭人工检修的方式，难以及时对变电设备故障类型进行准确判定。因此，要加强计算辅助技术在状态检修中的应用，具体可从以下方面着手[9]。①对变电设备进行状态检修前，借助计算机辅助技术合理制订变电设备状态检修的具体计划，针对变电设备状态检修构建相应的管理平台，增强状态检修的合理性。②借助计算机辅助技术深入分析变电设备状态检修的相关数据，并制订科学的变电设备状态检修的具体方案。

3.3 优化变电设备状态检修方案

要将变电设备相应的在线监测具体状态和相关试验的实际状况作为依据，对变电设备状态检修的具体时间进行合理安排，并对变电设备状态检修的具体方案进行科学评估，在有效保障变电设备正常运行的基础上对变电设备状态检修的具体方案进行优化。

3.4 提高变电设备状态检修人员的技术水平

电力企业要加强对变电设备状态检修人员的技术培训，有效提高变电设备状态检修人员的技术水平，为变电设备状态检修的各项工作提供有效保障[10]。变电设备状态检修人员要深入学习变电设备的具体构造、相关试验方法，严格遵循相关技术规范的具体要求，灵活运用变电设备状态检修的各项技术，秉承实事求是的原则，对变电设备故障问题进行科学分析，并采取针对性和有效性的故障诊断措施和故障解决措施，有效提升变电设备状态检修效果。

4 结语

通过构建系统、完善的变电设备状态检修保证体系，充分应用计算机辅助技术、优化变电设备状态检修方案，提高变电设备状态检修人员的技术水平等策略，有助于对变电设备的在线监测技术和状态检修技术进行灵活应用，提高变电设备在线监测与状态检修质量，有效保障变电设备的安全可靠运行，降低各类安全事故的发生概率，有效保障供电安全。

参考文献：

[1]殷志良.基于IEC61850的变电站过程总线通信的研究[D].北京：华北电力大学，2005.

[2]谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC6185介绍[J].电网技术，2001（9）：8-15.

[3]徐敏，王钢，王智东.基于IEC 61850标准的电抗器保护建模方法[J].电网技术，2008（1）：84-86.

[4]杨刚，杨仁刚，郭喜庆.嵌入式以太网在变电站自动化系统智能化电气设备上的实现[J].电力系统自动化，2004（3）：74-76.

[5]李映川，王晓茹.基于IEC61850的变电站智能电子设备的实现技术[J].电力系统通信，2005（9）：58-60.

[6]罗四倍，黄润长，崔琪，等.基于IEC 61850标准面向对象思想的IED建模[J].电力系统保护与控制，2009（17）：88-92.

[7]王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京：清华大学出版社，2006.

[8]张晓春.变电站综合自动化[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]刘慧娟.浅谈变电设备在线监测技术与状态检修[J].电子测试，2017（21）：102-103.

[10]林小明.变电设备在线监测技术及状态检修的研究[D].北京：华北电力大学，2015.

作者：黄君樑

在线监测智能电子设备论文篇2：

变电站二次设备在线监测系统的设计与实现

【摘要】随着智能电网建设的不断深入，电网运行的安全性和可靠性得到显著提升。借助网络通信技术以及在线监测技术，可以对电网设备运行状态进行实时监测，通过智能分析掌握设备运行状态信息，并对异常数据进行分析及时进行故障预警。鉴于此，本文对变电站二次设备在线监测系统的设计与实现进行详细分析。

【关键词】变电站二次设备监测系统

引言：

变电站主要负责对电能进行交换和分配，是电网系统的核心环节，随着经济的快速发展，我国电网规模不断扩大，为了能将电能均匀稳定的分配到各个地方，变电站的作用就显得尤为重要。变电站中主要电力设施，包括：配电装置、变压器、自动保护装置、补偿装置和通信设施，通过设备之间的共同作用，实现对电流和电压的集中交换和分配。因此，变电站的运行状况对电能输送的质量有着非常重要的影响。为了确保变电站安全、稳定的运行，引入二次设备对变压器、断路器等负责电能输送和分配的高压电气设备进行监测和控制。二次設备的有效调节为变电站的平稳运行提供大力支持。在智能化技术高度普及的今天，电网建设也全面进入智能化时代，其中变电站的智能化演进成为重要环节。

通过现进的数字化、智能化设备全方位打造智能化的管理平台，借助网络实现对变电站设备的信息采集和管理，传统依靠人工检修的方式不仅对安检人员的技能水平要求较高，而且耗费精力较大。因此，需采用智能化管理技术，对变电站二次设备进行在线诊断和预警，提升二次设备的防护效率。

一、系统作用及影响评价

电网建设已经全面进入智能化时代，智能变电站可以有效确保电力系统安全、平稳的运行。智能变电站通过数字化、通信平台网络化、确保电力系统安全可靠的运行，高度可靠性是变电站运行的基本要求。伴随着网络通信技术、电子传感器技术、在智能变电站中普及运用，智能变电站二次设备，通过建立监测系统，对二次设备的电流、电压保护单元进行监控，掌握设备运行的状态，对异常情况进行有针对性的部署。通过计算机实现电网自动化调度、控制，信息共享，主要由数据采集单元、数据处理单元、二次设备在线监测单元构成，实现智能变电站在线故障诊断和预警功能。智能变电站包括合并单元、保护装置、智能终端、过程层交换机、保护系统，为智能变电站二次设备运行提供帮助。

变电站二次设备能接收装置保护动作、告警信息、监测信息，在线分析，在数据采集过程中主要针对二次设备的开关变位信息、保护配置信息、故障记录信息内存使用、网络连接以及运行状态信息等。变电站二次设备在线监测系统通过过程层和间隔层采集二次设备各项参数和实时数据信息，然后将数据传递至数据库中，系统结合数据库建立模型，通过智能分析算法确定二次设备的故障点以及故障类型并进行有效的状态预警

二、变电站二次设备在线监测系统设计

变电站二次设备在线监测系统的核心功能是故障诊断和预警，通过智能化传感器和监测设备，可以实现二次设备状态信息的实时采集，通过可视化管理对设备故障进行准确定位和预警，数据库功能可以实现海量实时数据的高效存储，通过数据分析建立设备的健康档案，模拟设备运行的工况，综合分析二次设备运行的异常情况.变电站二次设备在线监测系统通过采集设备运行的状态信息，利用专家诊断系统实现对二次设备的在线诊断和监测。变电站二次设备在线监测系统结构如下图1所示。

2.1系统设计

变电站二次设备在线监测系统主要是负责对二次设备运行状况进行在线故障诊断和预警，对设备电流、电压状况以及保护开关动作进行在线监控，准确掌握二次设备的工况条件，并且通过软件分析模拟设备运行过程中发生的故障，通过有效预判切断故障发生的途径，最大限度地提升设备故障造成的停电事故。

变电站二次设备在线监测系统，利用智能化平台对电网二次设备进行调度和控制，系统设计满足自动化、集成化、共享化和可视化要求。使用统一的IEC61850通讯协议，在电网系统中所有设备都配备IEC 61850通信接口，便于进行数据的传输和远程控制功能。智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）中包含一个或者多个服务器，每个服务器本身又包含一个或者多个能进行逻辑运算的逻辑设备（Logical Device，LD）。在IEC61850通讯协议下，这些电子设备都可以进行数据的接受和传送。变电站二次设备在线监测系统在信息采集过程中将设备运行状态信息实时反馈给维护人员，掌握最新的状态信息，为二次设备的日常运营和维护提供决策帮助。

2.2可视化设计

变电站二次设备在线监测系统采用数据建模的方式，使用可视化软件将设备模型及设备之间的虚拟段子连线，映射到可视化软件界面，用户可以通过直观图形查看设备状态信息。

利用统一的IEC61850通信协议建立模型，然后借助可视化软件将设备模型中的关联机制映射到可视化界面。可视化技术的关键是通过JAXB与VTD-XML技术从SCD中将与信息流有关的逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性参数进行对应的映射。

作为智能站配件文件管控系统的扩展和具体应用系统。变电站二次设备在线监测系统以高可视化方式清晰展现二次系统的连接状态，可视化图像可以显示二次设备交流回路、跳闸回路、合闸回路、联闭锁回路的实时工况，管理员可以查看设备的状态信息和功能描述，将设备运行的状态信息以更加直观的图形进行展示，方便工作人员查找设备异常状况，及时采取有效的行动计划，通过有效的预判降低故障发生的概率，不仅可以提升设备的使用寿命，而且还可以最大程度的降低故障造成的损失，有效提升国家电网供电的可靠性和安全性。

2.3系统通讯设计

变电站二次设备在线监测系统使用基于IEC61850标准的通信接口，包括通信网络链路状态，物理链路信息，通信端口，现场监测的数据信息通过通信网络传输至主站。现场检测的数据信息与主站端充分利用站控层网络轻松实现信息互通，二次设备外部的数据可以通过网络保温监视和分析的方式获取。在客户端的逻辑访问节点中利用客户端的地址属性与包含在别的IED中的服务器建立关联。

变电站二次设备在线监测系统通过建立逻辑连接模型，寻找合适的子网和访问点命名，以及访问点和（一个或多个）物理访问点的关系可以建立物理结构的相互关联。通信系统的物理结构描述和维护不在SCL核心范围内。访问点间直接（链路层）通信的连接节点。在网桥层可包含路由器，但不在网络层。所有连接到同一子网上的访问点，可以与在同一子网上的其他访问点共用同一协议相互通信。用于此处的子网是逻辑概念。带不同高层网络通信协议的一些逻辑子网可用在同一物理总线上，使得在同一物理层上可以混合使用高层网络通信协议。

现阶段，国家电网的智能化建设已经进入发展成熟阶段，对于电网的智能化普及将是未来国家电网发展的主要方向。在智能化技术的帮助下，电网运行的安全性和可靠性将会大幅度提升，通过网络信息平台对电网设备的运行状态进行实时监测，建立设备运行的档案信息，对异常情况进行有效预判，不仅可以及时发现安全隐患，将故障造成的影响降到最低，而且还可以提升电网企业的用户体验，创造更大的经济效益。

近年来，智能电网发展速度越来越快，给变电站二次设备在线监测系统提供了广阔的发展空间，通过现代化的技术手段为电网的安全运行提供有效支持。

三、结束语

综上所述，由于电网规模不断扩大传统常规性设备监测方法显然已经满足不了电网安全运行的需要，会造成很大的经济损失和社会影响，再加上一些电力设备的故障不易于观察。

在智能电网发展的过程中，二次设备在线监测系统起到了非常重要的作用，其主要功能是确保电力设备进行的实时监控和电力网络数据的安全传输。尤其是在互联网時代，数据信息的传输、接收、共享主要依靠网络虚拟平台，随着电力系统自动化程度越来越高，电网工作对计算机依赖程度越来越大，这就使得电力系统的安全防护问题成为电力工作者关注的焦点问题。

智能化、标准化是变电站未来发展的主要趋势，以变电站二次设备在线监测系统为主的智能化管理系统可以将设备保护、故障检测、预警进行有效集成，最大限度地提升电网运行的安全性。

参考文献

[1]付建平，陈向东，陈明.基于湿度、水位和应变传感器的隧道突水模拟监测系统[J].电子设计工程.2018（10）

[2]吴俊杰，陈程，程林，江翼，韩钦，冯亮.基于模糊综合评价法的智能变电站二次设备状态评价研究[J].电测与仪表.2018（08）

[3]张旭泽，郑永康，康小宁，刘明忠，孟雷，陈迟.智能变电站继电保护系统所面临的若干问题[J].电力系统保护与控制.2018（06）

[4]王力军，周凯，吴迪，刘刚.基于风险传递网络的智能变电站二次系统风险评估[J].电力系统保护与控制.2018（06）

[5]刘琨，黄明辉，李一泉，陈志光，曾耿晖，刘玮，苏忠阳.智能变电站故障信息模型与继电保护在线监测方法[J].电力自动化设备.2018（02）

作者：李剑

在线监测智能电子设备论文篇3：

智能一次设备的设计规则探讨

【摘要】设计规则是企业占据产业制高点的强有力武器，针对当前国内一次设备智能化实施过程中发现的若干问题，基于现代模块化设计理论，以电力变压器为例，从智能组件各功能模块的成熟度、配置必要性、模块之间的内聚度等方面，探讨了智能一次设备的模块化设计方法；提出在当前的技术条件下将智能组件过程设备由对应的一次设备厂家集中采购和组屏；将变电站内的变压器、开关智能组件的间隔层设备由二次设备厂家以全站方式统一采购，有利于解决了智能组件在变电站自动化系统中结构不统一，功能界限划分不明确等问题，为智能一次设备设计规则的制定提供借鉴。

【关键词】设计规则；电力变压器；模块化；智能组件

0.引言

设计规则是现代模块化理论的关键，它由结构、界面和标准三个部分组成。结构确定哪些模块是系统的构成要素，它们是怎么样发生作用的；界面详细规定模块如何相互作用，模块相互之间的位置如何安排、联系，如何交换信息等；标准用于检验模块是否符合设计规则，测定模块的性能。设计规则的制定者往往就是产业标准的制定者，对企业来说，就意味着引领产业标准，占据产业制高点[1，2]。在经济全球化时代国际竞争的大背景下，对中国企业来说，控制标准已成为国际竞争最强有力的武器。1964年，IBM公司投入巨资，历时几年完成了360型模块化电脑的设计规则，赢得了市场的先机，导致硅谷计算机产业群的兴起。目前，我国在智能电网的建设中某些领域已走在世界的前列，而智能一次设备的设计规则在国内外还属于空白。对于我国的电力系统设备制造企业，特别是大型企业来说，应该抓住当前智能变电站建设的大好时机，投入人力物力强化顶层设计，将智能一次设备的设计规则牢牢掌握在自己手中，才能在未来激烈的市场竞争中占据有利位置，赢得主动权。本文探讨了智能一次设备的设计规则，以期抛砖引玉。

1.现状与不足

准确的说，目前国内基本上还处在一次设备智能化阶段，国外在智能开关设备领域已具有一些较成熟产品，如ABB公司研制的集测量、保护、控制于一体的真空断路器、EXK以及ELK型智能GIS、插接式开关系统PASS、另外，西门子、阿尔斯通、东芝等国际知名公司也具有相应的智能化GIS产品[3，4]。国内通过一次设备加传感器加智能组件的形式实现一次设备的智能化[5-7]，国内领先的一次设备厂家、二次设备厂家、高校以及在线监测厂家已积极开展合作，如由中国电科院组织发起的“智能高压设备技术合作研究组织”，联合平高电气、特变电工公司、清华大学、保定天威集团等共10家单位组成。该组织制定了“高压设备智能化技术导则”、“油浸式电力变压器智能化技术条件”、“高压开关设备智能化技术条件”等一系列标准，为智能变电站的建设发挥了重要作用。但在智能组件的实际工程实施发现存在若干问题，表现为以下几个方面：

（1）智能一次设备是跨领域的复杂系统，在制定相关标准时，智能组件的组成形式未能统一。“高压设备智能化技术导则”中对于变压器本体测量、有载调压控制、冷却系统控制和非电量保护等功能主张由控制参量测量IED（智能电子设备）、冷却装置控制IED、有载调压控制IED和非电量保护装置四个独立的装置来实现[8，9]， “智能变电站继电保护技术规范”主张将上述四项功能由变压器本体智能终端来实现[10]，二者的设备组成差别较大，接口要素不一样。易造成设计和施工的混乱。

（2）当前阶段，一次设备智能组件功能与变电站自动化系统、在线监测系统的功能界限划分不明确，对于智能组件中已有的测量、控制和监测功能是否意味着在变电站自动化系统招标中就不需要再招标测控等装置未明确，笔者在实际的工程实施中，就曾遇到过两套设备同时存在，造成一定程度的浪费和给设计、施工人员带来了一定的疑惑。很多一线的工作人员甚至认为智能组件就是在线监测。

（3）一次设备智能化将会朝着智能一次设备的方向发展。目前由于我们在传感技术、抗电磁干扰技术、材料与工艺等关键技术上面受到一定限制，未能将智能组件与一次设备集成在一起，而是采用智能组件柜的形式安装在一次设备附近。但是，未来的发展趋势将会是结构一体化，ABB公司的智能开关设备就已经为我们指明了方向。所以我们的智能组件在结构形式上不应是各功能IED和屏柜的堆砌，而应是朝着功能集成、结构紧凑的方向发展。在标准制定时应具有一定前瞻性。

针对上述問题，究其原因，是智能一次设备进行模块化设计时，智能组件的各模块边界划分不清晰，对于智能组件如何模块化，模块化到什么程度缺少科学的分析。下文将以电力变压器为例，探讨智能一次设备的设计规则。

2.智能电力变压器的功能模块及其相互关系分析

模块化理论是解决复杂系统的有效方法，设计规则是模块化理论的核心思想。对于复杂系统，依据“由上而下”的设计原则，应首先厘清系统的“骨骼”和“脉络”。笔者对变压器智能组件的功能模块其进行了分类和归纳，如图1所示（矩形框为智能组件的必选功能，椭圆为可选功能）。智能组件按照智能变电站的层次分为过程层和间隔层，间隔层的必配功能包括：变压器保护、测控、非电量保护；间隔层的可选功能包括：冷却系统智能控制、状态诊断及评估功能；过程层的必选功能包括：油温及环境温度测量、气体继电器及压力释放信号测量、油位及档位信号测量、有载分接开关与冷却系统控制功能，过程层的可选功能分为：风扇电机电流电压监测、铁心接地电流监测、油色谱及微水监测、振动与噪声监测、套管绝缘监测和直流偏磁监测等。各侧负荷电流及中心点电流往往由开关智能组件的合并单元采集，在智能变电站中变压器智能组件一般不重复采集，通过光纤以太网直接获取，智能变电站中笔者将其划分在变压器智能组件之外。

图1中展示了间隔层功能模块与过程层功能模块之间的作用关系。间隔层的必选功能与过程层的必选功能内聚度较大（功能稳定），与过程层的可选功能耦合度小；过程层可选功能风扇电机电流电压监测及铁心接地电流（多点接地，影响油温）均与冷却系统智能控制有关，其内聚度较大。间隔层的状态诊断及评估功能与所有的过程层功能模块都有关系，从状态诊断及评估的角度来说，信息越丰富，诊断的结果越准确。过程层的各项信息对状态诊断来说是相互印证，相互补充的关系[11]，所以对于状态诊断及评估模块来说，过程层各可选功能模块之间的耦合关系都属于松耦合关系，从目前的技术成熟度及诊断的准确性来说，除了过程层的必选项目，与铁心接地电流和油色谱监测内聚度较大。

3.模块划分及其结构与接口设计探讨

设计规则规定了系统的结构和模块间的接口，它的优点是在不影响系统（整机）的功能和性能的前提下，为模块的创新和竞争提供最大的自由度，这对于智能组件各模块的创新和发展是非常有利的。根据图1中所示的各功能模块，对于哪些模块可以组合，哪些模块应该独立配置，接口及结构如何设计更为合理，对于何种设备采购方式更有利于未来智能一次设备的发展趋势，下文将逐一进行探讨。

对于接口的选择模块化理论的观点是：模块分解点应选择在模块的内聚度大（功能稳定）、耦合度小（接口简易）的部位，同时接口应保持稳定。本文从各功能模块的成熟性、配置必要性、模块之间的内聚度及组合的可行性等方面着手，对智能组件的功能进行模块划分。

3.1必配功能的模块化设计

对于变压器的过程层必配功能：变压器的测量、冷却系统控制、有载调压控制、非电量保护以及本体信息交互功能，笔者从模块化理论出发，认为上述功能采用智能终端的方式来实现较合理，理由如下：

（1）测量IED、冷却系统控制、OLTC控制、非电量保护均为必选功能，总体功能稳定，同时与多个间隔层功能模块有作用关系，内聚度较大，如集成在一起，可简化接口和网络架构。

（2）智能终端技术成熟，且符合智能一次设备的功能集成，结构一体化的特征[12，13]，有利于一次设备智能化向智能一次设备的过渡；

对于变压器的必配间隔层设备，由于过程层智能终端的存在，本体测控装置的功能已弱化，在智能变电站的设计中，本体测控的功能一般可由高压侧测控装置来实现。按照智能组件面向对象的设计原则，将本体测控功能并入变压器保护装置是未来的发展趋势[14]。

3.2可选功能的模块化设计

可选功能模块由于在实际工程应用中配置的不确定性，加上各功能模块的成熟度不一致，测量的原理不尽相同，所以对于间隔层和过程层的可选功能模块保持独立较合理。考虑到铁心接地电流监测和风扇电机电流电压监测同时与冷却系统智能控制功能有作用关系，加上其测量原理相近，且技术都较成熟，内聚度较大，可将其组合成“交流信号监测装置”，设计时可采用模块化设计方法，应用时其功能可灵活配置。

3.3接口标准

DL/T860标准为智能组件各模块的通信接口标准化和互操作奠定了基础，在此基础上，文献[15]补充规定了在线监测装置的接口，文献[10]、[16]定义了智能终端和合并单元的接口，在智能变电站的建设过程中，上述接口已逐渐趋于统一，本文就不再详细论述。

3.4结构设计

变压器智能组件的结构包括各种装置的结构及其组屏方式。保护、测控以及智能终端装置从目前各主流设备厂家产品趋于4U结构机箱，各种在线监测装置由于其测量原理的不同其结构相对而言差别较大，相比自动化系统，在线监测系统厂家分布较广，且还处于逐步成熟的阶段，今后还有待进一步规范。本文重点将探讨智能组件的组屏方式。从目前智能组件的组屏方式来看，分为一次设备厂家的户外端子屏、在线监测厂家的在线监测屏和二次设备厂家的二次设备屏。总的来说，屏柜数量偏多，且每个屏上的安装空间未充分利用，有的屏甚至只装了一个4U的机箱，造成屏柜和土地资源的浪费。针对上述现象，本文提出以下观点：

（1）将智能组件的过程层设备统一由一次设备厂家集中组屏，过程层设备与一次设备之间的接线和安装联系紧密，如智能终端与变压器之间存在电缆的连接，各在线监测设备传感器的安装及信号采集也是与变压器密切相关，未来这一层设备有与一次设备结构上紧密结合的趋势，如图2所示。统一集中组屏可以解决智能组件的分散状态，实现变压器的所有信息就地数字化输出。在变压器招标时，可按照表1明确其智能化的项目，统一组屏和调试。同时，这种跨领域的技术集成有利于智能组件的技术创新，为我国在该领域引领产业发展创造条件。

（2）智能组件的间隔层设备由二次设备厂家集中采购组屏，间隔层设备承担着保护、智能控制、诊断等高级应用功能，目前二次设备的组屏大多还是安装在小室内，且属于变电站自动化系统招标范畴，一般是面向整个变电站进行招标，而不是针对某个一次设备，所以将二次设备集中起来由二次设备供应商集中组屏、安装，如图2所示。

按照上述划分，智能组件的模块划分明确，不存在重复情况，而且结构紧凑，节省资源，各模块之间接口明确，满足互操作的要求。

4.结语

智能一次设备是跨专业领域的新生事物，智能组件的相关标准制定不能各自为政，应强化顶层设计，依据模块化设计理论，尽早制定出智能一次设备的设计规则，方能确保国内各产业在国际上的主导地位[17]。针对目前国内各专业相对分散的实际情况，应不断完善和修订相关标准，明确各模块接口及功能定位。各产业公司应发挥各自优势，使自身成为智能一次设备产业链中的一部分，对于智能一次设备的功能集成、结构一体化以及智能一次设备的创新具有重要意义。 [科]

【参考文献】

[1]童时中.模块化研究及实践的现状和发展[J].电子机械工程，2011，27（2）：1-8.

[2]卡麗斯·鲍德温、金·克拉克。设计规则：模块化的力量[M].北京：中信出版社，2006.

[3]杨丽徙，曾新梅，刘蓉.变电站电气一次设备智能化问题的研究综述[J].高压电器，2012，48（9）：99-103.

[4]王勇，梅生伟，何光宇.变电站一次设备数字化特征和实现[J].电力系统自动化，2010，34（13）：94-97.

[5]国家电网公司.Q/GDW383-2009智能变电站技术导则[S].北京：中国电力出版社，2009.

[6]张斌，倪益民，马晓军等.变电站综合智能组件探讨[J].电力系统自动化，2010，34（21）：91-94.

[7]张斌，卢萍，黄国方等.变压器智能组件设计方案[J].电力系统自动化，2012，36（19）：85-89.

[8]国家电网公司.Q/GDW410-2010高压电器设备智能化技术导则[S].北京：中国电力出版社，2010.

[9]国家电网公司.Q/GDW441-2010智能变电站继电保护技术规范[S].北京：中国电力出版社，2010.

[10]国家电网公司.Q/GDW428-2010智能变电站智能终端技术规范[S].北京：中国电力出版社，2010.

[11]刘有为.智能电力变压器信息流方案的设计[J].电网技术，2011，35（1）：1-4.