智能一次设备的设计规则探讨

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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，

6、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

7、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。针对上述问题，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

8、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，

9、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

10、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）

11、 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

12、，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

13、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，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

14、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

15、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

16、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

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