智能一次設備的設計規則探討

張斌　李欣

【摘 要】設計規則是企業占據產業制高點的強有力武器，針對當前國內一次設備智能化實施過程中發現的若干問題，基于現代模塊化設計理論，以電力變壓器為例，從智能組件各功能模塊的成熟度、配置必要性、模塊之間的內聚度等方面，探討了智能一次設備的模塊化設計方法；提出在當前的技術條件下將智能組件過程設備由對應的一次設備廠家集中采購和組屏；將變電站內的變壓器、開關智能組件的間隔層設備由二次設備廠家以全站方式統一采購，有利于解決了智能組件在變電站自動化系統中結構不統一，功能界限劃分不明確等問題，為智能一次設備設計規則的制定提供借鑒。

【關鍵詞】設計規則；電力變壓器；模塊化；智能組件

0.引言

設計規則是現代模塊化理論的關鍵，它由結構、界面和標準三個部分組成。結構確定哪些模塊是系統的構成要素，它們是怎么樣發生作用的；界面詳細規定模塊如何相互作用，模塊相互之間的位置如何安排、聯系，如何交換信息等；標準用于檢驗模塊是否符合設計規則，測定模塊的性能。設計規則的制定者往往就是產業標準的制定者，對企業來說，就意味著引領產業標準，占據產業制高點[1，2]。在經濟全球化時代國際競爭的大背景下，對中國企業來說，控制標準已成為國際競爭最強有力的武器。1964年，IBM公司投入巨資，歷時幾年完成了360型模塊化電腦的設計規則，贏得了市場的先機，導致硅谷計算機產業群的興起。目前，我國在智能電網的建設中某些領域已走在世界的前列，而智能一次設備的設計規則在國內外還屬于空白。對于我國的電力系統設備制造企業，特別是大型企業來說，應該抓住當前智能變電站建設的大好時機，投入人力物力強化頂層設計，將智能一次設備的設計規則牢牢掌握在自己手中，才能在未來激烈的市場競爭中占據有利位置，贏得主動權。本文探討了智能一次設備的設計規則，以期拋磚引玉。

1.現狀與不足

準確的說，目前國內基本上還處在一次設備智能化階段，國外在智能開關設備領域已具有一些較成熟產品，如ABB公司研制的集測量、保護、控制于一體的真空斷路器、EXK以及ELK型智能GIS、插接式開關系統PASS、另外，西門子、阿爾斯通、東芝等國際知名公司也具有相應的智能化GIS產品[3，4]。國內通過一次設備加傳感器加智能組件的形式實現一次設備的智能化[5-7]，國內領先的一次設備廠家、二次設備廠家、高校以及在線監測廠家已積極開展合作，如由中國電科院組織發起的“智能高壓設備技術合作研究組織”， 聯合平高電氣、特變電工公司、清華大學、保定天威集團等共10家單位組成。該組織制定了“高壓設備智能化技術導則”、“油浸式電力變壓器智能化技術條件”、“高壓開關設備智能化技術條件”等一系列標準，為智能變電站的建設發揮了重要作用。但在智能組件的實際工程實施發現存在若干問題，表現為以下幾個方面：

（1）智能一次設備是跨領域的復雜系統，在制定相關標準時，智能組件的組成形式未能統一?！案邏涸O備智能化技術導則”中對于變壓器本體測量、有載調壓控制、冷卻系統控制和非電量保護等功能主張由控制參量測量IED（智能電子設備）、冷卻裝置控制IED、有載調壓控制IED和非電量保護裝置四個獨立的裝置來實現[8，9]， “智能變電站繼電保護技術規范”主張將上述四項功能由變壓器本體智能終端來實現[10]，二者的設備組成差別較大，接口要素不一樣。易造成設計和施工的混亂。

（2）當前階段，一次設備智能組件功能與變電站自動化系統、在線監測系統的功能界限劃分不明確，對于智能組件中已有的測量、控制和監測功能是否意味著在變電站自動化系統招標中就不需要再招標測控等裝置未明確，筆者在實際的工程實施中，就曾遇到過兩套設備同時存在，造成一定程度的浪費和給設計、施工人員帶來了一定的疑惑。很多一線的工作人員甚至認為智能組件就是在線監測。

（3）一次設備智能化將會朝著智能一次設備的方向發展。目前由于我們在傳感技術、抗電磁干擾技術、材料與工藝等關鍵技術上面受到一定限制，未能將智能組件與一次設備集成在一起，而是采用智能組件柜的形式安裝在一次設備附近。但是，未來的發展趨勢將會是結構一體化，ABB公司的智能開關設備就已經為我們指明了方向。所以我們的智能組件在結構形式上不應是各功能IED和屏柜的堆砌，而應是朝著功能集成、結構緊湊的方向發展。在標準制定時應具有一定前瞻性。

針對上述問題，究其原因，是智能一次設備進行模塊化設計時，智能組件的各模塊邊界劃分不清晰，對于智能組件如何模塊化，模塊化到什么程度缺少科學的分析。下文將以電力變壓器為例，探討智能一次設備的設計規則。

2.智能電力變壓器的功能模塊及其相互關系分析

模塊化理論是解決復雜系統的有效方法，設計規則是模塊化理論的核心思想。對于復雜系統，依據“由上而下”的設計原則，應首先厘清系統的“骨骼”和“脈絡”。筆者對變壓器智能組件的功能模塊其進行了分類和歸納，如圖1所示（矩形框為智能組件的必選功能，橢圓為可選功能）。智能組件按照智能變電站的層次分為過程層和間隔層，間隔層的必配功能包括：變壓器保護、測控、非電量保護；間隔層的可選功能包括：冷卻系統智能控制、狀態診斷及評估功能；過程層的必選功能包括：油溫及環境溫度測量、氣體繼電器及壓力釋放信號測量、油位及檔位信號測量、有載分接開關與冷卻系統控制功能，過程層的可選功能分為：風扇電機電流電壓監測、鐵心接地電流監測、油色譜及微水監測、振動與噪聲監測、套管絕緣監測和直流偏磁監測等。各側負荷電流及中心點電流往往由開關智能組件的合并單元采集，在智能變電站中變壓器智能組件一般不重復采集，通過光纖以太網直接獲取，智能變電站中筆者將其劃分在變壓器智能組件之外。

圖1中展示了間隔層功能模塊與過程層功能模塊之間的作用關系。間隔層的必選功能與過程層的必選功能內聚度較大（功能穩定），與過程層的可選功能耦合度??；過程層可選功能風扇電機電流電壓監測及鐵心接地電流（多點接地，影響油溫）均與冷卻系統智能控制有關，其內聚度較大。間隔層的狀態診斷及評估功能與所有的過程層功能模塊都有關系，從狀態診斷及評估的角度來說，信息越豐富，診斷的結果越準確。過程層的各項信息對狀態診斷來說是相互印證，相互補充的關系[11]，所以對于狀態診斷及評估模塊來說，過程層各可選功能模塊之間的耦合關系都屬于松耦合關系，從目前的技術成熟度及診斷的準確性來說，除了過程層的必選項目，與鐵心接地電流和油色譜監測內聚度較大。

3.模塊劃分及其結構與接口設計探討

設計規則規定了系統的結構和模塊間的接口，它的優點是在不影響系統（整機）的功能和性能的前提下，為模塊的創新和競爭提供最大的自由度，這對于智能組件各模塊的創新和發展是非常有利的。根據圖1中所示的各功能模塊，對于哪些模塊可以組合，哪些模塊應該獨立配置，接口及結構如何設計更為合理，對于何種設備采購方式更有利于未來智能一次設備的發展趨勢，下文將逐一進行探討。

對于接口的選擇模塊化理論的觀點是：模塊分解點應選擇在模塊的內聚度大（功能穩定）、耦合度?。ń涌诤喴祝┑牟课?，同時接口應保持穩定。本文從各功能模塊的成熟性、配置必要性、模塊之間的內聚度及組合的可行性等方面著手，對智能組件的功能進行模塊劃分。

3.1必配功能的模塊化設計

對于變壓器的過程層必配功能：變壓器的測量、冷卻系統控制、有載調壓控制、非電量保護以及本體信息交互功能，筆者從模塊化理論出發，認為上述功能采用智能終端的方式來實現較合理，理由如下：

（1）測量IED、冷卻系統控制、OLTC控制、非電量保護均為必選功能，總體功能穩定，同時與多個間隔層功能模塊有作用關系，內聚度較大，如集成在一起，可簡化接口和網絡架構。

（2）智能終端技術成熟，且符合智能一次設備的功能集成，結構一體化的特征[12，13]，有利于一次設備智能化向智能一次設備的過渡；

對于變壓器的必配間隔層設備，由于過程層智能終端的存在，本體測控裝置的功能已弱化，在智能變電站的設計中，本體測控的功能一般可由高壓側測控裝置來實現。按照智能組件面向對象的設計原則，將本體測控功能并入變壓器保護裝置是未來的發展趨勢[14]。

3.2可選功能的模塊化設計

可選功能模塊由于在實際工程應用中配置的不確定性，加上各功能模塊的成熟度不一致，測量的原理不盡相同，所以對于間隔層和過程層的可選功能模塊保持獨立較合理?？紤]到鐵心接地電流監測和風扇電機電流電壓監測同時與冷卻系統智能控制功能有作用關系，加上其測量原理相近，且技術都較成熟，內聚度較大，可將其組合成“交流信號監測裝置”，設計時可采用模塊化設計方法，應用時其功能可靈活配置。

3.3接口標準

DL/T860標準為智能組件各模塊的通信接口標準化和互操作奠定了基礎，在此基礎上，文獻[15]補充規定了在線監測裝置的接口，文獻[10]、[16]定義了智能終端和合并單元的接口，在智能變電站的建設過程中，上述接口已逐漸趨于統一，本文就不再詳細論述。

3.4結構設計

變壓器智能組件的結構包括各種裝置的結構及其組屏方式。保護、測控以及智能終端裝置從目前各主流設備廠家產品趨于4U結構機箱，各種在線監測裝置由于其測量原理的不同其結構相對而言差別較大，相比自動化系統，在線監測系統廠家分布較廣，且還處于逐步成熟的階段，今后還有待進一步規范。本文重點將探討智能組件的組屏方式。從目前智能組件的組屏方式來看，分為一次設備廠家的戶外端子屏、在線監測廠家的在線監測屏和二次設備廠家的二次設備屏?？偟膩碚f，屏柜數量偏多，且每個屏上的安裝空間未充分利用，有的屏甚至只裝了一個4U的機箱，造成屏柜和土地資源的浪費。針對上述現象，本文提出以下觀點：

（1）將智能組件的過程層設備統一由一次設備廠家集中組屏，過程層設備與一次設備之間的接線和安裝聯系緊密，如智能終端與變壓器之間存在電纜的連接，各在線監測設備傳感器的安裝及信號采集也是與變壓器密切相關，未來這一層設備有與一次設備結構上緊密結合的趨勢，如圖2所示。統一集中組屏可以解決智能組件的分散狀態，實現變壓器的所有信息就地數字化輸出。在變壓器招標時，可按照表1明確其智能化的項目，統一組屏和調試。同時，這種跨領域的技術集成有利于智能組件的技術創新，為我國在該領域引領產業發展創造條件。

（2）智能組件的間隔層設備由二次設備廠家集中采購組屏，間隔層設備承擔著保護、智能控制、診斷等高級應用功能，目前二次設備的組屏大多還是安裝在小室內，且屬于變電站自動化系統招標范疇，一般是面向整個變電站進行招標，而不是針對某個一次設備，所以將二次設備集中起來由二次設備供應商集中組屏、安裝，如圖2所示。

按照上述劃分，智能組件的模塊劃分明確，不存在重復情況，而且結構緊湊，節省資源，各模塊之間接口明確，滿足互操作的要求。

4.結語

智能一次設備是跨專業領域的新生事物，智能組件的相關標準制定不能各自為政，應強化頂層設計，依據模塊化設計理論，盡早制定出智能一次設備的設計規則，方能確保國內各產業在國際上的主導地位[17]。針對目前國內各專業相對分散的實際情況，應不斷完善和修訂相關標準，明確各模塊接口及功能定位。各產業公司應發揮各自優勢，使自身成為智能一次設備產業鏈中的一部分，對于智能一次設備的功能集成、結構一體化以及智能一次設備的創新具有重要意義。 [科]

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