面向新型电力系统的数字化环保型配网开关设备

来源:EPTC 作者:王照 陈光瑜 发布时间:2021-12-30 14:39 关键词: 新型电力系统数字化环保配网
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“双碳目标”落地需要构建以新能源为主体的新型电力系统。新型电力系统的“清洁低碳、安全可靠”等目标需要配网开关设备重点考虑数字化和环保的需求。通过采用环保气体绝缘降低非碳温室气体排放,再结合先进的数字化技术,新型配网开关设备在降低自身碳足迹、打造末端设备状态感知能力、参与配网的调控等方面已经取得了进展。随着新型电力系统建设的推进,新能源将逐步成为主体,配网开关设备还需要结合新能源的需求,继续研发适应新能源接入和优化运行的新型配电开关设备。



引言


为了实现碳达峰、碳中和目标,中国提出要构建以新能源为主体的新型电力系统。践行碳达峰碳中和战略,能源是主战场,电力是主力军。为实现清洁低碳、安全可靠、智慧灵活、经济高效等目标,电力系统要通过装备技术和体制机制创新,推动多种能源方式互联互济。要构建规模合理、分层分区、安全可靠的电力系统,强化电力安全和抗灾能力,扎实提升电力工业本质安全水平。

数字化是新型电力系统的基础 [1],不仅是为了解决新能源随机性、波动性等新问题,而且要解决运维资源紧张等传统问题。数字化要和电力系统紧密结合,增加必要的传感和通信,提升电力系统的状态感知和分析应用能力。电力系统的数字化整体上可以形成物理电力系统的数字孪生体,数字孪生体可以反映物理系统的实时和历史状态,同时具备对物理系统的分析和预测能力,助力电力系统的主动运维、需求侧响应等高级功能。

新型电力系统及其对配网开关设备的需求


从传统电力系统到新型电力系统的转变,是从以化石能源为主到以新能源为主的转变,是从部分感知向高度感知、从单向控制向双向互动、从计划为主向智能高效的转变。与这几大转变相对应,新型电力系统将呈现出“两高”(高比例的可再生能源和高比例的电力电子设备)和“两新”(新技术和新设备)的特点。

随着更多新能源并网,电网等供电侧企业需要充分运用数字化、信息化手段来推动源网荷储协调发展,以应对新能源发电出力的波动性、间歇性,以及新型电力系统规划设计、调度运行、保护控制等方面的一系列难题,保证电网可靠运行、灵活高效。通过构建以模型为基础的数字孪生平台,可以在电网建设、新能源消纳从设计、建造到运营维护的全生命周期内,提供完整的系统工程交付,让电网转型及新能源消纳带来的社会价值和经济价值清晰可见。新型电力系统的设备也需要考虑低碳的需求,例如,环保型中压开关柜系列,使用干燥空气代替强效温室气体六氟化硫作为绝缘气体,结合并联真空开断技术,可以降低非碳温室气体的排放,助力“净零”排放。

新型电力系统既是信息物理系统(CPS),是源、网、荷、储的互动协调,也是云、大、物、移、智、链等技术的深化应用。未来,将通过绿色能源管理持续整合新的技术应用趋势,达成全生命周期绿色可靠、高效的能源管理目标,助力构建新型电力系统,加速兑现碳中和承诺。


环保型配网开关设备


包括中国“3060 双碳目标”在内,全球已有数十个国家和地区提出了“零碳”或“碳中和”的气候目标,电力基础设施和高耗电行业作为电力低碳化的关键行业面临来自外部和内部的强大压力。如何以可持续和气候友好的方式满足不断增长的电力需求,是目前电力行业低碳化转型过程中面临的一个关键挑战。


一直以来,二氧化碳被视为全球气候变暖的元凶之一。但是,作为一种优良的绝缘和开断介质并被广泛用在中高压电气设备(如开关柜)中的六氟化硫,其助长温室效应的威力是二氧化碳的 23500 倍。每公斤六氟化硫释放到大气中,对环境的影响相当于驾驶一辆汽车行驶约 20 万公里(一辆汽车每公里排放约 120 克二氧化碳)。目前,全球安装的超过 3000 万套中压开关柜使用的是六氟化硫 (SF6),其温室效应的威力更加难以想象。


通过推动电网低碳化发展方面持续探索,业内逐渐认识到停止依赖 SF6 温室气体,结束 SF6 在电气设备中的广泛应用将是电力行业低碳化转型的其中一个主要方向。


干燥空气是 SF6 的最佳替代气体之一,而使用干燥空气的全新无六氟化硫开关柜能够确保电网公司在不影响正常运营与使用的前提下,加快低碳化进行并提高运营的可持续性,主要体现在以下两方面:1)干燥空气全球变暖潜能值为零。与中压开关柜可以使用的其他气体相比,干燥空气的 全球变暖潜能值为零。对温室效应零贡献,再加上显而易见的环境安全性,无疑是干燥空气成为六氟化硫最佳替代气体的最重要原因。2)干燥空气无需回收处理。使用 SF6 或其他人造气体的开关柜在使用寿命结束时,运营商需要考虑这种气体是否能被回收、在处理和再利用,是否可以降低对环境的影响。使用干燥空气则可以彻底消除使用六氟化硫的顾虑,大幅降低开关柜对环境的影响,并且无需经过报废回收处理,从而节省了相关成本。


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图 1 典型的环保型中压开关设备


新设计的三工位负荷开关采用并联真空开断(SVI)技术,传承了原有 SF6 三工位开关设备的操作方式,不改变运维人员的操作习惯,降低误操作的使用风险。并联真空开断技术(SVI)的核心是:真空灭弧室与隔离开关并联安装 , 隔离开关通过枢轴杆驱动真空灭弧室的开断。在此设计中,真空灭弧室平时合闸通流过程中不参与工作,仅在开断阶段工作,只需承受开断时的瞬态恢复电压 (TRV),但不必具备短路关合能力、短时电流耐受能力和持续电流耐受能力。在合闸阶段,电流不会通过真空灭弧室。实际上,在一次开断加关合过程中,电流通过真空灭弧室的时间仅有几毫秒(仅开断阶段),这降低了真空灭弧室的成本和尺寸,同时能保证整个生命周期 10000 次的高机械寿命。

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图2 基于并联真空开断技术的三工位开关


得益于并联真空开断技术的三工位设计,在此基础上独创了负荷开关 - 熔断器组合电器柜,为客户提供经济可靠的变压器保护方案;同时上下隔离真空断路器方案,可以满足线路及变压器保护使用,全面满足差异化的需求。环保气体环网柜不仅方案齐全,而且配置灵活,最多可以实现 6 功能共箱式环网柜的自由组合配置,满足用户不同的使用环境需求;同时单元式环网柜完全满足国网对于标准化环网柜的方案、尺寸及参数等要求,实现标准统一,相互替换的原则。整个产品的研发过程中都植入了模块化的理念,电机、低压间、电流互感器、分合闸线圈等都实现模块化设计,实现了即插即用的,方便升级更换。参数要求均满足或超过 GB/DL 标准及国家电网采购规范要求。


全新 AirSeT 系列无六氟化硫(SF6-free)中压开关设备已在世界多国落地和投运,包括新喀里多尼亚的配电公司 EEC Engie,瑞典的 E.ON 公司,法国的 GreenAlp 公司等。目前,该产品在中国的一些重大项目中都已经相继投运使用,包括国网苏州首座一二次融合数字化配电站、2022 北京冬奥会配电项目、雄安新区安置房配套配电项目。同时,该产品系列凭借着在智能、绿色等方面的突出特点,还荣获了汉诺威工业博览会“工业能源效率奖”、iF 年度设计大奖、ICEF 2020 年度十大创新、enerTIC 智能电网等多个国际重磅奖项的提名和表彰。

配网开关设备数字化


配电网的特点是“点多、面广、量大”,开关设备在配电网络中大量使用,存在 (1) 运维人员不足;(2) 设备数量庞大,缺乏基本台账的梳理;(3) 设备状态无法监测,难以掌握真实运行状况等问题。在配电物联网的大趋势下,全感知、大数据、预防性维护、全生命周期管理等技术手段逐渐应用在配电系统,特别是物联网技术的蓬勃发展,为配电系统的提升提供了技术基础。运用传感器、边缘计算及云计算技术,可以实现配电网及其设备的中低压一体化监控、大数据分析、主动运维等功能。同时,边缘计算和云计算协同配合,边缘计算就近管理,云主站总览全局,从而最大化配电设备的能力和效率,并助力管理升级。

(一)设备层状态感知技术 

设备层的状态感知技术目前发展迅速,通用传感器技术在具体配电设备应用,并针对具体配电设备进行针对性再开发,进一步促进了设备层状态感知的发展。与电气量测量等相对传统的状态感知不同,目前的设备层状态感知更关注设备本身的状态,例如设备导体搭接处的温度,设备整体的局放,机构的电气特性监测等。

不同类型开关设备的状态监测技术也并不相同,状态监测技术的选择与该类型设备的故障特点有密切关系。以气体绝缘金属封闭开关设备为例,其基础的在线监测包括气体压力监测、电缆头测温、环境温湿度监测,以及避雷器在线监测,在此基础上根据设备实际情况还可以选择断路器电气特性监测、三工位电机监测、局放监测等高级功能。


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表1 气体绝缘金属封闭开关设备的状态监测功能


(二)边缘计算技术

为解决运维人员短缺与设备数量迅速增加的矛盾,主动运维技术在配电系统中进行了研究和应用。主动运维基于从设备 ( 各类传感器、表计、在线监测设备 ) 采集而来的信息,通过主动运维的专有算法,将原始数据快速转化为可执行的洞察力,从而预防设备故障,并做出明智的决策,以改善运维效率。

将关键数据进行整合并通过专家分析系统进行分析和判断,将静态数据和动态数据相结合,经验计算同理论分析相辅助,最终给出设备资产情况的整体分析结果。一旦发现问题,主动运维智能单元可以协助用户分析原因和故障诊断,在故障出现之前提醒客户,并配合客户在问题严重影响运营之前予以解决。从而轻松的实现高可靠性,高效率的运维目标。同时,由于运维人员可以收到潜在问题的预警,因此可以减少计划外停电时间,减少维护成本,使运维人员的工作效率最大化。

通过预测性分析,运维人员可以了解资产在当前运行状态下的实际和预期性能,并根据该信息推断性能对当前和未来运营的影响,从而更好的对资本和运行开支划分优先级。通过操作一个设备就能了解全站的各类信息,避免了大量冗余数据给运维人员造成的信息庞杂,实现了将正确的信息传递给正确的人这样的运维目标,实现资产全寿命周期管理的数字化、智能化。

(三)高级数字化技术

云端大数据平台收集智能硬件中的有效信息,通过大数据分析为用户提供配电设备运行状态监视、运行维护作业管理和设备资产管理等“互联网 +”服务。功能可以按照需求定制,包括云端的电力资产管理、紧急事件处理、维修维护管理、文档报告管理、工单和派工管理。基于云端的大数据架构,更具有规模性、经济性和专业性。基于云平台的系统部署,分布式站点的集中管理,帮助客户真正实现配电室的“无人值守”。云平台支持线上线下无缝结合,海量设备资产信息快捷访问,包括设备资料、历史文档和图纸资料,确保设备生命周期内的信息完整。自动创建和管理工单,并在工单实施周期内向相关的使用者发送派工提示,支持工单完成后记录和上传管理,实现自动化的维护管理。

数字孪生是综合运用感知、计算、建模等信息技术,通过软件定义,对物理空间进行描述、诊断、预测、决策,进而实现物理空间与赛博空间的交互映射。配网开关设备的数字孪生能力包括:通过 3D方式查看开关设备的结构,设备的排布和某些隐藏部位,例如电缆沟。通过 3D 模型和在线动态数据的结合,对设备进行可视化展示,包括设备台账信息,设备数字化方案,设备的电气量及状态量信息,以及开关站 / 配电室的统计信息等。通过在 3D 模型上显示数字化系统的配置信息,在 3D 模型上显示故障信息、可能的故障原因,以及后续的运维指导来对运维人员进行培训。

以新能源为主体的新型电力系统是”双碳目标”落地的关键路径之一。新型电力系统的建设要满足“清洁低碳、安全可靠”等需求,这也为配网开关设备的发展指出了方向。以数字化和环保为主要目标的新型配网开关设备是行业发展的重点,在技术研究、产品开发、试点示范应用等方面进展迅速,目前已经在重点项目中进行了规模化的应用。随着新型电力系统的发展,配网开关设备也必将在全生命周期管理、提升系统弹性和抗风险能力方面取得更大的发展。


参考文献


[1] 曾鸣,许彦斌.新型电力系统建设,数字技术是关键 [J]. 能源评论,2021,25(5):60-63.




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