電力GIS技術探討
電力GIS技術簡析
地理信息系統GIS（geographic information system）在電力系統中的應用雖然剛剛起步，但是在電力生產和管理上已經發揮了重要作用，如北京、上海、江蘇等電網公司成功建立了自己的GIS，提高了公司管理水平和工作效率，同時為其它電力公司提供了寶貴的經驗，為電力系統的進一步發展作出了積極貢獻。
電力GIS是將電力企業的電力設備、變電站、輸配電網絡、電力用戶與電力負荷和生產及管理等核心業務連接形成電力信息化的生產管理的綜合信息系統。它提供的電力設備設施信息、電網運行狀態信息、電力技術信息、生產管理信息、電力市場信息與山川、河流、地勢、城鎮、公路街道、樓群，以及氣象、水文、地質、資源等自然環境信息集中于統一系統中。通過GIS可查詢有關數據、圖片、圖象、地圖、技術資料、管理知識等。
具有開放式環境及很強的可擴充性和可連接性。GIS技術支持多種數據庫管理系統，如 ORACLE、SYBASE、SQLSERVER等大型數據庫；運行多種編程語言和開發工具；支持各類操作系統平臺；為各應用系統，如SCADA、EMS、CRM、ERP、MIS、OA等提供標準化接口；可嵌入非專用編程環境。
GIS平臺采用與世界同步的計算機圖形技術、數據庫技術、網絡技術以及地理信息處理技術。系統設計采用目前最新技術，支持遠程數據和圖紙查詢，利用系統提供的強大圖表輸出功能，可以直接打印地圖、統計報表、各類數據等。可分層控制圖紙、無級縮放、支持漫游、直接選擇定位等功能。系統具備完善的測量工具，現場勘查數據，線路桿塔等設備的初步設計，并可直接進行線路設備遷移與相關計算等，實現線路輔助設計與設備檔案修改。具有線路的方位或區域分析判斷功能，為用戶提供可靠的輔助決策，綜合統計分析，為管理決策人員提供依據。特別是把可視化技術和移動辦公技術納入GIS系統的總體設計范圍。地圖精度高，省級地圖的比例尺達到1：10000或1：5000，市級地圖比例尺達到1：1000或1：500，地圖能分層顯示山川、水系、道路、建筑物、行政區域等。
具有很強的可擴充性和可連接性。在應用開發過程中，考慮系統成功后進一步發展，包括維護性擴展功能和與其它應用系統的街接與整合的方便。開發工具一般采用J2EE、XML等。
電力GIS除具備GIS的基本特點外還具備如下特點：
1、電力系統運行參數實時性及信息的動態變化性，需要對瞬間信息及時收集、處理和分析。電力GIS對數據處理、存儲容量和傳輸速度均有較高的要求。
2、電網的多屬性數據要求GIS具備足夠的穩定性和可靠性。根據電力行業技術標準及電力企業業務需求，系統具有良好的可維護性。電力GIS能夠實現數據的一次輸入和多次輸出，以保證數據的一致性操作，實現數據的統一管理和多層保護等，構建高可靠性和高準確性的業務系統。
3、電力系統是一個龐大復雜系統，電力網的廣域性和電力設施的分散性及設備的多樣性，實時信息量大，系統接口復雜，信息的覆蓋面廣，電網的各種電壓等級及多用戶連接等需要GIS具備拓撲分析和轉換能力。
4、電力GIS的單機工作站方式已經落后，且不適合電力企業信息系統實際需要。電力行業目前應用的GIS平臺安裝在局域網環境下，在網絡的應用和開發上整合信息，實現資源共享。
5、電力GIS具備安全保護的特點，電網設備的高精確度測量的經緯度坐標數據是國家基礎信息資源，是國家安全的信息。
面向對象的數據建模，具有建模規則庫、電網圖的編輯及輸出工具。電力GIS平臺包括基本構件層、系統環境層、數據庫連接層、圖形與數據接口工具層、應用系統層等。分層建立各種數據模型，并建立各層的連接關系
GIS是由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成的組合電器的簡稱，這些設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器。與常規變電站(AIS)相比，GIS具有如下優點：
1.1 結構緊湊。220kVGIS占地面積僅為AIS的10%，500kVGIS占地面積僅為AIS的5%，這一點在地皮昂貴的城鎮和密集的負荷中心和山區水電站尤為重要。
1.2 不受污染及雨、鹽霧等大氣環境因素的影響，因此，GIS持別適合于工業污染和氣候惡劣以及高海拔地區。
1.3 安裝方便。GIS一般是以整體或若干單元組成，可大大縮短現場安裝工期。
GIS設備自60年代實用化以來，到目前為止，世界上已有2 000臺GIS在運行。實踐證明，GIS運行安全可靠、配置靈活、環境適應能力強、檢修周期長、安裝方便。GIS不僅在高壓、超高壓領域被廣泛應用，而且在特高壓領域變電站也被使用，在我國，63～500kV電力系統中，GIS的應用已相當廣泛。
GIS制造技術仍在不斷進步和發展，30多年來，各GIS生產廠家圍繞著提高經濟性和可靠性這2個主要目標，在元件結構、組合形式、制造工藝以及使用和維護方面進行了大量研究、開發。隨著大容量單壓式SF6斷路器的研制成功和氧化鋅避雷器的應用，GIS的技術性能與參數已超過常規開關設備，并且使結構大大簡化，可靠性大大提高，為GIS進一步小型化創造了十分有利的條件。
2。GIS整體性能的提高有賴于各組件性能的提高
GIS是各高壓電器的集合，通常采用積木式結構，斷路器、隔離開關、接地開關、互感器等元件均可隨意組合。其整體性能的提高還有賴于各組件性能的提高。分述如下：
2.1 斷路器 斷路器是GIS中最重要的設備之一，由于SF6氣體具有優良的絕緣性能和滅弧性能，因而SF6氣體絕緣斷路器具有尺寸小、重量輕、開斷容量大、維護工作量小等優點。目前SF6斷路器最高工作電壓已達765kV，開斷電流已達80kA，額定電流已達12kA。SF6斷路器應用在高壓、超高壓領域的同時，也在向中壓10～35kV級發展，除了采用壓氣式滅弧室外，還出現了采用旋弧式和自能吹弧式滅弧室的新型SF6斷路器。SF6和真空滅弧技術的確立和發展，新型材料及多種觸頭形式(自動觸頭、多點觸頭等)的出現，使開關的開通和通流能力大大提高。滅弧結構中利用了電弧能量或開斷電流產生的磁場，不僅降低了開關的機械應力，而且減小了滅弧結構的徑向尺寸，成為當前的發展方向。滅弧方式的改進意味著操作能量的減少，機械性能的改善，外型尺寸更為緊湊，維護工作隨之減少，工作更加安全可靠。斷路器斷口正在減少，300kV以下為單斷口、500kV以下為雙斷口的現狀有望在近幾年內得到突破。在未來的幾年里，特高壓斷路器有可能只有1個斷口，從而只需很小的驅動能力。傳統的瓷絕緣材料正被復合絕緣材料所取代，使得斷路器重量更輕，結構更加簡化。
2.2 隔離開關和接地開關 隔離開關主要用于電路無電流投入和切除，動觸頭一般由電力操作機構驅動的絕緣旋桿傳動。為了適應不同的電氣主接線和GIS結構布置的需要，隔離開關具有多種結構形式，從而保證了GIS整體設計時的靈活性。隔離開關未來的發展趨勢是：隨著斷路器結構的進一步縮小，重量的進一步減輕，隔離開關和斷路器有可能集成在一起。
2.3 電流互感器(CT) 長期以來，GIS一直采用電磁式電流互感器取得測量和保護信號，這種CT是按機電式繼電器的要求設計的，需要較大的輸入功率，功率損耗大，體大笨重；且受鐵芯磁飽和影響，大大降低了互感器的測量精度，使用中不得不將測量信號和保護信號分開；高壓電流互感器內部充油，如果密封不好，極易漏油，故障時容易發生爆炸等。
近年來出現的光電電流傳感器(MOCT)無此缺點，且頻率響應范圍寬、精度高、不受電磁干擾等。MOCT是應用法拉第元件構成的電流傳感器，它所檢測的信號是被測電路的磁場而不是電流，來自光纖的自然光經過法拉第元件時會產生與交變磁場強度成正比的旋轉光，經過光電二極管(O/E)變成電信號，經放大后輸出。
2.4 電壓互感器(PT)
GIS中的PT分為電容分壓式和電磁式2種，因電磁式高電壓PT在制造上有困難，300kV以上的PT一般采用電容式，300kV及以下的PT一般才采用電磁式。無論哪種形式，和CT一樣，也都存在易飽和、易滲油、易爆炸、精度低、體大笨重等缺陷。
EOVT是近年來新出現的有望取代傳統PT的光電傳感器，EOVT是根據泡克爾斯(Pockels)效應的原理工作的，整個裝置由3個部分構成：承受被測電壓的光學晶體、光學元件(包括發光二極管)、光電二極管和光纖、電子組件(模擬與數字處理單元和數模轉換器)。EOVT的晶體裝在充有SF6氣體的金屬筒中。由于泡克爾斯元件(晶體)光的雙折射率隨電場強度而變化，因此可以根據光電二極管的輸出電壓來確定施加于晶體上的電場強度亦即電壓的大小。美國紐約電力局早在1996年就將這種EOVT安裝在一個345kV變電站中試運行。
此外，也有將電壓、電流傳感器做在一起，構成電流/電壓傳感器并已用于AIS產品中。
2.5 監測與自診斷
因GIS的全部元件都密封在一個金屬殼中，為防止內部故障的發生，隨時掌握設備的運行工況，發現設備的故障隱患，有效的檢測手段是必不可少的，目前所采用的檢測手段主要有：
近年來，隨著傳感器技術的飛速發展，新型傳感器的不斷推出，GIS使用了更多的傳感器作為其內部狀態監測，而用微計算機技術來處理獲得的信息。日本東芝公司研制的智能GIS監測系統的構成，它主要包括了下列性能的檢測：
(1)絕緣性能監視診斷：應用了電暈傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器、漏電流傳感器。
(2)導電性能的檢測：應用了溫度傳感器、光纖溫度計。
(3)機械方面的檢測：應用了開、閉傳感器。
在線檢測技術和自我診斷技術的引入將打破傳統的高壓電器大小修計劃模式，可以根據診斷結果安排更合理、更科學的檢修計劃，可將事故消滅在萌芽狀態，從而縮短GIS的檢修時間，提高設備的利用率和可靠性。
伴隨著計算機技術、傳感器技術、數字化技術的不斷發展，智能化GIS高壓變電站——PASS技術，最近幾年得到迅速的推廣和應用，介紹如下：
PASS是具有金屬外殼的、氣體絕緣的、內裝有斷路器、隔離開關、接地開關、電壓/電流傳感器的全封閉組合電器。PASS反映了GIS制造技術的最新成果。其主要特點概括如下：
在PASS中，常規的電壓、電流互感器已被新一代組合電壓/電流傳感器取代，采用羅柯夫斯基(Rogowiski)電流傳感器技術來測量電流，其很寬的線性特性，保證了在所測量或保護的電流范圍內不會出現飽和。電壓的測量采用的是具有金屬外殼封裝的電容分壓器，很好地避免了鐵磁諧振。
檢測到的電壓、電流信號由PASS自身進行處理，先由傳感器和執行器的處理器接口PISA(Process Interface for Sensors and Actuators)將模擬信號數字化后經光纖通訊母線以串行方式傳輸到就地的間隔控制柜中的智能控制和保護單元。傳感器安裝在斷路器的出口處，這樣既可以滿足繼電保護系統和計量表計的需要，也可以用于其他的目的。如有必要，也可以在斷路器的母線側安裝額外的傳感器。
PASS采用了如下技術：
PASS的操作機構控制、氣體絕緣強度的測量以及其他物理量的在線狀態監測也可采用先進的傳感器技術來實現，例如設備自檢、絕緣氣體強度趨勢分析、斷路器狀態(操作能量需求、觸頭位移、剩余壽命預測)等。
AIS和PASS間隔的單線圖，PASS技術和常規AIS模式，兩者的差別就在于PASS在間隔的線路側省去一組隔離開關和接地開關。在常規的AIS中，線路側的隔離開關主要用于當設備檢修時隔離之用，在PASS中，因為PASS具有高度的可靠性，故可不用該隔離開關和接地開關。
采用PASS技術后，除了提高了變電站的整體技術水平外，由于整個變電站的占地面積大大減少，土地利用率大大提高，帶來的益處是顯而易見的：
4.1 用于高電壓、大容量變電站的新建。由于PASS本身就是一個獨立的間隔，通過不同的組合，可適用于雙母線、接線、橋型接線、雙母線加旁路等多種主接線方式。其中雙母線旁路的主接線方式歐洲采用的比較多。
4.2 用于老式變電站的擴建，當需要將敞開式AIS變電站增容升壓而空間不足時，采用PASS不失為可行的方案。
4.3 用于老式變電站主要高壓電器更新換代。當需要更換同一間隔中的斷路器、隔離開關、互感器時，可考慮用PASS取代整個間隔而不必一對一更新設備。
4.4 對于樞紐變電站大修而又不允許停電或不允許長期停電時，可臨時安裝PASS，大修完畢，再將PASS拆除，即將PASS作為一個移動變電站使用，當然，也可以將PASS作為大宗用戶的臨時電源。
er-spacing: .4pt;mso-font-kerning:0pt'> 3.4.2 可減小間隔的長度和寬度，由于絕緣子的數量減少，絕緣子閃絡的危險大大降低；需用更少的鋼構架和接地鋼材，電纜溝的數量也隨之減少。
4.1 用于高電壓、大容量變電站的新建。由于PASS本身就是一個獨立的間隔，通過不同的組合，可適用于雙母線、接線、橋型接線、雙母線加旁路等多種主接線方式。其中雙母線旁路的主接線方式歐洲采用的比較多。
4.2 用于老式變電站的擴建，當需要將敞開式AIS變電站增容升壓而空間不足時，采用PASS不失為可行的方案。
4.3 用于老式變電站主要高壓電器更新換代。當需要更換同一間隔中的斷路器、隔離開關、互感器時，可考慮用PASS取代整個間隔而不必一對一更新設備。
4.4 對于樞紐變電站大修而又不允許停電或不允許長期停電時，可臨時安裝PASS，大修完畢，再將PASS拆除，即將PASS作為一個移動變電站使用，當然，也可以將PASS作為大宗用戶的臨時電源。
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