電力GIS技術(shù)簡析
地理信息系統(tǒng)GIS（geographic information system）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用雖然剛剛起步，但是在電力生產(chǎn)和管理上已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，如北京、上海、江蘇等電網(wǎng)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(jīng)驗，為電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)。
電力GIS是將電力企業(yè)的電力設(shè)備、變電站、輸配電網(wǎng)絡(luò)、電力用戶與電力負(fù)荷和生產(chǎn)及管理等核心業(yè)務(wù)連接形成電力信息化的生產(chǎn)管理的綜合信息系統(tǒng)。它提供的電力設(shè)備設(shè)施信息、電網(wǎng)運行狀態(tài)信息、電力技術(shù)信息、生產(chǎn)管理信息、電力市場信息與山川、河流、地勢、城鎮(zhèn)、公路街道、樓群，以及氣象、水文、地質(zhì)、資源等自然環(huán)境信息集中于統(tǒng)一系統(tǒng)中。通過GIS可查詢有關(guān)數(shù)據(jù)、圖片、圖象、地圖、技術(shù)資料、管理知識等。
一、GIS特點
1、開放性
具有開放式環(huán)境及很強的可擴(kuò)充性和可連接性。GIS技術(shù)支持多種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如 ORACLE、SYbase、SQLSERVER等大型數(shù)據(jù)庫；運行多種編程語言和開發(fā)工具；支持各類操作系統(tǒng)平臺；為各應(yīng)用系統(tǒng)，如SCADA、EMS、CRM、ERP、MIS、OA等提供標(biāo)準(zhǔn)化接口；可嵌入非專用編程環(huán)境。
2、先進(jìn)性
GIS平臺采用與世界同步的計算機圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及地理信息處理技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計采用目前最新技術(shù)，支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和圖紙查詢，利用系統(tǒng)提供的強大圖表輸出功能，可以直接打印地圖、統(tǒng)計報表、各類數(shù)據(jù)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(tǒng)具備完善的測量工具，現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)，線路桿塔等設(shè)備的初步設(shè)計，并可直接進(jìn)行線路設(shè)備遷移與相關(guān)計算等，實現(xiàn)線路輔助設(shè)計與設(shè)備檔案修改。具有線路的方位或區(qū)域分析判斷功能，為用戶提供可靠的輔助決策，綜合統(tǒng)計分析，為管理決策人員提供依據(jù)。特別是把可視化技術(shù)和移動辦公技術(shù)納入GIS系統(tǒng)的總體設(shè)計范圍。地圖精度高，省級地圖的比例尺達(dá)到1：10000或1：5000，市級地圖比例尺達(dá)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(qū)域等。
3、發(fā)展性
具有很強的可擴(kuò)充性和可連接性。在應(yīng)用開發(fā)過程中，考慮系統(tǒng)成功后進(jìn)一步發(fā)展，包括維護(hù)性擴(kuò)展功能和與其它應(yīng)用系統(tǒng)的街接與整合的方便。開發(fā)工具一般采用J2EE、XML等。
二、電力GIS特點
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(tǒng)運行參數(shù)實時性及信息的動態(tài)變化性，需要對瞬間信息及時收集、處理和分析。電力GIS對數(shù)據(jù)處理、存儲容量和傳輸速度均有較高的要求。
2、電網(wǎng)的多屬性數(shù)據(jù)要求GIS具備足夠的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)電力行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及電力企業(yè)業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)具有良好的可維護(hù)性。電力GIS能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的一次輸入和多次輸出，以保證數(shù)據(jù)的一致性操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和多層保護(hù)等，構(gòu)建高可靠性和高準(zhǔn)確性的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。
3、電力系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜系統(tǒng)，電力網(wǎng)的廣域性和電力設(shè)施的分散性及設(shè)備的多樣性，實時信息量大，系統(tǒng)接口復(fù)雜，信息的覆蓋面廣，電網(wǎng)的各種電壓等級及多用戶連接等需要GIS具備拓?fù)浞治龊娃D(zhuǎn)換能力。
4、電力GIS的單機工作站方式已經(jīng)落后，且不適合電力企業(yè)信息系統(tǒng)實際需要。電力行業(yè)目前應(yīng)用的GIS平臺安裝在局域網(wǎng)環(huán)境下，在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和開發(fā)上整合信息，實現(xiàn)資源共享。
5、電力GIS具備安全保護(hù)的特點，電網(wǎng)設(shè)備的高精確度測量的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)是國家基礎(chǔ)信息資源，是國家安全的信息。
三、電力GIS功能
面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模，具有建模規(guī)則庫、電網(wǎng)圖的編輯及輸出工具。電力GIS平臺包括基本構(gòu)件層、系統(tǒng)環(huán)境層、數(shù)據(jù)庫連接層、圖形與數(shù)據(jù)接口工具層、應(yīng)用系統(tǒng)層等。分層建立各種數(shù)據(jù)模型，并建立各層的連接關(guān)系
四.GIS的現(xiàn)狀及發(fā)展動向
GIS是由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、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(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)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(guī)變電站(AIS)相比，GIS具有如下優(yōu)點：
1.1 結(jié)構(gòu)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(zhèn)和密集的負(fù)荷中心和山區(qū)水電站尤為重要。
1.2 不受污染及雨、鹽霧等大氣環(huán)境因素的影響，因此，GIS持別適合于工業(yè)污染和氣候惡劣以及高海拔地區(qū)。
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(xiàn)場安裝工期。
GIS設(shè)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(huán)境適應(yīng)能力強、檢修周期長、安裝方便。GIS不僅在高壓、超高壓領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而且在特高壓領(lǐng)域變電站也被使用，在我國，63～500kV電力系統(tǒng)中，GIS的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。
GIS制造技術(shù)仍在不斷進(jìn)步和發(fā)展，30多年來，各GIS生產(chǎn)廠家圍繞著提高經(jīng)濟(jì)性和可靠性這2個主要目標(biāo)，在元件結(jié)構(gòu)、組合形式、制造工藝以及使用和維護(hù)方面進(jìn)行了大量研究、開發(fā)。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(yīng)用，GIS的技術(shù)性能與參數(shù)已超過常規(guī)開關(guān)設(shè)備，并且使結(jié)構(gòu)大大簡化，可靠性大大提高，為GIS進(jìn)一步小型化創(chuàng)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(jié)構(gòu)，斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、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(shè)備之一，由于SF6氣體具有優(yōu)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(hù)工作量小等優(yōu)點。目前SF6斷路器最高工作電壓已達(dá)765kV，開斷電流已達(dá)80kA，額定電流已達(dá)12kA。SF6斷路器應(yīng)用在高壓、超高壓領(lǐng)域的同時，也在向中壓10～35kV級發(fā)展，除了采用壓氣式滅弧室外，還出現(xiàn)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(shù)的確立和發(fā)展，新型材料及多種觸頭形式(自動觸頭、多點觸頭等)的出現(xiàn)，使開關(guān)的開通和通流能力大大提高。滅弧結(jié)構(gòu)中利用了電弧能量或開斷電流產(chǎn)生的磁場，不僅降低了開關(guān)的機械應(yīng)力，而且減小了滅弧結(jié)構(gòu)的徑向尺寸，成為當(dāng)前的發(fā)展方向。滅弧方式的改進(jìn)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(hù)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(xiàn)狀有望在近幾年內(nèi)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(qū)動能力。傳統(tǒng)的瓷絕緣材料正被復(fù)合絕緣材料所取代，使得斷路器重量更輕，結(jié)構(gòu)更加簡化。
2.2 隔離開關(guān)和接地開關(guān) 隔離開關(guān)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(gòu)驅(qū)動的絕緣旋桿傳動。為了適應(yīng)不同的電氣主接線和GIS結(jié)構(gòu)布置的需要，隔離開關(guān)具有多種結(jié)構(gòu)形式，從而保證了GIS整體設(shè)計時的靈活性。隔離開關(guān)未來的發(fā)展趨勢是：隨著斷路器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步縮小，重量的進(jìn)一步減輕，隔離開關(guān)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(hù)信號，這種CT是按機電式繼電器的要求設(shè)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(hù)信號分開；高壓電流互感器內(nèi)部充油，如果密封不好，極易漏油，故障時容易發(fā)生爆炸等。
近年來出現(xiàn)的光電電流傳感器(MOCT)無此缺點，且頻率響應(yīng)范圍寬、精度高、不受電磁干擾等。MOCT是應(yīng)用法拉第元件構(gòu)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(jīng)過法拉第元件時會產(chǎn)生與交變磁場強度成正比的旋轉(zhuǎn)光，經(jīng)過光電二極管(O/E)變成電信號，經(jīng)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(xiàn)的有望取代傳統(tǒng)PT的光電傳感器，EOVT是根據(jù)泡克爾斯(Pockels)效應(yīng)的原理工作的，整個裝置由3個部分構(gòu)成：承受被測電壓的光學(xué)晶體、光學(xué)元件(包括發(fā)光二極管)、光電二極管和光纖、電子組件(模擬與數(shù)字處理單元和數(shù)模轉(zhuǎn)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(jù)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(gòu)成電流/電壓傳感器并已用于AIS產(chǎn)品中。
2.5 監(jiān)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(nèi)部故障的發(fā)生，隨時掌握設(shè)備的運行工況，發(fā)現(xiàn)設(shè)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：
2.5.1X射線照相：采用X射線可以從外部探測GIS狀態(tài)，如觸頭燒損、螺絲松動等。
2.5.2 光學(xué)檢測法：利用安裝在GIS內(nèi)部的光學(xué)傳感器來檢測GIS內(nèi)部故障電弧。
2.5.3 紅外定位技術(shù)：紅外熱敏成像裝置可用于GIS內(nèi)部電弧故障定位和故障點定位。該裝置主要包括紅外熱敏鏡頭、磁帶錄象機和觸發(fā)電子元件等。
2.5.4 電磁技術(shù)：GIS內(nèi)處于懸浮電位元件、固體絕緣中的氣泡、自由導(dǎo)電雜質(zhì)和局部電場畸變等均會引起局部放電，在隔離開關(guān)操作和GIS相對地閃絡(luò)時還會產(chǎn)生陡波頭暫態(tài)過電壓，根據(jù)這些電磁現(xiàn)象可以進(jìn)行局部放電的檢測和定位。
2.5.5 化學(xué)檢測法：GIS內(nèi)部閃絡(luò)會導(dǎo)致SF6氣體分解。在現(xiàn)場常用化學(xué)測試管來檢測SF6生成物的成分，用以判斷GIS內(nèi)部是否存在放電。
近年來，隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)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(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測，而用微計算機技術(shù)來處理獲得的信息。日本東芝公司研制的智能GIS監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，它主要包括了下列性能的檢測：
(1)絕緣性能監(jiān)視診斷：應(yīng)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(dǎo)電性能的檢測：應(yīng)用了溫度傳感器、光纖溫度計。
(3)機械方面的檢測：應(yīng)用了開、閉傳感器。
在線檢測技術(shù)和自我診斷技術(shù)的引入將打破傳統(tǒng)的高壓電器大小修計劃模式，可以根據(jù)診斷結(jié)果安排更合理、更科學(xué)的檢修計劃，可將事故消滅在萌芽狀態(tài)，從而縮短GIS的檢修時間，提高設(shè)備的利用率和可靠性。
五、PASS技術(shù)
伴隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化GIS高壓變電站——PASS技術(shù)，最近幾年得到迅速的推廣和應(yīng)用，介紹如下：
3.1PASS的概念
PASS是具有金屬外殼的、氣體絕緣的、內(nèi)裝有斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓/電流傳感器的全封閉組合電器。PASS反映了GIS制造技術(shù)的最新成果。其主要特點概括如下：
3.1.1 采用了先進(jìn)的組合式電壓/電流傳感器技術(shù)和組合式隔離開關(guān)/接地開關(guān)技術(shù)，使設(shè)備更加緊湊，體積更加小型化。
3.1.2 在測量、控制、保護(hù)系統(tǒng)中，采用了計算機技術(shù)，數(shù)字化技術(shù)，光纖通訊技術(shù)，支持?jǐn)?shù)字式繼電器，繼電保護(hù)系統(tǒng)引入了微機處理和分段監(jiān)控保護(hù)。
3.1.3 采用了預(yù)安裝技術(shù)，整套設(shè)備在出廠前安裝、調(diào)試完畢。
3.2 電壓電流的測量
在PASS中，常規(guī)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(shù)來測量電流，其很寬的線性特性，保證了在所測量或保護(hù)的電流范圍內(nèi)不會出現(xiàn)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(jìn)行處理，先由傳感器和執(zhí)行器的處理器接口PISA(Process Interface for Sensors and Actuators)將模擬信號數(shù)字化后經(jīng)光纖通訊母線以串行方式傳輸?shù)骄偷氐拈g隔控制柜中的智能控制和保護(hù)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(hù)系統(tǒng)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(cè)安裝額外的傳感器。
3.3 控制、保護(hù)和監(jiān)測
PASS采用了如下技術(shù)：
3.3.1 所有測量、保護(hù)信號經(jīng)PISA預(yù)處理后經(jīng)串行光纖總線送至間隔控制柜。
3.3.2 面向間隔的控制、保護(hù)、測量功能的裝置設(shè)在就地控制柜內(nèi)。
3.3.3 間隔與間隔之間、間隔與變電站之間的通訊也采用串行通訊光纖總線。
3.3.4PASS支持保護(hù)用的數(shù)字繼電器，也兼顧了傳統(tǒng)的機電式繼電器，若使用后者，需另行安裝電磁式互感器。
PASS的操作機構(gòu)控制、氣體絕緣強度的測量以及其他物理量的在線狀態(tài)監(jiān)測也可采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)來實現(xiàn)，例如設(shè)備自檢、絕緣氣體強度趨勢分析、斷路器狀態(tài)(操作能量需求、觸頭位移、剩余壽命預(yù)測)等。
3.4 常規(guī)變電站(AIS)和PASS間隔的比較
AIS和PASS間隔的單線圖，PASS技術(shù)和常規(guī)AIS模式，兩者的差別就在于PASS在間隔的線路側(cè)省去一組隔離開關(guān)和接地開關(guān)。在常規(guī)的AIS中，線路側(cè)的隔離開關(guān)主要用于當(dāng)設(shè)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(guān)和接地開關(guān)。
采用PASS技術(shù)后，除了提高了變電站的整體技術(shù)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：
3.4.1 由于PASS可采用管型母線布置，從而減小了相間距離，可大大縮短軟母線。
3.4.2 可減小間隔的長度和寬度，由于絕緣子的數(shù)量減少，絕緣子閃絡(luò)的危險大大降低；需用更少的鋼構(gòu)架和接地鋼材，電纜溝的數(shù)量也隨之減少。
六、PASS的應(yīng)用
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(kuò)建，當(dāng)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?lián)Q代。當(dāng)需要更換同一間隔中的斷路器、隔離開關(guān)、互感器時，可考慮用PASS取代整個間隔而不必一對一更新設(shè)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(dāng)然，也可以將PASS作為大宗用戶的臨時電源。
