智能变压器的技术组成及发展趋势
摘要：介绍了智能变压器的技术组成和主要功能，结合我国低碳经济要求和智能电网的发展需求，指出了智能变压器发展的必然性和技术发展趋势。
关键词：智能电网 智能变压器 智能配电网
ABSTRACT: The article describes the technical structure and main function of smart transformer. It points out developing necessity and developing trend of smart transformer. KEY WORDS: smart grid; smart transformer; smart distribution
0 引言
智能电网已经成为未来电网的发展方向和当今电力技术的热点。智能电网的特点是自愈、安全、经济、清洁、优质，其主要特征是互动、自适应。目前智能电网的定义各国虽有不同，强调的重点也不同，但其共同的目标是要建设一个坚强的电网，提高服务水平。例如美国GRID2030计划从三个方面来达到目标，一是提高电网的可靠性，二是降低电网运行的损耗，三是充分利用可再生能源。智能电网发展方向是“一次”与“二次”系统的融合，其追求的功能目标是智能化、自适应，追求的经济目标是综合建设成本最低，运行维护费用最低。从配电网的角度来讲，要提高用户的用电质量，必须实现电网的高度自动化以及和用户之间的互动。全面提升配电网监测和控制的智能化水平。目前主电网的监控手段已经非常先进，如光纤通信、无人值守变电站、数据自动采集等，但是配电网的监测控制水平还较差。配电网需要加强末端的信息采集以及末端配电设备的控制，从而使配电网达到可观可控的状态。美国目前在底特律等三个城市进行“百万级节点”配电网监测系统的试点工作，该系统能够使处于配电网末梢的每个用户信息都处于“可观”状态。
在配电网系统中，变压器是重要设备，它直接和用电设备连接，分布广、数量多，容量大，总损耗（变压器损耗，用电设备损耗）大。配电变压器的安全经济运行和降低损耗（降低变压器损耗和用电设备损耗）对智能电网发展的影响重大。随着电力自动化技术和电力电子技术的不断发展，电力设备智能化方面有了良好的技术支撑。变压器控制技术也在不断提高和发展，这也为智能变压器的发展提供了有利的条件。本文抛砖引玉，针对变压器尤其是配电网变压器论述了智能变压器的构成、功能及发展趋势。
1 智能变压器的构成
智能变压器是计算机技术、电力电子技术和通信技术和变压器技术不断融合的结果。它主要由如下几个部分组成：
1）变压器基本部件；
2）智能控制部件；
3）主控单元；
4）传感、检测、传输装置；
1.1 变压器基本部件
变压器的基本功能是电压变换，因此其基本部件必须具备这一功能。变压器有油浸、干式等不同的结构之分，有铁芯与非铁芯、硅钢片与非晶合金等不同的材料选用，满足不同的应用场合需求。
1.2智能控制部件
变压器作为电网输配电的重要环节，在进行电压变换的同时，也应具有电压质量调节控制等功能，这要依靠优良性能的控制部件来实现。现有的电压质量调节实现方式，分无载调压和有载调压两种，即通过无励磁开关或者机械式有载分接开关等控制部件实现有级调压。由于机械式有载开关寿命低、可靠性差，切换有电弧，因此实际使用效果不能满足电压调节快速、可靠动作的要求。目前，一种用于配电网的光控电子式有载分接开关已经研发成功，其可频繁动作、寿命长、快速响应、无电弧、可分相操作的良好技术特性为电网电压稳定和变压器经济运行提供了良好的实现手段。
1.3主控单元
作为变压器智能核心，应有强大的数据采集、处理、通信、存储功能。对变压器运行参数例如电压、电流、功率、功率因数、温度等参数进行监测并根据控制原则实时控制，实现遥信、遥测、遥控功能。在变压器供电回路出现故障时还应及时报警，为检修人员快速定位和处理故障提供良好的帮助。
1.4传感、检测、传输装置
传感检测装置部分采用模块化、组合式结构、具有体积小、配置灵活、安装方便的特点。通过它，可实现对变压器运行状态的实时在线监控。传输系统可以实现变压器系统的智能通信并可以传输信号给灵活控制部件如新型光控电子式有载分接开关稳定或调节电压实现最
优化运行。通信接口规约应采用开放性规约，符合IEC61860国际标准的要求。接口采用电口或者光口，满足高速通信和可靠通信的要求。
2 智能变压器的功能
变压器应具有变压传输电能、稳定电压的基本功能。智能变压器相比于常规的变压器，其智能化主要体现在：具有良好的通信接口、信息管理、状态诊断与评估，运行数据监测和故障报警功能并与配网SCADA系统交换数据、负荷控制功能，具有其它高级功能例如良好的自适应能力优化运行实现电压稳定和自动补偿功能；各部分的功能简单描述如下：
·通信接口：采用电口RS485/RS232或者光纤口，通信规约应符合IEC61850国际标准； ·信息管理：记录设备运行参数，为检修和设备管理提供信息；
·状态诊断与评估：智能在线监测、故障诊断，实现状态检修，减少人力维护成本，提高设备可靠率；
·运行数据监测和故障报警：实现遥信遥测遥控功能，并实时发送运行数据和故障报警信息；主要处理的数据有：电流、电压、有功、无功、功率因数、温度、变压器使用寿命计算以及其它必要的统计数据；
·保护功能：对于内部器件损坏引起的故障应有完善的保护并与系统的微机保护装置进行接口通信，实现保护智能化。一般采用提供交直流通用的干接点方式；
·运行控制功能：具有优化运行，灵活控制及自适应能力：
例如实现智能温控、电压自动调整、无功补偿控制、可按照负荷情况选择变压器运行方式、按照最优经济运行曲线运行实现损耗最低。
3 智能变压器的发展趋势
智能变压器的发展与自动化控制水平、器件及材料的发展是密切相关的。有几种发展的的路线：
3.1采用组合集成技术形成智能组合式变压器
从单一只具有变电功能的变压器，向带有强迫风冷、功率计量、计算机接口等多功能组合式变压器发展；采用新型电子式有载分接开关，引入智能化接口，具有数据处理、状态控制、优化运行、状态显示等功能，从而使变压器成为一种多功能智能化、随时处于最佳运行状态的电气设备
3.2 采用电力电子技术形成智能万用变压器(IUT)
电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。近年来大功率电子器件已经应用于灵活的交流输电（FACTS）、定制电力技术（Custom Power）以及新一代直流输电技术。采用电力电子技术制造的变压器称为“智能万用变压器”。它的实质可以说是一种用于配电系统的多功能变换器。不同于传统的线圈式变压器，它是基于电力电子技术（由多级逆变器组成）的变压器。作为美国EPRIADA项目中的一个基础性的装置，IUT已接近市场化。见于报道的IUT的额定功率为20kV•A,输入相电压为2.4kV,输出的额定电压为120V/240V。IUT集电压变换、频率变换、动态无功补偿、电能质量控制、不间断电源等功能于一身。它是采用先进的电力电子系统代替传统配电变压器的电磁结构。同传统变压器相比，它将为系统运行提供众多的好处，例如，可实现功能模块化，减少了备品备件种类和数量。它消除了危险的液体介质，可以为用户提供可选择的服务项目（如直流或其它频率的电力），可改变接线组别，容许从一条单相线路上传递三相功率，当需要时，可以用来作为开断潮流的可控开关、具有调压和谐波过滤功能，能够进行实时的电压调节和解决其它电能质量问题，甚至它可以起到短时间储能、可以用作配电自动化设备的传感器。而且，该种变压器耗用资源少，加工简单，属于低碳成本的产品，符合低碳经济的发展要求。
IUT有两种设计方案，即混合设计方案和全固态方案。混合设计方案仍然有传统的变压器，高压侧没有电力电子组件，只是在低压绕组接入电力电子组件。由于还保留了传统的变压器，一些重要的功能还不能实现。全固态方案是用电力电子组件完全取代传统的变压器，构成不同的AC/DC、AC/AC变换器。
4 结束语
智能电网属于低碳经济的重要组成部分，通过提高电力使用效率能够间接降低碳排放量。随着环保要求的不断提高以及电力自动化技术和电力电子技术的不断发展，变压器制造也将向低碳的标准提出更高的要求，变压器设计生产中引入电力监测技术、电力电子技术、电力通信技术、新材料新工艺以及“一次”与“二次”融合的设计思想并推进变压器智能性的不断提升是必然的趋势。智能型变压器必将以其高性能、低功耗、多功能的优异性能适应智能电网的要求，变压器行业也将走上低碳经济的可持续发展道路上来。
参考文献
[1] 杨兴运，干式变压器的电压调节[J]，变压器，1995（6）：9-11
[2] 郑健超，智能电力设备与半波长输电，中国电机工程学会第九次全国会员代表大会学术报告会 12-15
[3] 余贻鑫，新形势下的智能配电网[J]，电网与清洁能源，2009（7）
[4] 曾庆赣，蔡定国，刘斌，等，智能化节能型干式变压器特点及选型应用[J]. 电器工业，2003(10):25-30
[5] 张冠军，黄新波，赵文彬. 智能化电力变压器的概念与实现[J]. 高科技与产业，2009（7）：86-90
[6] 张李岚，配电站变压器经济运行智能监控装置的开发[J]. 福建电力与电工，2008
（2）:37-39
智能变压器的技术组成及发展趋势
摘要：介绍了智能变压器的技术组成和主要功能，结合我国低碳经济要求和智能电网的发展需求，指出了智能变压器发展的必然性和技术发展趋势。
关键词：智能电网 智能变压器 智能配电网
ABSTRACT: The article describes the technical structure and main function of smart transformer. It points out developing necessity and developing trend of smart transformer. KEY WORDS: smart grid; smart transformer; smart distribution
0 引言
智能电网已经成为未来电网的发展方向和当今电力技术的热点。智能电网的特点是自愈、安全、经济、清洁、优质，其主要特征是互动、自适应。目前智能电网的定义各国虽有不同，强调的重点也不同，但其共同的目标是要建设一个坚强的电网，提高服务水平。例如美国GRID2030计划从三个方面来达到目标，一是提高电网的可靠性，二是降低电网运行的损耗，三是充分利用可再生能源。智能电网发展方向是“一次”与“二次”系统的融合，其追求的功能目标是智能化、自适应，追求的经济目标是综合建设成本最低，运行维护费用最低。从配电网的角度来讲，要提高用户的用电质量，必须实现电网的高度自动化以及和用户之间的互动。全面提升配电网监测和控制的智能化水平。目前主电网的监控手段已经非常先进，如光纤通信、无人值守变电站、数据自动采集等，但是配电网的监测控制水平还较差。配电网需要加强末端的信息采集以及末端配电设备的控制，从而使配电网达到可观可控的状态。美国目前在底特律等三个城市进行“百万级节点”配电网监测系统的试点工作，该系统能够使处于配电网末梢的每个用户信息都处于“可观”状态。
在配电网系统中，变压器是重要设备，它直接和用电设备连接，分布广、数量多，容量大，总损耗（变压器损耗，用电设备损耗）大。配电变压器的安全经济运行和降低损耗（降低变压器损耗和用电设备损耗）对智能电网发展的影响重大。随着电力自动化技术和电力电子技术的不断发展，电力设备智能化方面有了良好的技术支撑。变压器控制技术也在不断提高和发展，这也为智能变压器的发展提供了有利的条件。本文抛砖引玉，针对变压器尤其是配电网变压器论述了智能变压器的构成、功能及发展趋势。
1 智能变压器的构成
智能变压器是计算机技术、电力电子技术和通信技术和变压器技术不断融合的结果。它主要由如下几个部分组成：
1）变压器基本部件；
2）智能控制部件；
3）主控单元；
4）传感、检测、传输装置；
1.1 变压器基本部件
变压器的基本功能是电压变换，因此其基本部件必须具备这一功能。变压器有油浸、干式等不同的结构之分，有铁芯与非铁芯、硅钢片与非晶合金等不同的材料选用，满足不同的应用场合需求。
1.2智能控制部件
变压器作为电网输配电的重要环节，在进行电压变换的同时，也应具有电压质量调节控制等功能，这要依靠优良性能的控制部件来实现。现有的电压质量调节实现方式，分无载调压和有载调压两种，即通过无励磁开关或者机械式有载分接开关等控制部件实现有级调压。由于机械式有载开关寿命低、可靠性差，切换有电弧，因此实际使用效果不能满足电压调节快速、可靠动作的要求。目前，一种用于配电网的光控电子式有载分接开关已经研发成功，其可频繁动作、寿命长、快速响应、无电弧、可分相操作的良好技术特性为电网电压稳定和变压器经济运行提供了良好的实现手段。
1.3主控单元
作为变压器智能核心，应有强大的数据采集、处理、通信、存储功能。对变压器运行参数例如电压、电流、功率、功率因数、温度等参数进行监测并根据控制原则实时控制，实现遥信、遥测、遥控功能。在变压器供电回路出现故障时还应及时报警，为检修人员快速定位和处理故障提供良好的帮助。
1.4传感、检测、传输装置
传感检测装置部分采用模块化、组合式结构、具有体积小、配置灵活、安装方便的特点。通过它，可实现对变压器运行状态的实时在线监控。传输系统可以实现变压器系统的智能通信并可以传输信号给灵活控制部件如新型光控电子式有载分接开关稳定或调节电压实现最
优化运行。通信接口规约应采用开放性规约，符合IEC61860国际标准的要求。接口采用电口或者光口，满足高速通信和可靠通信的要求。
2 智能变压器的功能
变压器应具有变压传输电能、稳定电压的基本功能。智能变压器相比于常规的变压器，其智能化主要体现在：具有良好的通信接口、信息管理、状态诊断与评估，运行数据监测和故障报警功能并与配网SCADA系统交换数据、负荷控制功能，具有其它高级功能例如良好的自适应能力优化运行实现电压稳定和自动补偿功能；各部分的功能简单描述如下：
·通信接口：采用电口RS485/RS232或者光纤口，通信规约应符合IEC61850国际标准； ·信息管理：记录设备运行参数，为检修和设备管理提供信息；
·状态诊断与评估：智能在线监测、故障诊断，实现状态检修，减少人力维护成本，提高设备可靠率；
·运行数据监测和故障报警：实现遥信遥测遥控功能，并实时发送运行数据和故障报警信息；主要处理的数据有：电流、电压、有功、无功、功率因数、温度、变压器使用寿命计算以及其它必要的统计数据；
·保护功能：对于内部器件损坏引起的故障应有完善的保护并与系统的微机保护装置进行接口通信，实现保护智能化。一般采用提供交直流通用的干接点方式；
·运行控制功能：具有优化运行，灵活控制及自适应能力：
例如实现智能温控、电压自动调整、无功补偿控制、可按照负荷情况选择变压器运行方式、按照最优经济运行曲线运行实现损耗最低。
3 智能变压器的发展趋势
智能变压器的发展与自动化控制水平、器件及材料的发展是密切相关的。有几种发展的的路线：
3.1采用组合集成技术形成智能组合式变压器
从单一只具有变电功能的变压器，向带有强迫风冷、功率计量、计算机接口等多功能组合式变压器发展；采用新型电子式有载分接开关，引入智能化接口，具有数据处理、状态控制、优化运行、状态显示等功能，从而使变压器成为一种多功能智能化、随时处于最佳运行状态的电气设备
3.2 采用电力电子技术形成智能万用变压器(IUT)
电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。近年来大功率电子器件已经应用于灵活的交流输电（FACTS）、定制电力技术（Custom Power）以及新一代直流输电技术。采用电力电子技术制造的变压器称为“智能万用变压器”。它的实质可以说是一种用于配电系统的多功能变换器。不同于传统的线圈式变压器，它是基于电力电子技术（由多级逆变器组成）的变压器。作为美国EPRIADA项目中的一个基础性的装置，IUT已接近市场化。见于报道的IUT的额定功率为20kV•A,输入相电压为2.4kV,输出的额定电压为120V/240V。IUT集电压变换、频率变换、动态无功补偿、电能质量控制、不间断电源等功能于一身。它是采用先进的电力电子系统代替传统配电变压器的电磁结构。同传统变压器相比，它将为系统运行提供众多的好处，例如，可实现功能模块化，减少了备品备件种类和数量。它消除了危险的液体介质，可以为用户提供可选择的服务项目（如直流或其它频率的电力），可改变接线组别，容许从一条单相线路上传递三相功率，当需要时，可以用来作为开断潮流的可控开关、具有调压和谐波过滤功能，能够进行实时的电压调节和解决其它电能质量问题，甚至它可以起到短时间储能、可以用作配电自动化设备的传感器。而且，该种变压器耗用资源少，加工简单，属于低碳成本的产品，符合低碳经济的发展要求。
IUT有两种设计方案，即混合设计方案和全固态方案。混合设计方案仍然有传统的变压器，高压侧没有电力电子组件，只是在低压绕组接入电力电子组件。由于还保留了传统的变压器，一些重要的功能还不能实现。全固态方案是用电力电子组件完全取代传统的变压器，构成不同的AC/DC、AC/AC变换器。
4 结束语
智能电网属于低碳经济的重要组成部分，通过提高电力使用效率能够间接降低碳排放量。随着环保要求的不断提高以及电力自动化技术和电力电子技术的不断发展，变压器制造也将向低碳的标准提出更高的要求，变压器设计生产中引入电力监测技术、电力电子技术、电力通信技术、新材料新工艺以及“一次”与“二次”融合的设计思想并推进变压器智能性的不断提升是必然的趋势。智能型变压器必将以其高性能、低功耗、多功能的优异性能适应智能电网的要求，变压器行业也将走上低碳经济的可持续发展道路上来。
参考文献
[1] 杨兴运，干式变压器的电压调节[J]，变压器，1995（6）：9-11
[2] 郑健超，智能电力设备与半波长输电，中国电机工程学会第九次全国会员代表大会学术报告会 12-15
[3] 余贻鑫，新形势下的智能配电网[J]，电网与清洁能源，2009（7）
[4] 曾庆赣，蔡定国，刘斌，等，智能化节能型干式变压器特点及选型应用[J]. 电器工业，2003(10):25-30
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[6] 张李岚，配电站变压器经济运行智能监控装置的开发[J]. 福建电力与电工，2008
（2）:37-39