智能箱式變電站的設計與應用

宋 敏

（上海市南電力工程有限公司，上海 201100）

0 引言

箱式變電站（以下簡稱箱變）的電壓等級：低壓為220／380 V，高壓為6～35 k V，額定容量為30 k VA至1.6 MVA，三相交流電頻率為50 Hz。箱變可以作為環(huán)網型和終端型變配電裝置，是一個無人看守的小型變電站。

隨著上海城市配電網的不斷深化改造，箱變得到了廣泛地應用，尤其是隨著國內配電網自動化技術的不斷成熟、客戶對供電質量要求的不斷提高、智能小區(qū)的崛起，箱變通過傳統(tǒng)的站前操作來完成監(jiān)測、讀表任務的測控模式，已經難以滿足現代電力設備的管理和運行需求，而配電裝置自動化程度的水準，主要體現在箱變自動化水平的高低，必須滿足四遙（遙測、遙信、遙控、遙調）［1］、在線統(tǒng)計、饋線自動化（FA）、微耗、備自投、故障定位和及時報告、無功補償等基本功能，還應具有安全防護和視頻監(jiān)控功能。這是為了創(chuàng)辦上海智慧城市配電網，加快自動化和智能化步伐，保證電網對箱變的指揮控制，實現變電站可靠安全運行的要求。

1 智能箱變的控制功能

智能化箱式變電站（以下簡稱智能箱變）必須具有實時故障處理功能。當常規(guī)箱變進線、出線采用負荷開關的時候，控制器需要具備自動檢測開關處電壓和電流的功能，并記錄故障電流脈沖，同時向管理人員發(fā)出指示和警告。

對于箱變中的斷路器開關，控制器應配置重合閘和繼電保護功能，通過內部通信網絡，實現箱變內斷路器間保護的快速配合，箱變間網絡式保護的配合，使距故障點最近的開關快速跳閘。

由于智能箱變是全天候為終端客戶供電，要求具有較高的可靠性，因此智能箱變采取雙電源備用工作方式，減少電源故障帶來的斷電和供電不穩(wěn)定。該功能主要通過智能箱變控制器的電源備自投功能來實現，即當一側電源發(fā)生故障或失電時，箱變控制器能自動隔離故障，并投入備用電源。該功能的實現原理可簡單描述為：S1為備用電源，正常情況下處于斷開狀態(tài)，當S2發(fā)生外部故障或電源失壓時，S2自動斷開，同時S1自動合閘，投入使用。

另外，智能箱變的監(jiān)控裝置完全依照饋線終端設備（FTU）功能設計，可以完成在配網自動化系統(tǒng)（SCADA）中具有由主站實現配電自動化、遠方四遙的功能?？刂平K端首先將本地開關狀態(tài)、測量數據、故障信息等通過全球移動通信系統(tǒng)（GSM）或其他通信方式發(fā)送給主站，主站收到相關信息和數據后，對監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)進行綜合分析，并在線路發(fā)生故障的時候，綜合系統(tǒng)的整體狀況，給出更加精準的處理方案。

較大的靈活性是智能箱變系統(tǒng)的網絡自動重構功能的優(yōu)勢，客戶可以自由選擇投入或退出，或者僅僅將其作為主站故障處理的一個備用方案。

2 箱變自動化裝置的設計

箱變實現控制功能的核心是箱變自動化模塊［2］，包括主控模塊、測量模塊、顯示模塊、通信模塊和開關控制模塊。對于測量模塊，要求先將輸入信號控制在±5 V或±10 V以內，以便能夠通過模擬量或數字量（A／D）的輸入端，要實現該功能可選用互感器，在經過輸入通道進入中央控制模塊之前，需要隔離A／D一次。其目的：一是，隔離模擬通道的供電電源與中央控制模塊電源，提高中央處理器的抗干擾能力；二是，隔離一次元件節(jié)點所獲得的信號和監(jiān)控單元的電路，保證監(jiān)控單元的安全運行。這些隔離器件因體積小、電路設計簡單，可以使用光電隔離或者集成隔離運算放大器。

在測量模塊中，采用準同步算法可以提高電參量測量及諧波分析精度。準同步算法的基本原理在于，實際采樣周期不要求與信號周期完全同步，通過等間隔采樣和周期迭代，獲得“理想同步采樣”的測量精度。在數據處理時增加迭代次數，進行迭代運算，可以大大提高測量精度。在主控模塊中，系統(tǒng)采用16位的80C196KC單片集成電路，該芯片在數據采集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和高級智能儀器中被廣泛應用，有著靈活的編程操作能力和豐富的硬件資源，有利于電路結構的簡化，有助于編譯相對復雜的控制程序，有益于降低產品的開發(fā)周期。

開關量輸入模塊是依光電隔離電路、濾波電路和消顫除噪電路連接而成的。斷路器和隔離開關的位置狀態(tài)信息，均取自輔助的觸電回路，觸電回路中的電壓要比一般回路中的電壓高，主要是防止輔助觸電不良造成差錯。

由以往的RS-232協議來完成通信的單片機系統(tǒng)，在很大程度上已經很難滿足設計的要求，主要是難以克服傳輸速度慢、傳輸距離短、傳輸信號易受外界干擾等缺點。在智能箱變中可采取一種性能優(yōu)越的RS-485接口芯片，實現單片機與個人電腦間的遠程通信以及PC機管理單片機陣列的功能。

該芯片不同于普通RS型收發(fā)器的一個特點是，片內A、B引腳接有高能量瞬變干擾保護裝置，可以承受峰值為400 W的瞬變過壓。瞬變過壓常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開關的干擾。RS-485收發(fā)器中的保護裝置，能夠提高防雷電損壞期間的可靠性。在一些環(huán)境惡劣的場合，可以將其直接與傳輸線相接，不需要任何外加保護元件。

3 箱變在配電網的應用

為積極響應國家電網公司建設堅強智能電網的戰(zhàn)略部署，浦東供電公司結合自身的業(yè)務需求和配電網的實際情況，選擇了國際航運中心臨港新城作為配電自動化試點區(qū)域。本次試點項目共包含其中4個變電站、23個開關站，292個箱變。試點項目完成后，將有近3／5用電區(qū)域納入分布式FA的范圍。

智能化箱變的應用，使得配電終端智能化大為提高，從而配電網運行狀態(tài)信息得以全面監(jiān)測，實現故障快速定位和供電恢復，提高調控人員對配電網的運行監(jiān)控能力。另外，箱變應用在臨港新城區(qū)，可裝在路邊綠化區(qū)、道路交叉口、生活小區(qū)、生產廠地、高層建筑等處。同容量箱變的占地面積僅為配電房所占面積的1／5～1／10，同時大大減少了工程施工量，做到投資少、見效快。

4 箱變應用中的常見問題及對策

通過對安裝于不同地區(qū)、不同地點的箱變的檢查和對比，不難發(fā)現放置于通風條件好、日照強烈位置的箱變和放置于通風條件差、陰暗潮濕的位置的箱變，其內部電氣設備的運行情況和控制條件不完全相同［3］。然而，維持電氣設備正常運行條件的溫濕控制器和變壓器溫度控制器的啟停條件都是固化的默認值，沒有辦法隨著箱變所在位置的環(huán)境條件進行改變，不能起到改善電氣設備運行環(huán)境的作用，也不能直觀顯示實際運行環(huán)境的監(jiān)視情況。

為了防止雨水灌入箱體內部，箱變常放置于高于室外地坪的槽型混凝土基礎上。由于混凝土基礎大多埋于地下，基槽內容易積水，使得箱變內部空氣濕度過高，影響電氣設備功能的正常發(fā)揮。在基礎旁增設大于基槽深度的集水井，或在基槽底開一孔洞，用排水管于集水井連通，使得積于基槽的水可以順利排入基槽外的集水井中，從而可以大大降低基槽內積水的可能性。雖然箱變高壓環(huán)網柜內裝有溫濕度控制器，在濕度較大和相對溫差變化較大的環(huán)境條件下，柜體內部容易產生結露現象。若加熱裝置不工作，很容易造成設備因受潮或結露引起閃絡、爬電事故。對于此類問題，可以通過將濕度傳感器置于環(huán)網柜內濕度較大的中上部來解決。

5 結語

通過對箱變運行的研究和分析，深度了解了箱變的控制性能、模塊化結構、可維護性和可擴展性。因裝置的各個功能模塊由單片機直接控制，相對獨立并行工作，所以系統(tǒng)的可靠性和實時性較高。

隨著提升城網、改造農網的大力推進，我國智能箱變設計和應用的速度將不斷加快，各種新型設計技術也不斷應用于設計之中。放眼未來，新型箱變將在我國廣大城市、農村、企業(yè)等領域得到廣泛應用，促使我國的電網運行水平再上一個新臺階。

［1］ 鄭子謙.一種箱式變電站綜合自動化裝置研究［J］.設計研究，2005（10）：138-140.

［3］ 尹小本.箱式變電站應用中的常見問題及對策［J］.中國高新技術企業(yè)，2011（5）：123-124.

［2］ 王蘭紅.智能型箱式變電站的研制［J］.濰坊高等職業(yè)教育，2010（6）：68-73.