一種箱式變電站及其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姜豐東 于永久

摘要：箱式變電站具有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在城鎮(zhèn)、農(nóng)村的供電。本文主要對(duì)箱式變電站進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從而來(lái)提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)效率，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)信息共享。

關(guān)鍵詞：箱式變電站；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

箱式變電站的結(jié)構(gòu)與基本功能

箱式變電站的結(jié)構(gòu)

箱式變電站是電力網(wǎng)中的線(xiàn)路連接點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)變換電壓、交換功率和匯集、分配電能的設(shè)施。箱式變電站包括高壓部分、電力變壓器部分、低壓部分以及計(jì)量單元和智能化單元，它的優(yōu)點(diǎn)是具有占地面積小、少維護(hù)、更高性能、而且節(jié)約能耗、可以將幾部分進(jìn)行拼裝，所以箱變安裝和運(yùn)輸都很方便。目前，箱變廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)、農(nóng)村公共設(shè)施供電、居民小區(qū)以及工廠(chǎng)、碼頭、油田等。

組合式與一體式這兩種是箱式變電站的總體布置的主要形式?！澳俊弊中团c“品”字型的組合形式是組合式這種分為三部分布置的最常見(jiàn)的表現(xiàn)，在當(dāng)變壓器室內(nèi)排列著多臺(tái)的變壓器時(shí)，采用“品”字組合型則更為有利（如圖1所示）。而以變壓器為主體，負(fù)荷開(kāi)關(guān)和熔斷器等材料裝配在變壓器箱內(nèi)部的這種布置格局結(jié)構(gòu)則是一體式。

圖1 箱式變電站的布置圖

箱式變電站的基本功能

1、箱式變電站高壓側(cè)(10kV)的功能

箱式變電站高壓側(cè)一般選用負(fù)荷開(kāi)關(guān)配合限流熔斷器作為變壓器的主保護(hù)，按高壓開(kāi)關(guān)的數(shù)量及開(kāi)關(guān)接入方式可分為：環(huán)網(wǎng)型、雙電源型和終端型，變壓器分段范圍保護(hù)由兩組插入式熔斷器和后備保護(hù)熔斷器串聯(lián)組成，為了避免高壓部分缺相運(yùn)行，當(dāng)插入式熔斷器的其中一相熔斷時(shí)，可以聯(lián)鎖分閘三相負(fù)荷開(kāi)關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的電動(dòng)操作，高壓線(xiàn)路側(cè)負(fù)荷開(kāi)關(guān)會(huì)配置24V直流電源作為電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。

箱式變電站中電力變壓器功能

箱式變電站中電力變壓器將將 10kV 降至380V/220V，電力變壓器容量一般為160 kVA至1600kVA。變壓器的為三相三柱或三相五柱或立體卷鐵心結(jié)構(gòu)、Dyn11或 Yyn12 聯(lián)結(jié)，熔斷器連接在變壓器外部。立體卷鐵心變壓器的特點(diǎn)是鐵心在空間上完全對(duì)稱(chēng)，比三相三柱疊片鐵心更容易保證各項(xiàng)電磁參數(shù)。這種鐵心具有節(jié)材節(jié)能、三相磁路對(duì)稱(chēng)、勵(lì)磁電流小、空載損耗低、諧波小、噪聲大幅度下降等特點(diǎn)。

箱式變電站低壓側(cè)(0.4kV)的功能特點(diǎn)

箱式變電站低壓側(cè)，饋電電流出線(xiàn)部分一般配置空氣塑殼斷路器或者刀熔開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)；用戶(hù)用電負(fù)荷變化快時(shí)，采用自動(dòng)循環(huán)投切的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（當(dāng)用戶(hù)用電負(fù)荷變化緩慢時(shí)，一般采用靜態(tài)補(bǔ)償裝置），補(bǔ)償容量為變壓器容量的10%至40%；低壓主開(kāi)關(guān)需要配置智能控制器，控制器帶有信號(hào)單元和操作控制單元，當(dāng)出線(xiàn)斷相或者過(guò)流，過(guò)壓時(shí)，可以自動(dòng)切斷主開(kāi)關(guān)，達(dá)到預(yù)警的功能。

箱式變電站的組成和使用的條件

箱式變電站的組成和功能

在工廠(chǎng)內(nèi)部先將高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、低壓開(kāi)是若干個(gè)箱盒中，組成成套的配電設(shè)備，并用這些設(shè)備將電能從高壓系統(tǒng)輸送到低壓系統(tǒng)中。

箱式變電站的使用條件

使箱式變電站正常的運(yùn)行和為人們生活提供便利，也要確保在使用過(guò)程中能遵循箱式變電站使用的條件，以下就幾點(diǎn)簡(jiǎn)單的進(jìn)行認(rèn)識(shí)：（1）箱式變電站所處的地點(diǎn)海拔不得超過(guò)1000米；（2）箱式變電站的環(huán)境最高溫度要控制為40℃，日均最高氣溫要小于35℃，而最低氣溫要控制為-25℃，當(dāng)箱式變電站的溫度為25℃時(shí)，相對(duì)濕度的日平均值不可以超過(guò)95%，月平均值不超過(guò)90%，要將戶(hù)外的風(fēng)速控制在35m/s以?xún)?nèi)；（3）箱式變電站的安裝地點(diǎn)必須確保沒(méi)有爆炸的危險(xiǎn)， 火災(zāi)隱患以及化學(xué)腐蝕劑。

箱式變電站智能系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能終端系統(tǒng)

智能終端系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，由 CPU 模塊，計(jì)量模塊，顯示模塊和通訊模塊組成。電池供給 CPU 自身的用電，時(shí)鐘時(shí)鐘器件 MC146818為 CPU 提供時(shí)間校驗(yàn)，通過(guò)鍵盤(pán)輸入?yún)?shù)，通過(guò) CPU 數(shù)據(jù)處理，由顯示器顯示，該終端還具有電流電壓計(jì)量功能，支持遙測(cè)，遙信信號(hào)，以及 RS232 端口和多路 RS485 端口，具有 GPRS/CDMA 兩種方式的通訊功能。

CPU 模塊中包括單片機(jī)系統(tǒng)、模擬量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、通信接口模塊，顯示模塊等。

圖2智能終端系統(tǒng)組成

通訊網(wǎng)絡(luò)

智能變電站實(shí)現(xiàn)了一系列的高級(jí)應(yīng)用功能，因此對(duì)站內(nèi)設(shè)備提出了更高的要求，比如一次設(shè)備智能化、一體化系統(tǒng)平臺(tái)等。同時(shí)由于需要大量信息需要交換，因此，智能變電站需要數(shù)字化的通信平臺(tái)。而數(shù)字化的通信平臺(tái)，首先是需要有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路的傳輸技術(shù)來(lái)保證各點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的可靠到達(dá)?，F(xiàn)有箱式變電站采用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種通訊方式，有線(xiàn)通訊包括光纖、電話(huà)線(xiàn)、RS485 總線(xiàn)和低壓電力線(xiàn)載波傳輸。

智能箱式變電站通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。系統(tǒng)的管理主站存放在各電力公司。通過(guò)光纖分布與各個(gè)變電站的智能網(wǎng)關(guān)相連接。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與智能終端相連，通過(guò)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)逐級(jí)把數(shù)據(jù)傳遞給核心交換機(jī)。系統(tǒng)自上至下由通信平臺(tái)管理系統(tǒng)主站、核心交換機(jī)、節(jié)點(diǎn)交換機(jī)、智能終端組成，通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議解析，實(shí)現(xiàn)全程鏈路的構(gòu)建。

圖3 智能箱式變電站通訊網(wǎng)絡(luò)體系

后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)主要由能耗管理系統(tǒng)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS 電源組成。后臺(tái)管理系統(tǒng)采用 C++Bulider 編程制作，第四章將詳細(xì)講解該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。后臺(tái)管理系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)采集的設(shè)備層實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯等方式反映變電站的運(yùn)行情況，對(duì)箱式變電站中歷史能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)：用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，為系統(tǒng)內(nèi)或外部提供數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行系統(tǒng)管理、維護(hù)和分析工作。打印機(jī)：系統(tǒng)召喚打印或字形打印圖像、報(bào)表等。

UPS 電源：保證監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常供電，在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生供電問(wèn)題時(shí)，保證后臺(tái)管理設(shè)備的正常運(yùn)行。

箱式變電站智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總方案

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是否成功關(guān)系到整個(gè)智能箱式變電站的系統(tǒng)是否能夠靈活使用、操作方便和可靠性等，軟件設(shè)計(jì)的要求是，可以在較少改變硬件電路的條件下，改進(jìn)整個(gè)箱式變電站的系統(tǒng)功能。

軟件任務(wù)層次化，然后對(duì)沒(méi)層次的任務(wù)逐步詳細(xì)化“自頂向下，逐步求精”的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，由于軟件任務(wù)層中的每個(gè)功能都是相互獨(dú)立，所以彼此之間的影響會(huì)較少，通過(guò)主程序調(diào)用各層任務(wù)中的子程序，按照劃分相反的過(guò)程進(jìn)行編寫(xiě)和調(diào)用程序，當(dāng)所有的子程序都編寫(xiě)完成后，按照子程序之間的順序邏輯組合起來(lái)，形成一個(gè)完整的軟件程序。

在智能箱式變電站中，系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、斷路器開(kāi)合狀態(tài)、油位等信號(hào)通過(guò)智能終端采集器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為后臺(tái)管理中監(jiān)控計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字量后，后臺(tái)管理系統(tǒng)將對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析，得到配電系統(tǒng)中的相電流、相電壓波形以及總有功功率、總無(wú)功功率、總有功電度、總無(wú)功電度、總功率因素以及元器件的溫度等參量，并根據(jù)這些參數(shù)的結(jié)構(gòu)以及報(bào)警設(shè)定值，確定判斷設(shè)備裝置的動(dòng)作行為。所以自能終端采集器的采集算法的選擇不僅與裝置需要實(shí)現(xiàn)的功能相關(guān)，也與采樣的方式密切相連。選擇合理的算法可以?xún)?yōu)化整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)和計(jì)算，而且能夠提高系統(tǒng)的精度和可靠性能。整個(gè)智能系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為智能采集終端采集程序設(shè)計(jì)和終端與后臺(tái)管理系統(tǒng)的串行通訊設(shè)計(jì)。

后臺(tái)管理系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

后臺(tái)管理系統(tǒng)是在 C+ +Builder 環(huán)境下開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，后臺(tái)管理系統(tǒng)由以下的功能：通過(guò)串口通訊端口 RS232 連接后端數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，進(jìn)行電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理，同時(shí)利用數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，將歷史電力數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。如圖4所示，其主要包含與下位機(jī)通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)和報(bào)表打印。

圖4 后臺(tái)管理軟件功能框圖

后臺(tái)管理系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則有以下幾點(diǎn)：

要以通信功能作為界面設(shè)計(jì)的核心

人機(jī)界面設(shè)計(jì)的的關(guān)鍵是使人與計(jì)算機(jī)之間能夠準(zhǔn)確地交流信息。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的人機(jī)界面時(shí)，要針對(duì)每一個(gè)功能，采用模塊化思想，使得數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)輸出模塊相互獨(dú)立。

界面友好、使用方便

由于電力采集的參數(shù)輸入量較大，對(duì)于不同類(lèi)型的參數(shù)，進(jìn)行分類(lèi)、分項(xiàng)管理，數(shù)據(jù)大部分可以用圖表和曲線(xiàn)表示。

結(jié)束語(yǔ)

箱式變電站具有占地面積小、投資成本低、運(yùn)行安全可靠等諸多優(yōu)勢(shì)，但是由于電氣儀表和采集傳感器自身等因素的影響，導(dǎo)致所采集的變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低，控制系統(tǒng)智能化程度低等。通過(guò)對(duì)箱式變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，從而來(lái)提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)效率，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)信息共享。

參考文獻(xiàn)

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