智能開(kāi)關(guān)柜在變電站工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭云濤

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司天津院，天津 300191)

智能開(kāi)關(guān)柜在變電站工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭云濤

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司天津院，天津 300191)

智能開(kāi)關(guān)柜是智能電網(wǎng)及智能變電站的基本組成單元，是集中機(jī)械與電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等結(jié)合的多種技術(shù)綜合技術(shù)成果。主要介紹了智能電網(wǎng)及智能開(kāi)關(guān)柜的主要功能及特點(diǎn)，對(duì)目前智能開(kāi)關(guān)柜所遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討,并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，提出一種智能開(kāi)關(guān)柜功能及配置方案，可以方便及更好的實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、在線智能監(jiān)測(cè)功能。

智能電網(wǎng)；智能變電站；智能開(kāi)關(guān)柜；在線監(jiān)控；智能控制保護(hù)；工程應(yīng)用

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益龐大，35 kV及以下變電站朝著占地面積小，系統(tǒng)集成度高的方向發(fā)展，目前，由開(kāi)關(guān)柜組成的室內(nèi)變電站，其占地面積小、系統(tǒng)集成度高、維護(hù)簡(jiǎn)便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程及設(shè)計(jì)的主流。

隨著智能電網(wǎng)及配電自動(dòng)化的發(fā)展，要求變配電末端的35 kV及以下變電站具有自成系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)、通訊等功能，同時(shí)，對(duì)上級(jí)需要有遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度、通訊功能，對(duì)配電網(wǎng)底層的開(kāi)關(guān)柜的智能化提出了更高的要求。

本文對(duì)智能電網(wǎng)及智能開(kāi)關(guān)柜功能和技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的敘述，并結(jié)合智能開(kāi)關(guān)柜的發(fā)展情況介紹了在實(shí)際工程中的配置和功能應(yīng)用，提出一種智能開(kāi)關(guān)柜功能及配置方案，可以方便及更好的實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、在線智能監(jiān)測(cè)功能。

1 智能電網(wǎng)及智能開(kāi)關(guān)柜的特點(diǎn)

智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感量測(cè)控技術(shù)、信息通信新技術(shù)、分析決策技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、能源電力技術(shù)以及電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)[1-2]，智能開(kāi)關(guān)柜作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，結(jié)合智能電網(wǎng)其他部分，采用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將具有通訊能力的開(kāi)關(guān)器件與系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各開(kāi)關(guān)柜與上位機(jī)后臺(tái)系統(tǒng)(中控層)，各變電站與調(diào)度站(調(diào)度層)通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，達(dá)到中控層對(duì)現(xiàn)地開(kāi)關(guān)柜、調(diào)度層對(duì)各中控層及現(xiàn)地開(kāi)關(guān)柜的遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、遙信和遙視(“五遙”)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能變電站結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜主要通過(guò)斷路器、接觸器、互感器等一次開(kāi)關(guān)設(shè)備及繼電器、電工儀表等組合實(shí)現(xiàn)配電、控制、保護(hù)、監(jiān)視功能，智能開(kāi)關(guān)柜在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜基礎(chǔ)上，加以先進(jìn)的傳感器設(shè)備及控制保護(hù)設(shè)備，通過(guò)開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，其與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜相比有以下特點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)；

(2)功能集成化、數(shù)字化布置分散化、網(wǎng)絡(luò)化、控制保護(hù)智能化；

(3)維護(hù)方便、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化；

(4)更先進(jìn)的“五防”功能，可靠性增加。

2 智能開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及功能

智能開(kāi)關(guān)柜由先進(jìn)的一次開(kāi)關(guān)設(shè)備、二次監(jiān)控保護(hù)設(shè)備以及先進(jìn)的傳感器構(gòu)成，通過(guò)傳感器提供的數(shù)據(jù)，將保護(hù)監(jiān)視、控制、測(cè)量與通信功能集于一體[3]，其主要結(jié)構(gòu)功能如圖2所示。

圖2 智能開(kāi)關(guān)柜功能結(jié)構(gòu)圖

2.1 微機(jī)保護(hù)、測(cè)控、電能質(zhì)量

智能開(kāi)關(guān)柜微機(jī)保護(hù)、測(cè)控、電能質(zhì)量檢測(cè)功能由微機(jī)綜合保護(hù)裝置(綜保)、智能儀表以及電能質(zhì)量檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)，其中綜合保護(hù)裝置由DSP等高度集成的信號(hào)處理設(shè)備模塊化，數(shù)字化可實(shí)現(xiàn)大部分的監(jiān)控保護(hù)功能，集成斷路器控制、系統(tǒng)保護(hù)、測(cè)量、信號(hào)報(bào)警、開(kāi)關(guān)量采集、通訊于一體，實(shí)現(xiàn)大部分的保護(hù)測(cè)量功能，綜合保護(hù)裝置目前在變電站中應(yīng)用已普及、技術(shù)相對(duì)較成熟。

2.2 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)環(huán)境監(jiān)控

智能開(kāi)關(guān)柜內(nèi)環(huán)境集中體現(xiàn)為溫度、濕度、壓力等，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柜內(nèi)溫度、濕度及壓力情況，當(dāng)有異常時(shí)，控制器予以報(bào)警，并通過(guò)邏輯判斷由控制器控制加熱器與風(fēng)扇，使柜內(nèi)溫度、濕度、壓力維持于正常水平。

2.3 觸點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)

開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)主要包括斷路器觸頭、母線連接點(diǎn)、電纜接點(diǎn)等，通過(guò)安裝于各觸頭的溫度傳感器，實(shí)時(shí)采集各部位溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通訊方式發(fā)送至接收器進(jìn)行顯示及保存，當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)的報(bào)警溫度時(shí)(如預(yù)設(shè)高溫預(yù)警為50 ℃，超高溫為80 ℃)，予以報(bào)警及斷路器動(dòng)作。

2.4 斷路器狀態(tài)

斷路器作為智能開(kāi)關(guān)柜的核心器件，對(duì)其特性及狀態(tài)的監(jiān)控極其重要。斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括斷路器的機(jī)械特性以及斷路器真空泡真空度監(jiān)測(cè)、機(jī)構(gòu)溫升、二次回路故障監(jiān)測(cè)以及基本的斷路器合閘指示、斷路器機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能指示等[4]，在此主要介紹一下斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)。斷路器的機(jī)械特性參數(shù)主要包括：合分閘時(shí)間、速度、行程、開(kāi)距、同期、彈跳等，對(duì)于斷路器的機(jī)械特性有，一般設(shè)備廠家在斷路器出廠前會(huì)通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備予以測(cè)試，考慮到開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性的在線檢測(cè)一直為技術(shù)難點(diǎn)，多種測(cè)試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在此介紹一種針對(duì)真空斷路器機(jī)械特性的測(cè)試方法，在傳動(dòng)主軸上安裝精度較高的光電編碼器，通過(guò)對(duì)角速度、角位移、角加速度、旋轉(zhuǎn)的起止時(shí)刻等的測(cè)量，間接體現(xiàn)真空泡內(nèi)動(dòng)、靜觸頭的情況，再通過(guò)與斷路器出廠數(shù)據(jù)、合分閘特性曲線進(jìn)行擬合，當(dāng)其計(jì)算值與基準(zhǔn)值擬合超過(guò)限值時(shí)，采取報(bào)警及相應(yīng)的保護(hù)措施，以合閘過(guò)程為例，斷路器合閘行程-時(shí)間曲線如圖3所示。

圖3 斷路器合閘行程-時(shí)間曲線

圖中3曲線可由綜合保護(hù)裝置DSP數(shù)據(jù)處理器模塊經(jīng)實(shí)時(shí)采集光電編碼器位置、時(shí)間、角速度、交加速度，按照表1公式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到，并與斷路器出廠前原始合閘曲線進(jìn)行擬合，在開(kāi)關(guān)柜本體HMI上動(dòng)態(tài)顯示，并通過(guò)485通訊等方式上傳至上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控。

2.5 絕緣監(jiān)察

變電站中由絕緣引起的故障所占比例較大，開(kāi)關(guān)柜絕緣故障是由開(kāi)關(guān)柜的母線對(duì)地或母線間的放電及柜內(nèi)電氣絕緣子泄露電流過(guò)大造成的，在絕緣引起的電力事故中都會(huì)伴有不同程度的放電現(xiàn)象，產(chǎn)生電暈、電弧、甚至電火花，通過(guò)測(cè)量絕緣事故所伴隨的電、光、聲、熱等信號(hào)，有不同的監(jiān)測(cè)方法，例如超聲波法、暫態(tài)對(duì)地電壓(TEV)法、超高頻法、紫外監(jiān)測(cè)法等[5]，在此介紹一種采用聲光監(jiān)測(cè)的方法，已在工程中得以應(yīng)用。在開(kāi)關(guān)柜中安裝弧光傳感器，實(shí)時(shí)采集局部放電引起的電暈、電弧等信息，上傳至監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，再將分析結(jié)果上傳至后臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣問(wèn)題的在線監(jiān)察。

表1 斷路器合閘過(guò)程參數(shù)表達(dá)式

2.6 操作機(jī)構(gòu)自動(dòng)化

操作機(jī)構(gòu)主要包括斷路器/接觸器等的合分閘電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、電動(dòng)手車、電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)等，斷路器的操作機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化通過(guò)安裝于開(kāi)關(guān)柜的綜合保護(hù)裝置或顯示操控裝置可現(xiàn)地操作及后臺(tái)集中操作，電動(dòng)手車及電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)等裝置隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展及越來(lái)越高的“無(wú)人值班”的要求，將會(huì)逐步的加入。

2.7 開(kāi)關(guān)柜的視頻圖像監(jiān)控

“遙視”作為“五遙”之一，已成為智能電網(wǎng)的基本功能要求[6]，目前大部分變電站內(nèi)安裝有攝像頭也主要作為巡視與安防的作用(部分高清攝像頭可監(jiān)視室外變電站及開(kāi)關(guān)柜柜面信息)，通過(guò)安裝于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)特定位置的微型攝像頭，可對(duì)柜內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有助于工作人員了解設(shè)備情況，使用圖像增強(qiáng)、模式識(shí)別技術(shù)可對(duì)放電現(xiàn)象進(jìn)行捕捉，減輕人員的工作強(qiáng)度，提高效率。

3 智能開(kāi)關(guān)柜工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

智能開(kāi)關(guān)的研究已有多年，由于沒(méi)有通用成熟的技術(shù)及裝置，并且各類設(shè)備存在安裝分散、系統(tǒng)兼容等問(wèn)題，使智能開(kāi)關(guān)柜未能得到廣泛的應(yīng)用，智能開(kāi)關(guān)柜的功能及配置也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在此介紹一套已在工程中應(yīng)用的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及開(kāi)關(guān)柜功能配置設(shè)計(jì)方案。

本系統(tǒng)為35 kV變電站，主要分為現(xiàn)地層及監(jiān)控層?，F(xiàn)地層主要由智能開(kāi)關(guān)柜、變壓器等組成；監(jiān)控層主要由變電站、機(jī)組監(jiān)控屏、直流及綜合保護(hù)屏、監(jiān)控后臺(tái)等組成。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)采用雙冗余配置，可大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。

本系統(tǒng)為35/10 kV變電站系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)柜選用KYN系列金屬鎧裝中置式開(kāi)關(guān)柜，下面以1段10 kV母線為例，簡(jiǎn)述智能開(kāi)關(guān)柜的配置及功能，開(kāi)關(guān)柜主要配置見(jiàn)圖5開(kāi)關(guān)柜配置系統(tǒng)圖。

圖4 變電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 智能開(kāi)關(guān)柜配置系統(tǒng)圖

如圖5所示，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)配置斷路器、避雷器、互感器、接地開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備，對(duì)于智能開(kāi)關(guān)柜的二次元器件主要由綜合保護(hù)裝置、智能儀表、智能操控裝置、無(wú)線測(cè)溫裝置、消弧消諧裝置、電弧光保護(hù)主機(jī)及傳感器、微型攝像頭組成。綜合保護(hù)裝置及智能儀表實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)控、電能質(zhì)量檢測(cè)功能，如過(guò)流保護(hù)、速斷保護(hù)等保護(hù)及測(cè)量電流、電壓、功率因數(shù)、有功電度、無(wú)功電度、諧波等參數(shù)，并上傳至后臺(tái)系統(tǒng)；智能操控裝置可實(shí)現(xiàn)真空斷路器及接地開(kāi)關(guān)的自動(dòng)化操作、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)模擬圖顯示，配備加熱器及風(fēng)扇裝置可實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)環(huán)境的在線檢測(cè)及實(shí)時(shí)環(huán)境顯示及報(bào)警，同時(shí)與無(wú)線測(cè)溫裝置配合，作為無(wú)線測(cè)溫的接收及顯示裝置完成柜內(nèi)關(guān)鍵部位觸點(diǎn)溫度的監(jiān)測(cè)及顯示；消弧消諧裝置裝于一段母線的PT柜中，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)(接地故障、PT斷線和電網(wǎng)諧振)準(zhǔn)確判斷，并做出及時(shí)報(bào)警及跳閘動(dòng)作；電弧光保護(hù)裝置由電弧光主機(jī)及弧光傳感器組成，在各開(kāi)關(guān)的母線室及電纜觸頭等連接處內(nèi)設(shè)置弧光傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)弧光放電現(xiàn)象，同時(shí)基于弧光傳感器的快速檢測(cè)及響應(yīng)性，可作為快速母線保護(hù)，增加保護(hù)系統(tǒng)可靠性；在各開(kāi)關(guān)柜設(shè)置三個(gè)微型紅外攝像頭，可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智能能電網(wǎng)及智能變電站成為電力技術(shù)的發(fā)展方向，因此對(duì)智能開(kāi)關(guān)柜要求更高。目前智能開(kāi)關(guān)柜配置沒(méi)有統(tǒng)一與標(biāo)準(zhǔn)的配置，本文給出一種智能開(kāi)關(guān)柜的主要配置，融合先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、智能通訊等技術(shù)可更好的實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜的遙控、遙測(cè)、遙調(diào)，遙信、遙視。實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站系統(tǒng)的保護(hù)測(cè)控功能，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

[1] 葉伯穎,丁浩杰. 智能配電網(wǎng)中智能中壓開(kāi)關(guān)柜關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)研究 [J].電氣應(yīng)用, 2014,33(13): 60-64.

[2] 余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)述評(píng)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009,46(34):1-8.

[3] 孫健秧,郭建釗,姚良鑄,等.中壓智能開(kāi)關(guān)柜綜述及解決方案的探討[J].華東電力, 2012,41(4): 84-86.

[4] 肖永,王少暉，白如冰.智能變電站中壓開(kāi)關(guān)柜智能化解決方案[J].電氣應(yīng)用, 2013,32(24): 45-49.

[5] 蔡月明,李惠宇,何勝利.智能開(kāi)關(guān)控制裝置關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(11):129-132

[6] 支艷華,王金全,唐友懷,等.中低壓配電柜數(shù)字化技術(shù)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,41(3):158-161.

Application of Intelligent Switchgears in Substation Engineering Design

Guo Yuntao

(Yellow River Survey, Planning and Design Co., Ltd., Tianjin Institute, Tianjin 300191, China)

As a basic unit of smart grids and intelligent substations, the intelligent switchgear is a technical achievement of a combination of different technologies such as mechanical and electronic technology, sensor technology, information processing technology and computer technology. This paper introduces main functions and characteristics of smart grids and intelligent switchgears, discusses some problems confronting intelligent switchgears, and with respect to actual engineering application, presents a configuration scheme for the functions of intelligent switchgears which can easily realize better functions of protection, control and intelligent online monitoring.

smart grid；intelligent substation；intelligent switchgear；online monitoring；intelligent control and protection；engineering application

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.015

TM76

A

1000-3886(2016)06-0047-04

郭云濤(1983-)，男，河北人，工程師，碩士，專業(yè)：電氣自動(dòng)化，主要從事智能變電站配電及監(jiān)控設(shè)計(jì)研究。

定稿日期: 2016-02-29