開閉所智能化運(yùn)維的研究與應(yīng)用

周清平

(華自科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

作為輸配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的重要開關(guān)控制設(shè)備戶外開閉所，因其分布范圍廣、位置相對(duì)稀疏，日常巡視困難、維護(hù)費(fèi)用高、故障處理不及時(shí)，而現(xiàn)有的處理手段效果有限，無(wú)法從根本上有效解決，同時(shí)還將帶來(lái)新的問題。本文論述的智能運(yùn)維策略[1]96，即利用當(dāng)前最先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)、信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等，對(duì)開閉所一次環(huán)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行全方位智能監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)上層主站系統(tǒng)統(tǒng)一管理與調(diào)度控制，不僅提高了設(shè)備的安全運(yùn)行穩(wěn)定性，并且使?jié)撛诘膯栴}得到及時(shí)預(yù)警，發(fā)生的故障得到迅速有效的處理，更從根本上解決了日常運(yùn)行維護(hù)的難題。開閉所智能運(yùn)維方案的實(shí)施必將給配電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展帶來(lái)良好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

1 現(xiàn)有開閉所的缺陷與不足

1.1 開閉所的作用與意義

電力系統(tǒng)中，發(fā)電端發(fā)出的電能經(jīng)輸電網(wǎng)向用戶側(cè)負(fù)載傳送，必須要經(jīng)過配電系統(tǒng)的能量傳輸、分配與控制，用戶才能最終安全、可靠及有序用電。配電環(huán)節(jié)的作用非常重要，它從上級(jí)輸電網(wǎng)接受電能，依據(jù)配電系統(tǒng)架構(gòu)及供配電方案將能量有序向下級(jí)分配，是發(fā)電側(cè)向用戶終端電能傳輸不可或缺和替代的重要部分。

配電系統(tǒng)中最主要的媒介與實(shí)現(xiàn)手段即開閉所，開閉所區(qū)別于變電站或變電所，它不進(jìn)行電壓的變換，頻率、相位和相序等其他電量參數(shù)也不發(fā)生改變，開閉所僅將電流依據(jù)下級(jí)負(fù)荷的大小進(jìn)行能量的配置。因?yàn)槎嗦坟?fù)荷的存在，以及供電性質(zhì)的差異，在用戶終端側(cè)也需要設(shè)置開關(guān)進(jìn)行電能分配及負(fù)載分合控制的開關(guān)配電室。配電室主要應(yīng)用于終端而且接受的是上級(jí)變壓后的電能，然而開閉所應(yīng)用與管轄的區(qū)域更廣，一般涉及整個(gè)園區(qū)的幾個(gè)甚至十幾個(gè)配電室，是配電室的上一級(jí)供電設(shè)施。

1.2 現(xiàn)有開閉所存在的運(yùn)維問題

開閉所是配電網(wǎng)系統(tǒng)中核心設(shè)備，是系統(tǒng)架構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，多個(gè)區(qū)域的配電與電能傳輸均需開閉所進(jìn)行統(tǒng)一與集中控制。一旦系統(tǒng)中某一開閉所節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，將會(huì)引起所管轄區(qū)域整體停電及用電負(fù)荷癱瘓，或者因下級(jí)網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備原因引發(fā)上級(jí)節(jié)點(diǎn)開閉所跳閘，也將影響到同一區(qū)域的其他設(shè)備的斷電及正常使用。開閉所的重要性不言而喻，然而如何在區(qū)域發(fā)生故障情況下有效隔離故障區(qū)域，同時(shí)快速恢復(fù)非故障區(qū)域的正常供電一直是設(shè)備運(yùn)維中的一大難題。

不同于發(fā)電側(cè)或供電側(cè)的設(shè)備，處于輸配電中間環(huán)節(jié)的開閉所一般安裝并設(shè)置在戶外并且偏遠(yuǎn)的地方。開閉所依據(jù)所承載的負(fù)載大小，控制區(qū)域從小到幾個(gè)廠區(qū)，大到一個(gè)園區(qū)。雖然從管理制度上制訂并安排了設(shè)備運(yùn)行巡檢[1]97-98，但開閉所地處偏遠(yuǎn)環(huán)境，交通非常不便，并且開閉所相互之間分布非常疏遠(yuǎn)，勢(shì)必給維護(hù)及管理上帶來(lái)了不小的難度。維護(hù)人員大部分的時(shí)間基本都花在路途當(dāng)中，真正停留在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)并仔細(xì)檢查的時(shí)間并不多，有時(shí)可能巡檢完還正常的設(shè)備，在巡檢離開后的巡檢途中發(fā)生事故，這種現(xiàn)象歸根結(jié)底還是有效的巡檢時(shí)間嚴(yán)重不足造成的。

為減少電能的傳輸損耗，發(fā)電端需要將電能電壓升高，使用高電壓等級(jí)進(jìn)行電網(wǎng)傳送，到用戶端再進(jìn)行降壓。處于傳輸環(huán)節(jié)的開閉所的系統(tǒng)電壓主要為10 kV或35 kV，它從上級(jí)接受電能，向下級(jí)分配電能，具有開關(guān)分合與電能分配功能，但不進(jìn)行變壓等其他任何電量參數(shù)的改變。開閉所內(nèi)無(wú)用于設(shè)備操作控制的低壓操作與監(jiān)控電源，回路操控設(shè)備只能采用手動(dòng)操作的負(fù)荷開關(guān)，負(fù)荷監(jiān)測(cè)的儀表也只能采用指針式的表計(jì)實(shí)現(xiàn)，給設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控及負(fù)荷的監(jiān)測(cè)帶來(lái)相當(dāng)大的麻煩。

2 開閉所運(yùn)維常規(guī)解決方案

因開閉所處于配電系統(tǒng)中重要節(jié)點(diǎn)環(huán)節(jié)，控制及管轄很大一片用電負(fù)載區(qū)域，其因所轄區(qū)域內(nèi)因某一設(shè)備或線路原因，將引起開閉所對(duì)應(yīng)控制開關(guān)跳閘，從而造成大面積停電。因故障區(qū)域或某一點(diǎn)設(shè)備原因影響到其他正常運(yùn)行的負(fù)載或設(shè)備，并且在故障點(diǎn)或區(qū)域在未有效排除或處理的情況下，是無(wú)法正常供電和恢復(fù)送電的，因此帶來(lái)的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失是無(wú)法衡量的。為做到有效隔離故障區(qū)域，保障正常運(yùn)行區(qū)域，或者引起正常區(qū)域停電能迅速恢復(fù)該區(qū)域供電，目前大部分供電企業(yè)的做法主要有兩種：一是在開閉所的主回路控制開關(guān)使用不自動(dòng)跳閘的負(fù)荷開關(guān)，在所轄區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，開閉所節(jié)點(diǎn)開關(guān)不跳閘，從而不對(duì)正常運(yùn)行設(shè)備造成影響；二是使用帶跳閘保護(hù)功能的真空斷路器，開閉所內(nèi)斷路器與下級(jí)斷路器開關(guān)在故障跳閘級(jí)別進(jìn)行分級(jí)，下級(jí)發(fā)生短路等故障時(shí)，下級(jí)開關(guān)提前主動(dòng)跳閘，不影響到上級(jí)的節(jié)點(diǎn)斷路器跳閘，從而有效隔離了故障，保護(hù)了正常使用負(fù)載。

為兼顧下接的所有負(fù)荷，開閉所位置的設(shè)立不會(huì)靠近某一個(gè)廠區(qū)，而是偏離廠區(qū)選擇在相互之間的中間位置，這勢(shì)必給開閉所的管理及日常維護(hù)帶來(lái)諸多不便。為解決這個(gè)問題，使開閉所的運(yùn)維能更加便捷，大多數(shù)供電公司將開閉所設(shè)立在靠近交通方便，施工條件便利的廠區(qū)附近，或者直接將開閉所與某一園區(qū)的大負(fù)荷控制中心在空間設(shè)置上合并，進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)備管理?；蛘咴陂_閉所的位置選擇上人為或有意地靠近交通便利的地方，并且在開閉所的設(shè)施配置上也盡量考慮到運(yùn)行維護(hù)的方便。

開閉所內(nèi)手動(dòng)操作的負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)因操作強(qiáng)度大，一般操作人員很難順利進(jìn)行到位，有時(shí)需要經(jīng)過多次反復(fù)操作，不但給日常控制維護(hù)添加麻煩，而且因人為操作力度無(wú)法準(zhǔn)確把控的情況下操作機(jī)構(gòu)在多次人為操作后很容易損壞。為解決如此突出的問題，大部分企業(yè)的做法就是采用電動(dòng)形式的負(fù)荷開關(guān)，或?qū)ΜF(xiàn)有手動(dòng)負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行電動(dòng)操作的改造。開關(guān)使用電動(dòng)操作，大大方便了日常的操作與控制，同時(shí)開關(guān)的操作靈敏度，使用壽命和可控性等方面得到改善。

3 開閉所智能運(yùn)維策略

現(xiàn)有的開閉所處理辦法雖然在一定程度上能解決當(dāng)前急需解決的困難，但卻從另一方面帶來(lái)了新的問題。使用不跳閘的負(fù)荷開關(guān)，下級(jí)負(fù)荷發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。使用動(dòng)作參數(shù)配合的斷路器，實(shí)際運(yùn)行中卻無(wú)法做到上下級(jí)開關(guān)精準(zhǔn)配合。人為考慮開閉所位置便捷，勢(shì)必增加線路長(zhǎng)度，增加線損。電動(dòng)負(fù)荷的采用，因其動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，根本無(wú)法滿足保護(hù)控制精度的要求。

開閉所的智能運(yùn)維策略能從根本上使以上問題得到解決。開閉所的智能運(yùn)維即開閉所的智能化，采用遠(yuǎn)方智能終端和主站控制系統(tǒng)架構(gòu)，通過對(duì)配電一次設(shè)備的全方位智能化監(jiān)控，能夠做到24小時(shí)不間斷在線監(jiān)測(cè)，故障自診斷及自愈恢復(fù)，多途徑及方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及在線維護(hù)，大大提高設(shè)備運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。

3.1 主站控制系統(tǒng)

如圖1所示主站控制系統(tǒng)即配電網(wǎng)開閉所等配電設(shè)備的自動(dòng)化[2]系統(tǒng)中心站，主要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)及設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等基本功能及電網(wǎng)分析應(yīng)用等擴(kuò)展功能，從而為配電網(wǎng)調(diào)度服務(wù)，功能包括公共平臺(tái)服務(wù)、配電SCADA功能[3]2、饋線故障處理、配電網(wǎng)分析應(yīng)用、智能化功能及公共平臺(tái)服務(wù)。

主站系統(tǒng)一般位于城市調(diào)度中心，它將智能遠(yuǎn)方監(jiān)控終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)應(yīng)用，也可與外部系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)，是人機(jī)交互的接口。

圖1 主站控制系統(tǒng)

3.2 一次環(huán)網(wǎng)設(shè)備

因SF6氣體良好的電氣絕緣性能及密封后的免維護(hù)性，開閉所內(nèi)一次設(shè)備基本使用SF6全絕緣充氣式環(huán)網(wǎng)柜，隔離/接地開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)和真空斷路器等主元件全密封在SF6氣箱內(nèi)。各開關(guān)和斷路器通過外部機(jī)構(gòu)進(jìn)行屏柜本地操作，操作機(jī)構(gòu)配置彈操或永磁操動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。

系統(tǒng)方案上配置兩臺(tái)可環(huán)網(wǎng)電源供電的進(jìn)線柜，終端時(shí)僅配置一臺(tái)電源進(jìn)線柜，作為一次系統(tǒng)的電源控制與保護(hù)；一套系統(tǒng)電壓互感器柜，用于對(duì)母線系統(tǒng)電壓的采樣及監(jiān)測(cè)；饋線柜的數(shù)量依據(jù)需要進(jìn)行配置，可以一到多臺(tái)不受限制，對(duì)下級(jí)配電網(wǎng)或線路起到集中控制作用。如圖2所示。

圖2 一次系統(tǒng)圖

3.3 智能遠(yuǎn)方監(jiān)控終端

智能開閉所內(nèi)配置智能遠(yuǎn)方監(jiān)控終端[3]2，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)設(shè)備G01～G04隔離接地開關(guān)、F01負(fù)荷開關(guān)、及Z01～Z04真空斷路器的分/合、現(xiàn)地/遠(yuǎn)程控制、閉鎖/解鎖控制；完成對(duì)開關(guān)設(shè)備的位置信號(hào)、動(dòng)作狀態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)；并通過H01～H04電流互感器、L01～L04零序互感器、Y01～Y03電壓互感器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和電能等電量數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算；實(shí)現(xiàn)對(duì)饋線開關(guān)的故障識(shí)別、自動(dòng)隔離故障區(qū)、快速恢復(fù)非故障區(qū)間供電；同時(shí)具備各種通信功能，能夠?qū)崟r(shí)將采集的數(shù)據(jù)上傳主站，從而實(shí)現(xiàn)10 kV環(huán)網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)方測(cè)控自動(dòng)化[3]3-4功能。

監(jiān)控終端依據(jù)被監(jiān)控對(duì)象的性質(zhì)，主要的監(jiān)控內(nèi)容及相互之間的組合關(guān)系，采取最佳的監(jiān)控作策略和控制手段。對(duì)于含有隔離開關(guān)、真空斷路器和接地開關(guān)的雙電源進(jìn)線柜，監(jiān)控終端先進(jìn)行主/備電源的判斷，正常情況下主電源供電，主電源異常時(shí)備用電源供電。1#主電源投入時(shí)，先監(jiān)測(cè)檢修室門是否安全開閉，然后判斷G01的接地刀是否分開且隔離刀是否閉合，同時(shí)監(jiān)測(cè)權(quán)限控制開關(guān)是否允許遠(yuǎn)控操作，滿足條件時(shí)才向真空斷路器發(fā)出合閘信號(hào)，從而完成送電過程，如圖3所示。

3.4 開閉所智能運(yùn)維功效

開閉所智能化監(jiān)控后，日常運(yùn)維變成無(wú)人或少人值守，設(shè)備安裝位置已不再重要，經(jīng)對(duì)饋出線路綜合考慮后，達(dá)到整體線路短、線損能耗低的性能要求。

智能開閉所配置帶儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的真空斷路器，因操作回路使用了能量?jī)?chǔ)存機(jī)構(gòu)，使得分合閘不僅操作電流小，動(dòng)作靈敏度高，而且轉(zhuǎn)換速度快，到達(dá)毫秒級(jí)別，完全滿足保護(hù)精度的要求。并且真空斷路器具有故障高分?jǐn)嗄芰?、保護(hù)動(dòng)作速度快、靈敏度高及易控制等特點(diǎn)。

圖3 智能遠(yuǎn)方監(jiān)控框圖

智能開閉所在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，將PT變壓后二次交流電壓進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換，并配置后備電池系統(tǒng)，開閉所內(nèi)開關(guān)及其他儀表等采用直流電源，在系統(tǒng)停電或其他原因失電情況下，直流電源仍能繼續(xù)供電，從而保證了開關(guān)仍能可靠電氣操作、儀表和其他裝置的參數(shù)及定值仍能可靠存儲(chǔ)。設(shè)備的遠(yuǎn)程通信及控制不會(huì)有絲毫影響，由此極大地提高設(shè)備的可維護(hù)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文從實(shí)際工作角度出發(fā)，闡述了開閉所在配電領(lǐng)域的重要性以及現(xiàn)有開閉所在日常運(yùn)維中普遍存在的問題，提出了開閉所的智能運(yùn)維策略，從根本上解決了開閉所普遍存在的運(yùn)維困難，維護(hù)成本高和問題處理不及時(shí)等問題。但因研究的深入程度問題，未能進(jìn)一步分析與說明開閉所整休智能方案與配電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)及上層應(yīng)用的關(guān)系與解決策略，希望在以后的工作中隨著研究的深入而得到解決。