淺析箱式變電站智能管家設(shè)計(jì)方法

步長(zhǎng)存

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251100）

箱式變電站（簡(jiǎn)稱(chēng)箱變）長(zhǎng)期工作在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，其電氣部件易出現(xiàn)電氣或機(jī)械方面的故障，故障的發(fā)生將直接影響電網(wǎng)的安全及效益。其故障主要分為漸發(fā)性和突發(fā)性?xún)煞N，突發(fā)性故障無(wú)法通過(guò)監(jiān)控進(jìn)行預(yù)測(cè)，而漸發(fā)性故障是有規(guī)律可循的。絕緣老化、元件腐蝕、設(shè)備運(yùn)行溫度過(guò)高、環(huán)境條件惡劣是引發(fā)漸發(fā)性故障的主要原因，在所有故障中占有很高的比例。因此對(duì)箱變的工作狀態(tài)及溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

箱式變電站起源于20 世紀(jì)60 年代的歐美，最初的歐式箱變是將高壓柜、變壓器、低壓柜通過(guò)一定結(jié)構(gòu)組裝到一個(gè)箱體內(nèi)，不具備電力計(jì)量、無(wú)功補(bǔ)償及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能。20 世紀(jì)80 年代起，隨著配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)的應(yīng)用，箱式變電站在運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方面進(jìn)入了快車(chē)道，在歐美的帶動(dòng)下，各國(guó)開(kāi)始對(duì)智能箱式變電站進(jìn)行研究。90 年代中期，箱變經(jīng)歷了引進(jìn)、推廣和改進(jìn)三個(gè)階段，并陸續(xù)生產(chǎn)出符合我國(guó)應(yīng)用條件的箱式變電站，具備了無(wú)功補(bǔ)償，電力計(jì)量及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。箱式變電站智能化成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

本文針對(duì)箱式變電站智能化過(guò)程中抗干擾、測(cè)量精度和布線等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信技術(shù)的箱式變電站智能管家系統(tǒng)，可檢測(cè)箱式變電站運(yùn)行狀態(tài)及內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)變電站內(nèi)部信息的無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)箱式變電站狀態(tài)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。論文的設(shè)計(jì)為箱式變電站智能化提供了解決方案，對(duì)電網(wǎng)智能化起到了豐富和促進(jìn)作用。

1 整體系統(tǒng)方案

箱式變電站包含高壓配電、變壓器配電、低壓配電三部分，它們的空間排布分為“目字形”或“品字形”兩種，如圖1 所示?！捌纷中巍眱?yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，“目字形”優(yōu)勢(shì)在于接線方便。

高壓室有高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、熔斷器、鎧裝母線、套管、避雷器、無(wú)功補(bǔ)償裝置、控制或測(cè)量裝置及保護(hù)裝置等高壓配電裝置，有10KV 以上高壓，是強(qiáng)電部分。變壓器室有油位表、油溫顯示表和真空氣壓表、風(fēng)機(jī)等。低壓室有配備進(jìn)線柜、出線柜、電容柜等低壓配電裝置。

根據(jù)箱式變電站內(nèi)部配置及工作需要，本文的智能管家系統(tǒng)采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2 所示，系統(tǒng)有傳感器、無(wú)線傳輸、智能終端三個(gè)模塊。傳感器模塊安裝在箱式變電站箱體內(nèi)部，完成對(duì)各部件和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)（電流、電壓、溫度、濕度等）的采集；無(wú)線傳輸模塊將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理之后無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)控終端模塊，監(jiān)控終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理后顯示在可視化的檢測(cè)界面，可隨時(shí)隨地監(jiān)視箱式變電站的運(yùn)行情況。采集到的數(shù)據(jù)可用于故障診斷和預(yù)測(cè)報(bào)警。

圖1 箱式變電站布局示意圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，系統(tǒng)可分為三層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)層、通訊層和站控層。監(jiān)控中心可以是PC、手機(jī)、Pad 等智能終端，它通過(guò)移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)收集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)層有分布在三個(gè)腔室中的傳感器檢測(cè)運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2 系統(tǒng)組成部分設(shè)計(jì)

智能箱式變電站管家系統(tǒng)可以隨時(shí)將箱變的運(yùn)行情況（如電壓、電流、開(kāi)關(guān)位置、功率、箱體內(nèi)環(huán)境等參數(shù)）通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心，系統(tǒng)硬件組成如圖4 所示。

箱變內(nèi)部安裝電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等來(lái)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)。電壓和電流傳感器用于采集各電力部件的電壓、電流，監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)參數(shù)可以判斷箱變內(nèi)主要電力設(shè)備是否正常運(yùn)行、電能質(zhì)量是否達(dá)到指標(biāo)。溫度和濕度傳感器采集各部件以及箱體內(nèi)部溫度、濕度，煙霧傳感器采集箱體內(nèi)部的煙霧狀態(tài)。采集到的數(shù)據(jù)可通過(guò)與正常運(yùn)行條件下數(shù)據(jù)的比對(duì)，進(jìn)行隱患排查，可有效避免故障的發(fā)生。

各傳感器的分布和檢測(cè)要點(diǎn)如下：在高壓室，開(kāi)關(guān)量狀態(tài)是高壓室監(jiān)控的重點(diǎn)，主要監(jiān)控對(duì)象有高壓斷路器、高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)、各繼電保護(hù)裝置和母線風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)，同時(shí)需要檢測(cè)繞組和母線的溫度及其他環(huán)境參數(shù)；在變壓器室，主要設(shè)備是降壓變壓器，主要監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫、濕度和風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)室內(nèi)溫度和繞組線包溫度可判斷是否發(fā)生繞組短路和過(guò)載，風(fēng)機(jī)是變壓器進(jìn)行散熱的主要方式，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)以確保其正常工作；在低壓室，主要監(jiān)測(cè)進(jìn)線回路電參量，如三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率等；監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)量主要有低壓斷路器、熔斷器、無(wú)功補(bǔ)償投切開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)總體方案

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

各腔室檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)處理器以移動(dòng)無(wú)線方式與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行通信。之所以不用有線方式是因?yàn)槠鋫鬏數(shù)木窒扌蕴螅厥猸h(huán)境（如山地、湖泊、林區(qū)等）對(duì)布線有著極強(qiáng)的制約力，而無(wú)線傳輸方式幾乎不受地理環(huán)境限制，更靈活適用。

智能終端模塊將無(wú)線傳輸模塊傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、計(jì)算以及處理后將各種參數(shù)發(fā)送到可視化的顯示界面，便于監(jiān)視觀察及其他應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

作為智能化電網(wǎng)的重要組成，箱式變電站的智能化受到了越來(lái)越多的關(guān)注，傳感器、通信和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展為箱式變電站的智能化提供了有力的技術(shù)支撐。本文給出了一種基于無(wú)線通信技術(shù)、具有多變量檢測(cè)能力的箱式變電站智能管家系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)箱變?nèi)齻€(gè)腔室的功能和需求，通過(guò)電壓、電流、溫度、濕度、煙霧等傳感器來(lái)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)匯總和外部的數(shù)據(jù)傳輸。在授權(quán)的智能終端上，可實(shí)時(shí)查看箱變的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，基于相關(guān)數(shù)據(jù)可進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警。此管家系統(tǒng)可以替代日常的人工巡檢，實(shí)現(xiàn)箱變的無(wú)人值守。