一種變電站用智能化檢修調(diào)試平臺的研制

陳昊，王抗，張海華 ，周永榮

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 檢修分公司，江蘇 南京 211102； 2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展，變電站電氣設(shè)備工作的可靠性對保證整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行愈加重要，稍有不慎便會引發(fā)諸如印度大停電、巴西大停電的嚴重事故[1-2]。因此，需要按一定周期對變電站電氣設(shè)備，例如一次設(shè)備、二次保護裝置等進行檢修和調(diào)試[3-4]。變電站檢修調(diào)試工作的質(zhì)量和效率直接決定著電網(wǎng)供電的可靠性。近年來，隨著變電站智能運檢技術(shù)的興起和新型精密儀器的頻繁使用，檢修和調(diào)試工作相關(guān)的裝備也在不斷更新?lián)Q代[5-7]，但仍存在以下3個方面的問題：

1) 變電站內(nèi)建筑、設(shè)備密集[8]，作業(yè)空間狹窄，需要攜帶精密儀器轉(zhuǎn)移工作面，跨越坡度最高可達60°。現(xiàn)有智能運檢裝備運輸主要針對常規(guī)平穩(wěn)路況，平穩(wěn)性控制能力有限，不具備在復(fù)雜地形中自動控制傾斜角、實現(xiàn)精密儀器平穩(wěn)越障的能力，占用了大量停電檢修時間；

2) 變電站電氣環(huán)境復(fù)雜[9]，多項停電檢修、調(diào)試工作同時進行時，停電、帶電區(qū)域相互交錯，現(xiàn)有智能運檢裝備的安全措施手段主要依靠布置實體圍欄，不具備主動隔離帶電區(qū)域的功能，作業(yè)人員易誤入帶電區(qū)域，存在安全隱患，2018年變電站內(nèi)因誤入帶電間隔發(fā)生的人員傷亡案例多達40起；

3) 變電站設(shè)備、試驗儀器存在電源需求多樣化的特征，現(xiàn)有智能運檢裝備不具備自適應(yīng)電源供電能力。此外，裝備輸出電源的電能質(zhì)量不能滿足精密儀器工作要求，導(dǎo)致復(fù)雜故障模擬困難，甚至試驗結(jié)果可能出現(xiàn)偏差，造成繼電保護裝置誤動或拒動，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴重威脅。

在此背景下，需要研制一種變電站用智能化檢修調(diào)試平臺，實現(xiàn)繼電保護、電氣試驗儀器平穩(wěn)越障，帶電區(qū)域安全感知以及平臺智能供電，提升檢修調(diào)試工作效率和安全性。

1 總體研究思路

本項目從一次設(shè)備檢修、繼電保護裝置調(diào)試的現(xiàn)場工作需求出發(fā)，對精密儀器平穩(wěn)越障技術(shù)、帶電區(qū)域安全感知技術(shù)和平臺智能供電技術(shù)3個方面分別展開研究，總體工作思路見圖1。

圖1 總體研究思路

2 精密儀器平穩(wěn)越障技術(shù)

2.1 傾角量獲取

本文提出了實時傾角量反饋控制方法，利用裝置內(nèi)置陀螺儀，使裝置每次進入運動狀態(tài)后，置初始傾角基準值，此后，按50次/s的速率采集載重面與水平面的絕對傾角βi.k(i∈N,k=1,2,3,4,5)，每5次傾角平均值計算出控制用絕對傾角αi：

(1)

易見，αi每秒更新10次，進一步引入調(diào)節(jié)速率理想值rj(j=1,2)，動態(tài)調(diào)節(jié)αi的調(diào)節(jié)速度。此外，為減小累計誤差的影響，如裝置在連續(xù)運動，每1min重置傾角基準值；如裝置經(jīng)歷了停止狀態(tài)，則每次重新進入運動狀態(tài)時，重置傾角基準值。

2.2 動態(tài)平衡機構(gòu)與控制策略

平臺的動態(tài)平衡機構(gòu)如圖2所示。

圖2 動態(tài)平衡機構(gòu)

當陀螺儀檢測到αi，控制步進電機增速或減速運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)鎖桿壓緊復(fù)位彈簧，拉緊或放松剎車線，調(diào)節(jié)阻尼，實現(xiàn)載重面傾角控制。當αi接近0°時,即滿足αi∈[-ε,ε]時，步進電機處于鎖止狀態(tài)，ε為鎖止靈敏角，推薦值為2°。

所提出的實時傾角量反饋控制方法包括門限控制和柔性控制兩種實用化控制策略，通過內(nèi)部控制字來進行選擇。

門限控制策略：當陀螺儀檢測到αi超過[-5°, 5°]時，增加阻尼，以r1速率調(diào)節(jié)；當αi拉回[-5°, 5°]以內(nèi)且電機不處于鎖止狀態(tài)時，步進電機轉(zhuǎn)速減慢，微調(diào)阻尼，以r2速率調(diào)節(jié)。

根據(jù)門限控制策略，i時刻的調(diào)節(jié)速率為：

(2)

其中r1>>r2。

柔性控制策略：當陀螺儀檢測到αi超過[-5°, 5°]時，增加阻尼，基于機制轉(zhuǎn)換函數(shù)(式(3))過渡到以r1速率調(diào)節(jié)；當αi拉回[-5°, 5°]以內(nèi)且電機不處于鎖止狀態(tài)時，步進電機轉(zhuǎn)速減慢，微調(diào)阻尼。柔性控制引入了機制轉(zhuǎn)換函數(shù)，如圖3所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。

圖3 機制轉(zhuǎn)換函數(shù)

機制轉(zhuǎn)換函數(shù)表達式如式(3)所示。

(3)

根據(jù)柔性控制策略，基于機制轉(zhuǎn)換函數(shù),i時刻的調(diào)節(jié)速率如式(4)所示：

(4)

其中：閾值Δ建議值為5°；轉(zhuǎn)換速度參數(shù)γ的建議值為500。

門限控制策略實現(xiàn)了對絕對傾角的動態(tài)控制，其優(yōu)勢在于響應(yīng)時間短(1s以內(nèi)完成)，調(diào)整精度亦滿意。柔性控制策略的優(yōu)勢在于調(diào)整更為精準，調(diào)節(jié)過程更為柔和，超調(diào)幅度小，能保證載重面傾斜度能以適宜的速度調(diào)整至5°以內(nèi)。兩種策略根據(jù)現(xiàn)場實際需要選擇。兩種策略均能有效提高繼電保護測試儀、電氣試驗儀器轉(zhuǎn)移工作面時的運輸安全性和工作效率。

3 帶電區(qū)域感知技術(shù)

智能變電站內(nèi)電氣環(huán)境復(fù)雜，室外一次設(shè)備檢修、室內(nèi)保護裝置調(diào)試時都要進行帶電區(qū)域隔離，根據(jù)戶外設(shè)備場、保護室的不同特點采取了差異化的隔離方式。

3.1 二次保護室內(nèi)的帶電區(qū)域感知

本文提出一種雙區(qū)域半徑安全距離控制方法，基于布置于停電工作區(qū)域周圍的收發(fā)一體可移動超聲傳感器組，通過感知超聲波返回時間計算平臺與帶電區(qū)域的距離，建立一種雙區(qū)域半徑控制機制：達到低閾值T1時聲光報警；達到高閾值T2時閉鎖平臺同時強制斷開動力電源。通過告警信號控制字QL和告警回路壓板LP1實現(xiàn)不同告警方式的選擇。

通過對平臺實時空間定位，實現(xiàn)了對帶電區(qū)域的主動隔離，確保繼電保護調(diào)試工作中平臺不會誤入帶電的運行屏位，如圖4所示。

圖4 調(diào)試工作中的帶電區(qū)域隔離

3.2 戶外設(shè)備場的帶電區(qū)域感知

戶外設(shè)備場內(nèi)帶電體多，空間復(fù)雜程度遠在保護室之上。當平臺在戶外設(shè)備場的一次設(shè)備檢修工作中使用時，除了應(yīng)用上述雙區(qū)域半徑安全距離控制方法之外，同時開啟電場強度測量功能，進一步強化帶電區(qū)域感知能力?；谖㈦娏鞲兄牡皖l電場強度測量技術(shù)，通過對電場測量模塊中U型銅質(zhì)導(dǎo)體微電流的感知，獲取測點的電場強度，實現(xiàn)了對帶電設(shè)備距離的準確測量，并基于預(yù)置的安全距離告警值，在平臺逼近安全距離時，平臺會給出告警信號。緊急情況下直接閉鎖平臺同時強制斷開動力電源，確保在一次設(shè)備檢修工作中實現(xiàn)對高壓帶電區(qū)域的主動隔離，如圖5所示。

圖5 檢修工作中的帶電區(qū)域隔離

4 智能供電技術(shù)

變電站設(shè)備、試驗儀器的電源需求越來越具有多樣化的特征[10]。電氣試驗工作的主要場地，戶外設(shè)備場的檢修電源箱經(jīng)常在電壓等級、電能質(zhì)量上不能滿足精密儀器的要求。繼電保護工作的主要場地(如繼電保護室)，經(jīng)常不能提供合適的電源，限制了精密試驗儀器基本功能的使用。針對此問題，基于DC-DC/DC-AC并聯(lián)供電技術(shù)，設(shè)計了一種多端柔性輸出供電電路，如圖6所示。電路中Boost載波模塊輸出平臺自身使用的低壓/中壓直流電、逆變?yōu)V波模塊輸出外接試驗儀器使用的高壓交流電，通過電力電子為精密儀器提供高電能質(zhì)量電源；功率調(diào)節(jié)模塊并聯(lián)有一定數(shù)量的功率管，通過調(diào)節(jié)并聯(lián)功率管數(shù)量實現(xiàn)儀器用電的功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)與高電能質(zhì)量電源輸出。

圖6 多端柔性輸出電路

以繼電保護工作為例，基于多端柔性輸出電路，可以提供多組交流、直流量輸出。電源方便切換，不僅可以為精密試驗儀器提供電源，還可以增強試驗儀器模擬復(fù)雜工況下的電壓、電流多次變化、開入量翻轉(zhuǎn)過程的能力，提升了繼電保護裝置的復(fù)雜網(wǎng)故障模擬能力。以500kV線路保護裝置為例，可模擬15種新增故障類型[11]，如線路故障跳閘后零序電流、同塔雙回線轉(zhuǎn)換故障等，提升了繼電保護工作質(zhì)量。

特別一提的是，本平臺解決的供電問題不僅出現(xiàn)在常規(guī)運維檢修工作中，在設(shè)備投運驗收工作等電源問題更為凸顯的場景中，智能供電技術(shù)的效用將更為彰顯。

5 智能化檢修調(diào)試平臺的應(yīng)用

本文研制的變電站檢修調(diào)試平臺已在江蘇電網(wǎng)多座220kV、500kV、1 000kV變電站一次設(shè)備電氣試驗、二次保護裝置調(diào)試工作中獲得現(xiàn)場應(yīng)用。

1) 平穩(wěn)越障技術(shù)應(yīng)用效果：平臺實測最大載重達100kg，能實現(xiàn)常規(guī)樓梯攀爬、變電站跨電壓等級陡坡越障、變電站二層架構(gòu)窄梯攀爬與狹小平臺轉(zhuǎn)彎。以應(yīng)用門限控制策略為例，繼電保護測試儀、電氣試驗儀器等精密儀器轉(zhuǎn)移工作面時運輸時間平均減少35%；

2) 帶電區(qū)域感知技術(shù)應(yīng)用效果：應(yīng)用本成果以來，未發(fā)生一起一次設(shè)備檢修工作人員誤入帶電間隔事故以及保護調(diào)試工作人員誤入運行繼電保護屏柜的事故；

3) 平臺智能用電應(yīng)用效果：裝置實現(xiàn)了3種直流量、3種交流量的同時輸出，電能質(zhì)量大幅超過國家標準要求，提升了保護調(diào)試工作故障模擬能力，可以模擬15種新型復(fù)雜工況故障，提升了繼電保護調(diào)試工作質(zhì)量；產(chǎn)品投入使用后，未發(fā)生一起定值校驗不準確、故障類型模擬不足導(dǎo)致的繼電保護事故。

6 結(jié)語

變電站智能化檢修調(diào)試平臺的應(yīng)用能夠保證精密試驗儀器在變電站內(nèi)平穩(wěn)越障，平臺具備帶電區(qū)域感知、智能供電的功能。工程應(yīng)用結(jié)果驗證了平臺的有效性，顯著提升了變電站電氣試驗、繼電保護工作效率，進一步提升了工作的安全性。基于本平臺的核心技術(shù)可以進一步改進、轉(zhuǎn)化應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如精密儀器、優(yōu)質(zhì)電源、工業(yè)生產(chǎn)、生活日用、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，滿足這些領(lǐng)域人員和物品平穩(wěn)轉(zhuǎn)移、精密儀器安全運輸及設(shè)備多元用電需求。