變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

山西焦煤西山煤電發(fā)電分公司電力公司河龍灣工區(qū) 馮 婧

變電站的主要作用是對(duì)電壓、電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換以及接受、分配電能，是電力系統(tǒng)中的重要組成部分之一[1]。但實(shí)際運(yùn)行中，由于受到供電設(shè)備性能、供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性以及高次諧波等因素的影響，導(dǎo)致變電站中的供電設(shè)備經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些故障，甚至是不能正常運(yùn)行。面對(duì)這樣的情況，有必要應(yīng)用完善的變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)變電站的運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，保障變電站的安全、高效運(yùn)行[2]。

1 變電站運(yùn)維模式的轉(zhuǎn)變及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的作用

1.1 變電站運(yùn)維模式的轉(zhuǎn)變

變電站運(yùn)維以往采取的是人工值守方式，即安排專門人員進(jìn)行值班，確保24小時(shí)都有人值班，從而避免由于外人入侵而導(dǎo)致的損壞與丟失問題，借助專業(yè)人員優(yōu)勢(shì)也可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患。但這種方式需投入大量的人力成本，且工作量、工作強(qiáng)度較大，需消耗大量時(shí)間，效率較低。信息時(shí)代下這種人工值守模式已不適應(yīng)變電站的發(fā)展要求，必須改變運(yùn)維模式，即由有人值守轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人值守。

無人值守顧名思義便是不安排固定人員來對(duì)變電站進(jìn)行維護(hù)管理，而是借助相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，由相關(guān)設(shè)備收集到變電站的相關(guān)信息后傳輸給集控中心，在接收到信息之后，集控中心再向變電站中的相關(guān)設(shè)備發(fā)布指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的維護(hù)管理。相比較于傳統(tǒng)人工值守的變電站，無人值守變電站的智能化水平更高，具有信息采集、測量、控制、檢測等基礎(chǔ)功能，且電力系統(tǒng)有需要的情況下，還可提供在線快速分析、智能化調(diào)節(jié)、自動(dòng)支持控制等高級(jí)功能。同時(shí)無人值守變電站還可與集控中心進(jìn)行高性能通信，在集控中心允許的范圍內(nèi)可自行控制、建模，為變電站運(yùn)維管理水平的提高奠定了良好的基礎(chǔ)[3]。

1.2 變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的作用

變電站中自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是替代傳統(tǒng)人工值守的管理模式，采取科學(xué)化、自動(dòng)化的方式，實(shí)現(xiàn)智能化、高效率的運(yùn)維工作模式，減少電力系統(tǒng)的運(yùn)行故障、提高變電站的運(yùn)行質(zhì)量，并保障周邊的安全性、環(huán)境的穩(wěn)定性。在變電站中對(duì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行有效應(yīng)用可起到五方面效果：可減少巡檢、抄錄的頻率，降低工作人員的工作量、工作強(qiáng)度；可對(duì)變電站中的各方面因素、多種設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了高度集中管理；實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行情況的透視，可精確分析、精準(zhǔn)定位異常故障，有利于提高變電站的運(yùn)維質(zhì)量；在監(jiān)控室便可完成現(xiàn)場巡檢，無需來回奔波，降低了工作人員的勞動(dòng)量，也可以減少人工成本，解決了人手少、招聘難的問題；有利于保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，可快速做出應(yīng)急反應(yīng)，避免嚴(yán)重后果的出現(xiàn)。

2 變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

目前我國變電站的監(jiān)測設(shè)備存在著一定的問題，如設(shè)備成本較高、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、監(jiān)測精度較低、對(duì)供電設(shè)備的集中監(jiān)控自動(dòng)化水平較低等，若是變電站存在故障或隱患不能及時(shí)報(bào)警，從而引發(fā)安全事故導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，有必要對(duì)變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)?，F(xiàn)提出了一種ARM 嵌入式的變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)其組成、原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

2.1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的組成

變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成見圖1。系統(tǒng)是由遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)、PLC 主控制器、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)交換機(jī)、通信設(shè)備以及35kV/110kV 微機(jī)保護(hù)裝置等組成。其中遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)是由顯示器、打印機(jī)、上位機(jī)等組成[4]；采用ARM 架構(gòu)的STM32系列Cortex-M3內(nèi)核的64位中央處理器作為主控制器，最高主頻為72MHz。

變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采取的是智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的分層設(shè)計(jì)方式，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造是由站控層、間隔層以及過程層三個(gè)部分組成。其中，站控層配置了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與其他監(jiān)控系統(tǒng)，可在各變電站及箱變內(nèi)供電設(shè)備間構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)的通信管理聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的對(duì)接。變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)35kV、110kV 等電壓等級(jí)不同的變電站的開關(guān)狀態(tài)、運(yùn)行情況、運(yùn)行參數(shù)、整定等實(shí)施有效監(jiān)控，并可借助遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)變電站實(shí)現(xiàn)遙控、遙測、遙信、遙調(diào)四項(xiàng)功能[5]。

2.2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的原理

自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行原理如下：首先，將微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)置在不同電壓等級(jí)（35kV/110kV）的變電站之中，這樣的前提下，在供電期間，便可以通過微機(jī)保護(hù)裝置廣泛收集變電站的供電運(yùn)行情況、故障情況以及供電時(shí)間，然后借助有線信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，將上述數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)酵ㄐ旁O(shè)備之中。

其次，通信設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)之后，將其傳輸給主控制器，由PLC 主控制器對(duì)接受到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析，并上傳給以太網(wǎng)交換機(jī)，以太網(wǎng)交換機(jī)再將數(shù)據(jù)信息通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)中的上位機(jī)，并借助顯示器將變電站的實(shí)際運(yùn)行情況直觀地顯示出來。監(jiān)控內(nèi)容主要包括變電站相關(guān)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況、實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)電壓、三相電流、三相電壓、額定電壓、功率、設(shè)備投入整定值及各類功率等。

最后，若是變電站供電不穩(wěn)定或者是存在故障，則主控制器在數(shù)據(jù)分析之后，便會(huì)將故障源反饋給遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)中的上位機(jī)，同時(shí)做出預(yù)警，由監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化地處理故障問題。故障處理過程中，變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有就地操控、站內(nèi)集中操控、遠(yuǎn)程操控三種操控方式。

2.3 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

監(jiān)控精度較高。對(duì)于變電站來說，通過借助自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、分析，并與電力系統(tǒng)的正常參數(shù)進(jìn)行比較，便可準(zhǔn)確判斷供電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電流、電壓的異常并能迅速報(bào)警。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備用電計(jì)量、智能化控制、數(shù)據(jù)共享、動(dòng)態(tài)成像、自動(dòng)存儲(chǔ)等功能，可為地面工作人員提供有效、真實(shí)的數(shù)據(jù)信息。

可降低勞動(dòng)強(qiáng)度。借助自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測人員身處于遠(yuǎn)程監(jiān)控室中也可發(fā)現(xiàn)變電站存在的故障問題、故障種類、影響范圍等，并能應(yīng)用遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)來控制變電站內(nèi)相關(guān)供電設(shè)備的電負(fù)荷情況，以縮短事故的影響時(shí)間、減小事故的影響范圍，保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、安全運(yùn)行，達(dá)到“無人值守”的效果。相比較于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)大幅度減少了人工在監(jiān)控、系統(tǒng)操作、故障維修等方面的勞動(dòng)量、勞動(dòng)強(qiáng)度。

自動(dòng)化水平高。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合了現(xiàn)場監(jiān)控、現(xiàn)場保護(hù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)變電站供電系統(tǒng)的運(yùn)行情況，若是變電站發(fā)生故障，也可及時(shí)發(fā)出警報(bào)、迅速發(fā)現(xiàn)故障源、在第一時(shí)間內(nèi)將故障情況傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)中的上位機(jī)，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

實(shí)現(xiàn)了遙控、遙測、遙信、遙調(diào)四項(xiàng)功能。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)變電站進(jìn)行遙控、遙測、遙信、遙調(diào)，同時(shí)與地面上位機(jī)有機(jī)結(jié)合起來，便可實(shí)現(xiàn)變電站的“無人值守”、智能控制。有效應(yīng)用自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，可保障變電站供電系統(tǒng)的可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

雖然變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但其不可避免地也有一定的缺點(diǎn)與的不足之處。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在諧波方面還存在一定問題。變電站中通常情況下電壓等級(jí)較高，因此供電設(shè)備在實(shí)際供電過程中會(huì)出現(xiàn)高次諧波，強(qiáng)度有強(qiáng)有弱，但均會(huì)給無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸帶來一定的干擾，導(dǎo)致信號(hào)傳輸失真問題的發(fā)生。面對(duì)這樣的問題，在自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)有效監(jiān)測工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，判斷其是否穩(wěn)定，有必要的情況下最好是添加高次諧波濾波器，以此來預(yù)防高次諧波問題。

圖1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)簡圖

3 變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果

基于變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的一系列優(yōu)勢(shì)，為明確其實(shí)際應(yīng)用效果，現(xiàn)開展實(shí)例分析，主要是從自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用之后安全事故的發(fā)生率、用電量節(jié)約情況、供電成本節(jié)約情況、設(shè)備維修費(fèi)用節(jié)約情況等方面，對(duì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估。某煤礦企業(yè)于2018年4月分別在35kV 變電站、110kV 變電站中設(shè)置了一套ARM 嵌入式的變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，至2019年4月發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后1年的時(shí)間內(nèi)該系統(tǒng)共檢測到供電故障4次，經(jīng)過及時(shí)處理之后，未發(fā)生一起由于變電站故障而導(dǎo)致的供電間斷事故，保障了供電安全、穩(wěn)定。同時(shí)借助自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)供電量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，與上年度相比全年共節(jié)約了用電量31.77×105kW，使供電成本、設(shè)備維修費(fèi)用降低了17.2×105元，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

綜上，為保障變電站的高效運(yùn)行，提高變電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，必須設(shè)計(jì)、應(yīng)用科學(xué)有效的變電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的設(shè)備、技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的有效監(jiān)控、調(diào)整，從而保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。