10kV一體化智能環(huán)網(wǎng)柜的實(shí)現(xiàn)

浙江省慈溪市輸變電工程有限公司大明分公司 裘思楊 鄭勇毅 徐學(xué)軍 茅松雷

目前，配電的自動(dòng)化模式已是行業(yè)內(nèi)的核心項(xiàng)目，可總體能夠達(dá)到的水平并不高，僅處于初級(jí)階段，主要原因是投入配網(wǎng)的建設(shè)資金較小且自動(dòng)化程度較低，供電能力和電網(wǎng)質(zhì)量都要低于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家水平。受配網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備限制，我國(guó)總體供電的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)能力較慢，安全性和可靠性還有待提高。供電質(zhì)量不僅與人民生活息息相關(guān)，還直接影響著國(guó)家建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。由此，我國(guó)在構(gòu)建國(guó)家電網(wǎng)的同時(shí)也明確了電力配網(wǎng)問(wèn)題，并不斷探索自動(dòng)化配網(wǎng)的建設(shè)問(wèn)題，同時(shí)引入一體化智能環(huán)網(wǎng)柜，有力的提高了我國(guó)一體化配網(wǎng)的智能化建設(shè)。

1 傳統(tǒng)環(huán)網(wǎng)柜現(xiàn)狀分析

環(huán)網(wǎng)柜實(shí)質(zhì)是輸配電的常用電氣配置，常用于金屬以及非金屬性的絕緣體中，是區(qū)隔環(huán)網(wǎng)中各個(gè)供電區(qū)間的設(shè)備，主要構(gòu)造包括熔斷器及負(fù)荷式開(kāi)關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在體系小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、低成本、安全性高，并可提高相關(guān)供電的運(yùn)行性能及其參數(shù)。由此，10kV一體化智能環(huán)網(wǎng)柜在我國(guó)的應(yīng)用極其廣泛，如城市各居民小區(qū)、工廠、公共用的大型設(shè)施建筑等。傳統(tǒng)電氣環(huán)網(wǎng)柜不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的功能，在缺乏自動(dòng)化智能技術(shù)的時(shí)期被普遍應(yīng)用，對(duì)當(dāng)時(shí)供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有不可忽視的作用。近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)發(fā)展迅猛，總的供電需求持續(xù)增加，供電壓力越來(lái)越大，供電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷也越來(lái)越重，傳統(tǒng)的電氣環(huán)網(wǎng)柜難以滿足實(shí)際需求。

由于傳統(tǒng)的電氣環(huán)網(wǎng)柜采用無(wú)分區(qū)模式的混合型安裝辦法，各個(gè)電氣元件在網(wǎng)柜內(nèi)混合設(shè)置，沒(méi)有分區(qū)，屬于固定式的模式設(shè)計(jì)，因此沒(méi)有辦法滿足10kV供電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的建設(shè)要求，傳統(tǒng)模式的環(huán)網(wǎng)柜使用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式混亂，既不利于我國(guó)整體供電網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化改造進(jìn)程，也給供電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行造成影響，阻礙我國(guó)提升供電網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行能力和運(yùn)行質(zhì)量，并且不利于供電網(wǎng)絡(luò)的日常管理和維護(hù)，不利于各種維修和更換，增加電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本[2]。目前我國(guó)在建設(shè)10kV的供電網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)電力環(huán)網(wǎng)柜基本不再使用，而是選用具有一體化和智能化的新型環(huán)網(wǎng)柜，可有效提升10kV供電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行能力，保證用戶終端用電的安全性和可靠性，有效提高供電系統(tǒng)的輸電服務(wù)。

2 10kV智能化環(huán)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)分析

在我國(guó)，自動(dòng)化智能配電是目前供電系統(tǒng)主要的發(fā)展方向，是進(jìn)一步提高我國(guó)供電系統(tǒng)整體服務(wù)水平和運(yùn)行效率的重要措施。實(shí)現(xiàn)10kV自動(dòng)化一體配電的關(guān)鍵技術(shù)包括計(jì)算機(jī)應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、通信應(yīng)用、自動(dòng)化等多項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)，并把用戶信息和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及相關(guān)配網(wǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集到信息中心加以管理，由此實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、一體化管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)督和管理，可迅速而準(zhǔn)確的判斷各種網(wǎng)絡(luò)障礙和故障隱患，同時(shí)還能把各項(xiàng)數(shù)據(jù)都全部保存[3]。

10kV配電智能化電網(wǎng)可有效提高供電系統(tǒng)安全和效率，有效減少網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，能有效提升10kV電力配網(wǎng)的經(jīng)營(yíng)效率。目前國(guó)內(nèi)10kV供電系統(tǒng)中自動(dòng)化智能化基本形成，主要由主配電站和子配電站以及終端配電構(gòu)成，10kV自動(dòng)化電網(wǎng)的運(yùn)行能力及效率受系統(tǒng)通信能力的影響，因?yàn)?0kV供電配網(wǎng)自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)需大量數(shù)據(jù)信息支持，并以此把各配電站及其終端有效相連，使電力系統(tǒng)的安全性和可靠性得以提高，可見(jiàn)衡量供電網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要是自動(dòng)化程度和水平。

圖1 一體化智能環(huán)網(wǎng)柜控制流程

國(guó)家為提高配網(wǎng)的自動(dòng)化水平給予了極大扶持，各級(jí)地方政府也為此做了大量投資，在資金及技術(shù)等方面給予支持，通過(guò)多方努力我國(guó)大部分地區(qū)供電運(yùn)行系統(tǒng)的自動(dòng)化程度得以顯著提高，可目前仍有部分問(wèn)題需要進(jìn)一步解決，如核心自動(dòng)化技術(shù)水平不高，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化程度較低等方面問(wèn)題都有待于進(jìn)一步改善，需各級(jí)部門(mén)勇于創(chuàng)新，不斷提升電網(wǎng)整體自動(dòng)化水平，而電網(wǎng)智能化一體環(huán)網(wǎng)柜在電網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛推廣和使用已取得非常顯著的效果[4]。

3 智能化環(huán)網(wǎng)柜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 智能一體化環(huán)網(wǎng)柜整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

智能化一體環(huán)網(wǎng)柜主要由組成系統(tǒng)的各大模塊構(gòu)成，包括超級(jí)供電電容、智能化控制功能模塊、自供式電源應(yīng)用系統(tǒng)等功能模塊，另外還包括臭氧絕緣監(jiān)測(cè)儀、電磁無(wú)源閉鎖系統(tǒng)等。設(shè)計(jì)中在滿足一體化智能需求的同時(shí)專門(mén)對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了個(gè)性處理，以求在確保各模塊基本功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

3.2 智能環(huán)柜控制模塊的設(shè)計(jì)

控制模塊是智能環(huán)網(wǎng)柜最重要的組成部分，模塊設(shè)計(jì)的功能須具有遠(yuǎn)程進(jìn)行通信能力，同時(shí)還要達(dá)到三遙的功能，從而實(shí)現(xiàn)智能化指示的需要。利用網(wǎng)絡(luò)的特有高速通信能力，達(dá)到控制智能模塊和采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的監(jiān)控、輸電主站進(jìn)行實(shí)時(shí)的通信。

智能環(huán)網(wǎng)柜是利用遙信計(jì)算得到控制與通信的能力，能精準(zhǔn)感知模塊出現(xiàn)的誤動(dòng)及抖動(dòng)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行消除，同時(shí)進(jìn)行記錄。在遙信的功能里，模塊可按照一定的規(guī)律將采集DI的狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算與保存。模塊每毫秒對(duì)DI進(jìn)行采樣一次，同時(shí)當(dāng)前的DI會(huì)保存在遙信的狀態(tài)表里，然后遙信計(jì)算獲得精確遙信所發(fā)生的時(shí)刻。在進(jìn)行交流的采樣過(guò)程中，要對(duì)采樣實(shí)施模擬化的設(shè)置，使用PWM對(duì)采樣的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，在采樣的過(guò)程里，模塊將會(huì)進(jìn)行功率計(jì)算、電壓計(jì)算及零序等方面的計(jì)算[5]。

遙控的功能主要達(dá)到了智能化的環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，利用故障的顯示能力實(shí)施遠(yuǎn)程的控制。智能環(huán)網(wǎng)柜還達(dá)到了對(duì)產(chǎn)生故障的類型進(jìn)行檢測(cè)，利用系統(tǒng)中的電流及電壓相對(duì)值與變化值數(shù)據(jù)實(shí)施故障判斷，最終得到準(zhǔn)確的故障信息，據(jù)此可對(duì)故障進(jìn)行快速處理。

3.3 智能環(huán)網(wǎng)柜自供電操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能環(huán)網(wǎng)柜自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了過(guò)去電源存在的不穩(wěn)定、壽命短等嚴(yán)重缺陷，保證了電源能夠穩(wěn)定行供電，同時(shí)其具備維護(hù)的時(shí)間較長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。因環(huán)網(wǎng)柜存在周圍環(huán)境溫度變化范圍較大的情況，如使用蓄電池作為電源，在高溫、低溫環(huán)境下其放電性能會(huì)影響非常大，尤其夏季高溫UPS無(wú)法正常供電，導(dǎo)致蓄電池也無(wú)法工作[6]。

通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電容具有能快速進(jìn)行充電、重復(fù)使用壽命較長(zhǎng)、工作的環(huán)境溫度較大、維護(hù)的周期較長(zhǎng)及安全性較高的特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)應(yīng)用超級(jí)電容進(jìn)行電源的備份，經(jīng)實(shí)際使用測(cè)試證明其性能優(yōu)越。因此自供電系統(tǒng)應(yīng)用了PT電源與超級(jí)電容作為電源的備用系統(tǒng)，這兩種供電的形式大大提高了供電可靠性。因?yàn)榄h(huán)網(wǎng)柜都設(shè)置于室外，所以對(duì)電池具有很高的要求。把此電源和環(huán)網(wǎng)柜結(jié)合后，經(jīng)過(guò)使用測(cè)試證明本系統(tǒng)能保證智能環(huán)柜長(zhǎng)期、正常運(yùn)行。