油田電網(wǎng)典型變電所智能化改造技術(shù)研究

張慶霞 楊超 王同強(qiáng)

1中國(guó)石油集團(tuán)電能有限公司供電公司

2新疆石油工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司

3大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

自2010 年以來(lái)，電網(wǎng)行業(yè)發(fā)展逐步進(jìn)入智能時(shí)代，依托于雙向高速通信網(wǎng)絡(luò)，基于先進(jìn)的智能設(shè)備、傳感測(cè)量技術(shù)及控制方法，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行，國(guó)家電力已步入智慧化發(fā)展階段。為進(jìn)一步踐行大慶油田“當(dāng)好標(biāo)桿旗幟，建設(shè)百年油田”和保障我國(guó)油氣安全穩(wěn)定供應(yīng)的責(zé)任使命[1]，結(jié)合油田電網(wǎng)實(shí)際，研究建設(shè)典型智能化變電所示范工程，最終將變電所從傳統(tǒng)的管理模式[2]，向“設(shè)備狀況一目了然、風(fēng)險(xiǎn)管控一線貫穿、生產(chǎn)操作一鍵可達(dá)、決策指揮一體作戰(zhàn)”的模式轉(zhuǎn)變。以站端設(shè)備層的智能化實(shí)用技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，構(gòu)建典型智能化變電所。

1 需求目標(biāo)

以實(shí)現(xiàn)變電所一鍵順控為目標(biāo)，進(jìn)行具備“五遙”功能的變電綜合自動(dòng)化、電動(dòng)刀閘和智能開(kāi)關(guān)柜改造；以實(shí)現(xiàn)智能巡檢為目標(biāo)，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和遠(yuǎn)程沉浸式巡檢技術(shù)應(yīng)用；以實(shí)現(xiàn)變電所智能聯(lián)動(dòng)為目標(biāo)[3]，建立變電所在線輔控物聯(lián)系統(tǒng)平臺(tái)。

2 一鍵順控技術(shù)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)

變電站一鍵順控綜合應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像智能分析技術(shù)，將繁瑣、重復(fù)、易漏、易誤的傳統(tǒng)人工單步操作轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)自動(dòng)化批量操作，可大量縮短操作時(shí)間，提高操作效率，降低誤操作、漏操作風(fēng)險(xiǎn)，是變電運(yùn)維技術(shù)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新[4]。

如圖1 所示，考慮變電站升級(jí)改造，提出增加獨(dú)立順控主機(jī)的方案[5]，即在保留原有監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加順控主機(jī)實(shí)現(xiàn)站端和遠(yuǎn)端的順控操作。除了必要的順控主機(jī)、智能防誤主機(jī)和測(cè)控裝置外，還可配置正向隔離裝置、遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)關(guān)機(jī)、位置傳感器、智能地線、空開(kāi)控制裝置、壓板狀態(tài)采集裝置等設(shè)備。

圖1 一鍵順控技術(shù)原理Fig.1 Principle of one-key sequence control technology

（1）開(kāi)發(fā)一鍵順控功能模塊。在現(xiàn)有后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)上增加一鍵順控功能子系統(tǒng)，其功能包括一鍵順控操作票預(yù)制、任務(wù)生成、模擬預(yù)演、指令執(zhí)行、防誤校核、操作記錄、上送執(zhí)行結(jié)果、手動(dòng)/自動(dòng)暫停等功能。將滿足《變電運(yùn)行規(guī)程》和《油田電網(wǎng)作業(yè)操作票、工作票實(shí)施規(guī)程》的變電所典型操作票錄入順控子系統(tǒng)，形成典型操作任務(wù)。通過(guò)SCADA 功能子系統(tǒng)獲取變電所實(shí)時(shí)遙信、遙測(cè)數(shù)據(jù)，下發(fā)控制指令。變電站一鍵順控功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 變電站一鍵順控功能結(jié)構(gòu)Fig.2 One-key sequence control function structure of the substation

（2）智能防誤子系統(tǒng)。從監(jiān)控主機(jī)獲取全站設(shè)備狀態(tài)，參與一鍵順控操作過(guò)程中模擬預(yù)演及指令執(zhí)行兩個(gè)環(huán)節(jié)的防誤校核功能[6]，約束遙控、現(xiàn)場(chǎng)操作行為，避免誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）一鍵順控流程。一鍵順控操作指令由順控子系統(tǒng)發(fā)起順控操作指令，在一次接線圖上選擇相應(yīng)設(shè)備，生成一鍵順控操作票，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將一鍵順控操作票指令傳遞至防誤主機(jī)。經(jīng)防誤校驗(yàn)完成后，根據(jù)操作票內(nèi)容，系統(tǒng)順序遙控變電站端待操作設(shè)備，根據(jù)實(shí)時(shí)返回的設(shè)備狀態(tài)完成對(duì)設(shè)備的一鍵順控操作指令。一鍵順控主機(jī)與智能防誤主機(jī)交互流程見(jiàn)圖3。

圖3 一鍵順控主機(jī)與智能防誤主機(jī)交互流程Fig.3 Interaction process between the one-key sequence control host and the intelligent error prevention host

2.2 設(shè)備層智能化改造

2.2.1 一次設(shè)備升級(jí)

（1）雙確認(rèn)技術(shù)應(yīng)用。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司《變電站一鍵順控改造技術(shù)規(guī)范》（試行）要求，設(shè)備遠(yuǎn)方操作時(shí)，至少應(yīng)有兩個(gè)非同源指示發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，且所有這些指示均已發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，才能確認(rèn)該設(shè)備已操作到位。目前，刀閘遙控采用姿態(tài)傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)和視頻三種雙確認(rèn)方式，立足油田電網(wǎng)實(shí)際情況，變電所110、35 kV 刀閘建議采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)或姿態(tài)傳感器確認(rèn)方式，高壓開(kāi)關(guān)柜采用視頻傳感技術(shù)確認(rèn)方式。

微動(dòng)開(kāi)關(guān)傳感器安裝在隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部分和固定部位之間，當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分到位后，作用于動(dòng)作簧片上，快速接通動(dòng)、靜觸點(diǎn)并上傳位置信號(hào)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)位置信號(hào)通過(guò)硬節(jié)點(diǎn)輸出，直接接入測(cè)控裝置（智能終端）。傳感器配置原則建議在隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘、合閘位置各安裝一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，無(wú)需配置信號(hào)接收裝置。

姿態(tài)傳感器是應(yīng)用陀螺儀原理，安裝在隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)拐臂，隨機(jī)構(gòu)動(dòng)作測(cè)量隔離開(kāi)關(guān)分合旋轉(zhuǎn)角度及距離來(lái)判斷隔離開(kāi)關(guān)是否操作到位。姿態(tài)傳感器采用微電池供電，需配置信號(hào)接收裝置，通過(guò)射頻通信、CRC 校驗(yàn)等技術(shù)，將采集到的角度變化傳輸?shù)叫盘?hào)接收裝置，該裝置輸出位置狀態(tài)硬節(jié)點(diǎn)信號(hào)，接入測(cè)控裝置（智能終端）。傳感器配置原則建議在隔離開(kāi)關(guān)每相應(yīng)安裝l 只傳感器，每2 個(gè)間隔配置1 臺(tái)信號(hào)接收裝置。

雙確認(rèn)視頻傳感系統(tǒng)應(yīng)用封閉式高壓開(kāi)關(guān)柜，是通過(guò)視頻傳感技術(shù)識(shí)別、分析獲得小車(chē)工作、試驗(yàn)位置，同時(shí)與小車(chē)原有位置遙信量作雙重判據(jù)，發(fā)送至順控主機(jī)。當(dāng)一鍵順控啟動(dòng)時(shí)，允許視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)每臺(tái)唯一IP 地址直接登錄獲取視頻，視頻監(jiān)控?cái)嗦菲骷耙淮斡|頭所處位置。該系統(tǒng)包含一個(gè)雙確認(rèn)圖像處理主機(jī)，安裝于高壓開(kāi)關(guān)柜最上層的儀表室，依據(jù)來(lái)自雙確認(rèn)測(cè)量攝像機(jī)的視頻判斷小車(chē)到位情況，并將小車(chē)實(shí)時(shí)位置和到位情況發(fā)送智慧視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)；一個(gè)雙確認(rèn)測(cè)量攝像機(jī)，安裝于小車(chē)（斷路器）室，用于分析處理小車(chē)移動(dòng)位移及位置判斷；一個(gè)隔離斷口監(jiān)控?cái)z像機(jī)，安裝于小車(chē)室，用于實(shí)時(shí)傳輸斷路器的監(jiān)控情況。

（2）電動(dòng)刀閘改造。將變電所GW5 型刀閘改造成具有電動(dòng)機(jī)構(gòu)的GW4 型刀閘，同步完成隔離開(kāi)關(guān)雙確認(rèn)改造工作。完成電動(dòng)刀閘改造后，將其信號(hào)通過(guò)測(cè)控裝置接入監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）高壓開(kāi)關(guān)柜智能化改造。對(duì)現(xiàn)有KYN28柜型進(jìn)行電動(dòng)化、視頻雙確認(rèn)改造。

2.2.2 二次設(shè)備改造

對(duì)變電所綜合自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，涉及一鍵順控操作條件判斷的二次空氣開(kāi)關(guān)和二次壓板，應(yīng)具備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息上傳功能，可考慮應(yīng)用電動(dòng)壓板和電動(dòng)空開(kāi)，實(shí)現(xiàn)硬壓板、空開(kāi)的遙控操作與狀態(tài)雙確認(rèn)檢測(cè)，以能夠達(dá)成一次、二次設(shè)備“一鍵順控全覆蓋”，真正實(shí)現(xiàn)操作的無(wú)人化與全自動(dòng)化。

3 智能巡檢技術(shù)

3.1 沉浸式視頻巡檢技術(shù)

以實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的全過(guò)程安全監(jiān)督和遠(yuǎn)程視頻巡檢功能為目的，通過(guò)在室內(nèi)外布控吊軌式移動(dòng)攝像頭搭配紅外測(cè)溫?cái)z像頭、固定卡片機(jī)攝像頭建立沉浸式視頻巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電所內(nèi)環(huán)境、設(shè)備、人員的全覆蓋監(jiān)控，支持人員行為、環(huán)境狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)的分析，通過(guò)識(shí)別視頻中的對(duì)象屬性，建立變電所三維模型站，并與全站視頻信息進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)在三維模型中遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看變電所真實(shí)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)變電所遠(yuǎn)程沉浸式VR 智能巡檢。

戶外110 kV、主變、35 kV 設(shè)備區(qū)，在現(xiàn)有安防視頻基礎(chǔ)上，同時(shí)采用具備雙光（紅外、可見(jiàn)光）攝像頭的戶外輪式機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)戶外設(shè)備區(qū)的視頻全覆蓋，并通過(guò)機(jī)器人采集SF6 表指針讀數(shù)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、設(shè)備溫度、設(shè)備的外觀、主變的油位等巡檢信息。在戶內(nèi)6（10）kV 高壓室建設(shè)吊軌式移動(dòng)攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控開(kāi)關(guān)狀態(tài)、盤(pán)面保護(hù)信息、高壓室溫濕度、設(shè)備外觀等巡檢信息。在戶內(nèi)主控室建設(shè)吊軌式移動(dòng)攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)查看變電所保護(hù)設(shè)備的交流采樣值、保護(hù)動(dòng)作事件、異常報(bào)文、壓板投退狀態(tài)等。

3.2 變電所在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

在線監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[7]，采用開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫、套管在線監(jiān)測(cè)、局部放電檢測(cè)、變壓器油色譜分析、SF6 微水和泄漏、避雷器動(dòng)作次數(shù)和泄漏電流、直流蓄電池等在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障征兆的巡檢客戶端，能夠?qū)\(yùn)行中設(shè)備故障、壽命逐步開(kāi)展分析、判斷、決策研究，從而達(dá)到狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷，建立預(yù)測(cè)性維修體制的目的。

（1）實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)由無(wú)線溫度模塊、中繼器、測(cè)溫通信終端等元件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備一次接點(diǎn)溫度的在線監(jiān)測(cè)功能。適用于戶內(nèi)外環(huán)境以及各種高壓設(shè)備，與后臺(tái)兼容性較高。在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)采用無(wú)線測(cè)溫模塊方式，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的動(dòng)觸頭和母線連接處的運(yùn)行溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分別監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)三相上、下觸頭和電纜頭的溫度；戶外開(kāi)關(guān)場(chǎng)可采用紅外測(cè)溫?cái)z像頭或無(wú)線測(cè)溫方式，全面監(jiān)測(cè)110 kV 開(kāi)關(guān)場(chǎng)、主變開(kāi)關(guān)場(chǎng)、35 kV開(kāi)關(guān)場(chǎng)各設(shè)備接點(diǎn)的溫度，并將結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)綔y(cè)溫監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)溫度異常報(bào)文告警。

（2）SF6 氣體微水及密度在線監(jiān)測(cè)。在SF6 斷路器、GIS 氣室補(bǔ)氣口或預(yù)留檢測(cè)接口上安裝壓力、溫度、濕度傳感器，連續(xù)、實(shí)時(shí)或周期性采集SF6 氣體的壓力、溫度、濕度等信息，并通過(guò)不同氣室報(bào)警閾值設(shè)置，分析斷路器氣體情況。

（3）變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)。變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可定量、自動(dòng)、快速地在線監(jiān)測(cè)油浸式電力高壓設(shè)備的油中溶解氣體含量，通過(guò)故障診斷專家系統(tǒng)及時(shí)獲取設(shè)備故障隱患信息。系統(tǒng)工作時(shí)，將變壓器油采集到油樣采集單元中，通過(guò)油泵進(jìn)行油樣循環(huán)，采用中空纖維萃取式油氣分離技術(shù)，油氣分離單元快速分離油中溶解氣體至氣室，內(nèi)置的微型氣體采樣泵把分離出來(lái)的氣樣輸送到六通閥的定量管內(nèi)并自動(dòng)進(jìn)樣；在載氣推動(dòng)下，樣氣經(jīng)過(guò)色譜柱分離，順序進(jìn)入氣體檢測(cè)器；數(shù)據(jù)采集單元完成A/D 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和采集，嵌入式處理單元對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和分析，并通過(guò)以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，最后由狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和故障分析[8]。

（4）避雷器在線監(jiān)測(cè)。采用無(wú)源無(wú)線雷擊泄漏電流傳感器技術(shù)，從泄漏電流取得能量作為傳感器的工作電源（大于30 μA），對(duì)避雷器的泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)變電所設(shè)備實(shí)際情況，隨著電動(dòng)刀閘和綜合自動(dòng)化設(shè)備改造，同步推進(jìn)避雷器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用。

3.3 在線輔控物聯(lián)系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)搭建

建立變電所在線輔控物聯(lián)系統(tǒng)平臺(tái)[9]，通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)，將視頻巡檢、安防、消防、高壓室環(huán)境監(jiān)測(cè)、照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制、電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)等集成為一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，基于視頻監(jiān)控、熱成像、室內(nèi)外機(jī)器人等智能終端設(shè)備，搭建多場(chǎng)景智能巡檢控制體系。實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、安全防范、火災(zāi)報(bào)警、動(dòng)力照明控制、設(shè)備巡檢等功能的高度集成和智能聯(lián)動(dòng)（圖4）。

圖4 變電所在線輔控物聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the online auxiliary control IoT system of the substation

3.3.2 智能聯(lián)動(dòng)

應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)、智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)識(shí)別和智能判斷技術(shù)，通過(guò)軟件預(yù)制等方式，實(shí)現(xiàn)主輔設(shè)備之間聯(lián)動(dòng)和輔控子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，聯(lián)動(dòng)內(nèi)容支持人工配置。

主輔設(shè)備間聯(lián)動(dòng)包括：①支持主設(shè)備操作聯(lián)動(dòng)展示功能，應(yīng)根據(jù)操作命令支持對(duì)應(yīng)視頻預(yù)覽、錄像等功能；②支持主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)聯(lián)動(dòng)展示功能，主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備投切，保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)、刀閘變位等狀態(tài)變化信息應(yīng)聯(lián)動(dòng)展示對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)視頻；③支持主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)異常告警聯(lián)動(dòng)展示功能，主設(shè)備接地短路、突發(fā)事故等異常告警信號(hào)，應(yīng)聯(lián)動(dòng)對(duì)應(yīng)視頻預(yù)置位，召喚在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等功能。

輔控子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)包括：①安全防范系統(tǒng)入侵報(bào)警聯(lián)動(dòng)：打開(kāi)報(bào)警防區(qū)的燈光照明；聯(lián)動(dòng)防區(qū)視頻預(yù)置位，彈出現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控預(yù)覽窗口，開(kāi)啟錄像。②消防系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)：支持門(mén)禁緊急開(kāi)門(mén)，聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟現(xiàn)場(chǎng)燈光照明，啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警；聯(lián)動(dòng)報(bào)警區(qū)域視頻預(yù)置位，彈出現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控預(yù)覽窗口；支持現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)、風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟/關(guān)閉聯(lián)動(dòng)。③環(huán)境監(jiān)測(cè)越限告警聯(lián)動(dòng)：主控室和高壓室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)越限告警，SF6 濃度越限告警，支持空調(diào)、排風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控預(yù)覽窗口。④支持主設(shè)備遙控預(yù)置信號(hào)、變位信號(hào)、告警信號(hào)聯(lián)動(dòng)視頻功能。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)電網(wǎng)智能化改造后[10]，將無(wú)人值班變電所的倒閘操作權(quán)限上移至集控中心，可有效提高倒閘操作、事故處理的準(zhǔn)確性和時(shí)效性；徹底實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備的完全隔離，可靠保證操作人員的人身安全，真正達(dá)到本質(zhì)安全。

在目前運(yùn)維管理模式下，一座110 kV 變電所半段停電檢修操作，運(yùn)行人員提前一天用時(shí)2 h 編寫(xiě)滿足調(diào)度預(yù)令需求的倒閘操作票，操作當(dāng)天，從驅(qū)車(chē)前往被控站、現(xiàn)場(chǎng)模擬預(yù)演、進(jìn)行全所半段200 余項(xiàng)的停電操作完成要3 h，由此可見(jiàn)，從前期準(zhǔn)備到完成半段由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用操作需要5 h 左右。而實(shí)現(xiàn)一鍵順控技術(shù)以后，集控中心將在遠(yuǎn)方監(jiān)控主機(jī)中提取操作模板自動(dòng)進(jìn)行順序操作，省去操作票編寫(xiě)、車(chē)輛行駛、模擬預(yù)演、操作復(fù)誦、人工驗(yàn)位等時(shí)間，所有操作全部依靠“雙確認(rèn)”技術(shù)進(jìn)行位置認(rèn)證，效率更高、準(zhǔn)確性更強(qiáng)，預(yù)計(jì)一鍵順控技術(shù)的應(yīng)用，變電所半段停電操作時(shí)間將控制在1 h 以內(nèi)，節(jié)約就地操作時(shí)間達(dá)4 h。同時(shí)在應(yīng)對(duì)突發(fā)停電跳閘事故和計(jì)劃性單一線路停送電操作時(shí)，一鍵順控技術(shù)的時(shí)效性將會(huì)越發(fā)明顯和突出，極大提升倒閘操作工作效率。