基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測方法

梁毅輝

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

變電站是一種能夠接收電能，并對電能做出快速分配的場所，根據(jù)電力系統(tǒng)的供電需求與特性，變換電壓與電流[1]。變電站根據(jù)規(guī)模和功能可以分為四類，均能在滿足經(jīng)濟的前提下高效實現(xiàn)不間斷供電[2]。變電站在運行過程中受運行環(huán)境、條件等復(fù)雜因素的影響，存在一定的安全風(fēng)險隱患[3]。變電站備自投裝置即備用電源自動投入裝置，當系統(tǒng)運行的主供電源發(fā)生故障時，該裝置能夠判定變電站的啟動條件，向變電站失壓母線供電，規(guī)避停電事故[4]。一般情況下，變電站備自投裝置多數(shù)與斷路器保護裝置分開設(shè)置，在斷開斷路器后，方可投入備用電源[5]。備自投裝置投入運行后，一旦閉鎖動作錯誤，會導(dǎo)致變電站雙電源備自投狀態(tài)異常，需要根據(jù)備自投狀態(tài)的動態(tài)變化，立即切除故障。因此尋求科學(xué)合理的備自投狀態(tài)監(jiān)測方法至關(guān)重要。現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的備自投狀態(tài)監(jiān)測方法以文獻[1]和文獻[4]提出的方法為主，但在變電站規(guī)模較大的情況下，監(jiān)測時效性較差，備自投狀態(tài)監(jiān)測誤差較大，監(jiān)測精度較低。

文章通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測方法研究，為實現(xiàn)變電站備自投狀態(tài)的高精度監(jiān)測做出貢獻。

1 變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 變電站雙電源備自投蓄電池巡檢設(shè)計

設(shè)計的監(jiān)測方法選用JK0603BA-1型號的電池巡檢儀，實時采集雙電源備自投裝置蓄電池參數(shù)。電池巡檢儀的技術(shù)指標設(shè)置如表1所示。

表1 電池巡檢儀的技術(shù)指標設(shè)置

通過ZigBee無線通信技術(shù)，將采集的參數(shù)上傳至巡檢儀控制器。通過蓄電池溫度補償，對采集的蓄電池電壓進行修正，避免備自投裝置蓄電池的浮充電壓受到外界環(huán)境條件的影響而發(fā)生變化。電壓修正公式為

式中：Utc表示經(jīng)過溫度補償后的備自投裝置蓄電池浮充電壓；Un表示未經(jīng)過溫度補償?shù)膫渥酝堆b置蓄電池浮充電壓；Tc表示蓄電池溫度補償系數(shù)；N表示變電站雙電源備自投裝置蓄電池組中的蓄電池數(shù)量；T表示通過溫度傳感器檢測到的備自投裝置蓄電池的溫度。蓄電池電壓修正后，上位機通過RS-485實時接收電池參數(shù)，對備自投裝置的蓄電池進行實時監(jiān)控。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的備自投絕緣狀態(tài)監(jiān)測

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對雙電源備自投絕緣狀態(tài)進行實時監(jiān)測。變電站雙電源備自投裝置在運行過程中出現(xiàn)接地故障，可能引起變電站電氣設(shè)備誤動作、信號回路等問題，嚴重情況下還會對電力系統(tǒng)造成危害。基于物聯(lián)網(wǎng)的備自投絕緣狀態(tài)監(jiān)測流程如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的備自投絕緣狀態(tài)監(jiān)測流程

首先，將變電站的基礎(chǔ)系統(tǒng)劃分為過程處理層、間隔層以及變電站層等基本結(jié)構(gòu)。其次，通過樹型多層分布式監(jiān)測，采集雙電源備自投絕緣狀態(tài)信號?；谖锫?lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)化與實時傳輸作用，先將采集的絕緣狀態(tài)物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，并傳輸至在線監(jiān)測裝置，存儲并診斷處理信號數(shù)據(jù)。最后，將全部監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)庫，傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺中，通過云平臺的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多維度的分析與診斷，生成變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果。若變電站雙電源備自投絕緣狀態(tài)異常，則此時備自投裝置母線上注入的頻率不同、幅值相同的電壓信號存在交替出現(xiàn)的現(xiàn)象；若變電站雙電源備自投絕緣狀態(tài)正常，則頻率相同、幅值相同的電壓信號不會出現(xiàn)交替現(xiàn)象。將監(jiān)測結(jié)果發(fā)送給變電站相關(guān)負責人，負責人根據(jù)監(jiān)測結(jié)果制定相應(yīng)的操作指令，規(guī)避變電站雙電源備自投狀態(tài)異常問題。

1.3 備自投狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建模設(shè)計

文章設(shè)計的變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括4個組成區(qū)域，對應(yīng)的內(nèi)容如表2所示。

表2 備自投狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫表分區(qū)

按照表2所示的變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫表分區(qū)，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，存儲、調(diào)取并管理細分的備自投狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)庫表之間存在的約束關(guān)系，輔助Power Designer建模工具詳細描述各實體之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)復(fù)雜的變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表間查詢功能，為下一次狀態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

選取S地區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)作為此次實驗的研究對象，供電網(wǎng)絡(luò)所在地區(qū)地貌以沖積平原為主。該地區(qū)范圍內(nèi)，供電網(wǎng)絡(luò)有5個500 kV變電站、35個220 kV變電站、160個110 kV變電站，對應(yīng)的線路分別為18回500 kV線路、111回220 kV線路、525回110 kV線路。S地區(qū)的電廠不具備黑啟動條件，存在潛在的危險因素。此外，由于S地區(qū)的供電網(wǎng)絡(luò)較多，為避免增加此次實驗的復(fù)雜度，選擇110 kV變電站作為研究對象。變電站高壓側(cè)進線的接線方式較多，數(shù)量統(tǒng)計如表3所示。

表3 110 kV變電站高壓側(cè)進線接線方式的數(shù)量統(tǒng)計

通過表3的數(shù)量統(tǒng)計，獲取110 kV變電站高壓側(cè)進線對應(yīng)的各種接線方式及數(shù)量，為后續(xù)的試驗提供數(shù)據(jù)支持。根據(jù)S地區(qū)的地形地貌特征，大多數(shù)110 kV變電站采用的接線方式為線變組方式。該接線方式更加直觀、清晰，能夠滿足該地區(qū)未來電網(wǎng)規(guī)劃的標準。但是，在長期運行下，一旦110 kV變電站線路發(fā)生故障，線路連接變壓器所供給的母線會出現(xiàn)無壓情況，此時需要變電站雙電源備自投裝置幫助其恢復(fù)電力供應(yīng)。然而，該變電站雙電源備自投裝置在運行過程中存在一定的缺陷，具體如下。

第一，備自投裝置邏輯狀態(tài)異常。變電站部分備自投裝置未進行過傳動試驗，邏輯不夠完善。第二，備自投裝置開入接點狀態(tài)異常。部分備自投裝置采用跳閘位置繼電器（Trip Position Junction，TWJ）接點作為跳位開入，不能實時采集變電站斷路器位置的動態(tài)變化數(shù)據(jù)，導(dǎo)致備自投裝置運行過程中可能出現(xiàn)動作中斷問題，影響備自投狀態(tài)判別。第三，備自投裝置定值異常。部分備自投裝置沒有與其他裝置產(chǎn)生良好的互動配合，整定定值時容易出現(xiàn)誤整定，導(dǎo)致裝置定值計算不合理。第四，備自投裝置接線狀態(tài)異常。多數(shù)出現(xiàn)在備自投裝置投入使用前，由于斷路器分合產(chǎn)生振動，導(dǎo)致接線不穩(wěn)，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)脫落，引發(fā)接線狀態(tài)異常問題。第五，備自投裝置外部運行狀態(tài)異常。當變電站運行年限較長時，雙電源備自投裝置中的各類插件容易出現(xiàn)老化，如中央處理器（Central Processing Unit，CPU）插件、操作插件、電源插件以及通信插件等，會引發(fā)備自投裝置誤動，造成運行狀態(tài)異常。

對上述5種變電站雙電源備自投裝置異常狀態(tài)進行編號，分別編號為BZT-01#、BZT-02#、BZT-03#、BZT-04#、BZT-05#。開展備自投狀態(tài)監(jiān)測實驗，檢驗所提監(jiān)測方法的可行性。

2.2 結(jié)果分析

在此次實驗中，分別設(shè)置一個實驗組與兩個對照組，通過對比分析的方法檢驗監(jiān)測效果。其中，實驗組為文章所提監(jiān)測方法，對照組分別為文獻[1]提出的基于自適應(yīng)策略的備自投狀態(tài)監(jiān)測方法、文獻[4]提出的基于平衡異動分析的備自投狀態(tài)監(jiān)測方法。分別利用3種方法實時監(jiān)測上述5種變電站雙電源備自投狀態(tài)的動態(tài)變化，使用MATLAB模擬分析軟件模擬整個監(jiān)測流程。設(shè)定監(jiān)測次數(shù)為10次，選取變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測定量誤差作為此次實驗的評價指標，取10次實驗監(jiān)測定量誤差的平均值，備自投狀態(tài)監(jiān)測的定量誤差結(jié)果如圖2所示。

圖2 變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測的定量誤差對比結(jié)果

通過圖2可以看出，3種監(jiān)測方法在監(jiān)測性能方面存在一定的差異。其中，文章提出的監(jiān)測方法的監(jiān)測定量誤差始終小于另外2種方法，說明提出方法的監(jiān)測精度較高，能夠更加準確地反映變電站雙電源備自投狀態(tài)的實時變化，具有較高的可行性和推廣價值。

3 結(jié) 論

為改善傳統(tǒng)變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測定量誤差較大、監(jiān)測精度較低的問題，開展基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站雙電源備自投狀態(tài)監(jiān)測方法研究。所提方法能有效減小了備自投狀態(tài)監(jiān)測定量誤差，提高監(jiān)測精度，對于準確地反映變電站雙電源備自投狀態(tài)的實時工況變化具有重要的研究意義。