論柱上變壓器智能化改造及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，用電需求不斷增加，配電設(shè)施發(fā)展很快。從當前運行情況來看，隨著主網(wǎng)線路及設(shè)施的完善，主網(wǎng)的故障率逐步降低，相應(yīng)地，10kV配電網(wǎng)故障引致停電的情況越來越突出。如何提高10kV配電網(wǎng)的可靠性是擺在電力生產(chǎn)運維部門面前的一大難題。

10kV配電網(wǎng)中，由于柱上配電變壓器數(shù)量眾多，安裝位置偏僻，運行環(huán)境惡劣，導(dǎo)致頻發(fā)配電變壓器故障或其相應(yīng)避雷器、保護熔斷器引起的停電事故。

所以從柱上配電變壓器入手，針對運行維護中的難點問題，引入新的技術(shù)解決方案，結(jié)合保護測控技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對配電變壓器進行升級改造，進一步提高設(shè)備的可靠性，以適應(yīng)未來智能配網(wǎng)對變壓器精確保護及智能化的需求。

1 當前柱上配電變壓器的組成

當前配電變壓器一般有以下部分組成：

1）跌落式熔斷器開關(guān)；

2）高壓避雷器；

3）變壓器；

4）低壓配電箱。

圖1.1所示是一種常見的柱上變壓器的布置圖。

圖1.1

1.1 跌落式熔斷器開關(guān)

跌落式熔斷器開關(guān)，一直以來為柱上變壓器提供短路和過流保護，其主要原因有：

1）結(jié)構(gòu)簡單，易于桿上安裝，適應(yīng)性強；

2）跌落式熔斷器開關(guān)有明顯斷口，為現(xiàn)場維護提供安全隔離；

3）維護方便，維護人員只需要在地面就可以完成熔斷器的更換操作；

4）成本低廉。

然而，隨著供電質(zhì)量要求越來越高，跌落式熔斷器開關(guān)的缺點就無法忽視了。

1）跌落式熔斷器過流保護特性離散性大，多發(fā)誤動事故。

2）由于熔斷器保護動作時熔體熔斷時間不完全同步，常出現(xiàn)缺相運行的情況。

3）受周圍環(huán)境影響，以及眾多廠家質(zhì)量參差不齊等原因，跌落式熔斷器開關(guān)時有發(fā)生諸如觸頭發(fā)熱、誤動、異常脫落、熔斷器炸毀等故障。影響到線路的供電可靠性。

4）故障后查障時間長，更換熔斷器也不容易，導(dǎo)致恢復(fù)供電時間長。

1.2 運維方式

當前柱上配電變壓器的運維方式主要靠人工現(xiàn)場巡查。盡管有部分地區(qū)在低壓側(cè)安裝了無線集抄系統(tǒng)，可以提供一些輔助信息給運維人員參考，但變壓器本身的運行狀況還得人員到現(xiàn)場查看。

一般日常巡視內(nèi)容有：

1）現(xiàn)場查看有油溫油位，檢查外觀，各部位是否有滲油漏油；

2）檢查套管是否正常，有否破裂，有否雜物、油污；

3）檢查表面是否有放電痕跡或其他異?，F(xiàn)象；

4）檢查變壓器運行聲音是否正常；

5）檢查高低壓各接線端子是否正常，有否松脫、破裂；

6）檢查各部分是否過熱；

7）檢查外殼是否生銹；

……。

如圖1.2所示。

圖1.2

可見，對于大量的配電變壓器的運行維護，需要大量人力物力。

所以，應(yīng)用新技術(shù)，改變配電變壓器的現(xiàn)狀，提高設(shè)備可靠性，提高運維效率，大有可為。

2 智能配電變壓器方案

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)這個概念，在美國早在1999年就提出來了。當時叫傳感網(wǎng)。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。

“物聯(lián)網(wǎng)概念”是在“互聯(lián)網(wǎng)概念”的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)，國內(nèi)外普遍公認的是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID時最早提出來的。在2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的同名報告中，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)發(fā)生了變化，覆蓋范圍有了較大的拓展，不再只是指基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。

2.2 配電變壓器與物聯(lián)網(wǎng)概念

對于配電變壓器來說，我們可以借鑒物聯(lián)網(wǎng)的概念和技術(shù)，實現(xiàn)以下目標：

1）每臺變配電變壓器擁有唯一ID；

2）通過一體化集成數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，使得每臺配電變壓器具備對自我狀態(tài)的感知能力；

3）通過一體化集成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，處理和存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)，提供狀態(tài)評估和故障預(yù)警；

4）支持小無線系統(tǒng)通訊，允許通過認證的客戶終端訪問配電變壓器數(shù)據(jù)；

5）支持遠程無線系統(tǒng)通訊，可以與遠方后臺交換數(shù)據(jù)。

2.3 配電變壓器智能化方案目標

配電變壓器智能化的根本目標是為了提高設(shè)備的可靠性，提高運維效率，預(yù)防和減少故障的發(fā)生。

基于以上目標，智能化方案包括以下內(nèi)容：

1）采用微型高壓斷路器保護；

2）應(yīng)用繼電保護技術(shù)對變壓器設(shè)備故障實時就地隔離。

3）參考物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備身份識別、設(shè)備狀態(tài)感知(狀態(tài)數(shù)據(jù)采樣)、無線通訊

4）應(yīng)用合適數(shù)學(xué)模型，對設(shè)備狀況自我診斷評估，發(fā)出運維提示或預(yù)警。

5）運維人員隨時可以無線獲取設(shè)備狀態(tài)信息，用于更進一步分析研究。

2.4 配電變壓器智能化方案實現(xiàn)

2.4.1 微型高壓斷路器

應(yīng)用斷路器開關(guān)作變壓器的保護開關(guān)無論保護范圍、保護能力，還是保護質(zhì)量及可靠性都是遠遠好于熔斷器的。

應(yīng)用斷路器開關(guān)作變壓器的保護開關(guān)也是未來智能電網(wǎng)的必然要求。

但是推廣應(yīng)用斷路器，必須解決以下問題：

1）成本高昂；

2）設(shè)備相對復(fù)雜、安裝維護要求較高；

3）體積較大。

所以要想應(yīng)用斷路器開關(guān)在柱上變壓器上作為其保護，現(xiàn)有的普通柱上斷路器明顯不太合適。只有研究新的合適的微型斷路器開關(guān)，降低成本，才能推進斷路器開關(guān)在配電變壓器保護上的應(yīng)用。

下面我們就這幾方面提出一個思路，供大家一起探討。

為了考慮到通用性，能夠安裝在已有的變壓器上，就要考慮外裝式方案。

外裝式方案要考慮與變壓器整合連接，不是簡單的將一個柱上變壓器+一個柱上斷路器開關(guān)。而是需要與變壓器做一體化的考慮。

圖2.4.1所示是方案的示意圖。

圖2.4.1

此方案的思路是直接在變壓器的高壓端頭處安裝斷路器。所以適合對已運行的變壓器的改造升級，也方便與不同廠家的變壓器的配合安裝。

主要特點是：

1）利用現(xiàn)有的固封絕緣技術(shù)，盡量減少斷路器開關(guān)的體積，已達到小型化；

2）跟不同的變壓器配套，只需選配不同的安裝底座則可；

3）控制系統(tǒng)集成在開關(guān)上，功能簡單實用，預(yù)留通訊接口；

4）高壓的接線全部實現(xiàn)密閉，提高安全性；

5）開關(guān)支持電動操作、機械手動分合；

6）安裝簡單靈活。

2.4.2 系統(tǒng)方案總述

微型高壓斷路器用于代替熔斷器，為實現(xiàn)變壓器設(shè)備的可靠保護和快速恢復(fù)供電提供了可能。而作為柱上配電變壓器智能化的核心，數(shù)據(jù)測控單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)通訊單元等則是智能變壓器設(shè)備的中樞大腦。

如圖2.4.2所示。

具體各部分功能如下：

█傳感器是系統(tǒng)的眼睛，感知設(shè)備的高低壓電流、電壓、油溫、油位、接線端頭溫度、環(huán)境溫度等等，測控單元對設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)采集和控制。

█數(shù)據(jù)處理單元對測控單元采集到的數(shù)據(jù)進行處理、存儲，以及進行評估計算，得出準確的評估結(jié)果。

評估計算模型主要從以下幾個方面考慮：

1）考慮環(huán)境溫度、油溫溫升、低壓電纜端頭溫度溫升，對應(yīng)變壓器的負載電流，是否合理；

2）變壓器高壓電流、低壓電流的差流是否正常；

3）油溫油位關(guān)系是否正常；

4）長期歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)相關(guān)性對比；

5）長期油溫記錄測算絕緣壽命；

等等。

圖2.4.2

█數(shù)據(jù)通訊單元采用無線通訊技術(shù)，根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議，對遠程主站或客戶端的訪問進行身份辨別認證，對認證的客戶端的請求響應(yīng)和處理。同時對通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密和解密，對用戶權(quán)限分級授權(quán)，保證設(shè)備的信息安全。

2.4.3 變壓器智能化改造后的運維方式變化

柱上變壓器按上述方案智能化改造后，運行維護方式將發(fā)生天翻地覆的變化。下圖是典型的2種方式。

1）有遠程主站系統(tǒng)的話，安坐電腦終端前，可知所有變壓器的狀態(tài)。如圖2.4.3.1所示。

圖2.4.3.1

2）如果沒有遠程主站系統(tǒng)，可以坐巡檢車輛，無需下車，一路用手持終端通過近距離無線通訊系統(tǒng)，調(diào)取各個變壓器的運行數(shù)據(jù)，然后回到電腦前，鼠標輕點，讀取手持終端的數(shù)據(jù)，自動生成報表。如圖2.4.3.2所示。

圖2.4.3.2

所以，無論實現(xiàn)上述哪種巡查方式，跟以前的人工巡檢相比，勞動強度大大降低，效率大大提高，設(shè)備的運行維護變得更加合理有序。

3 結(jié)語

上文對當前的10kV柱上變壓器的現(xiàn)狀進行了分析，提出面向未來智能電網(wǎng)的變壓器智能化改造方案，并介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變壓器智能化改造中的應(yīng)用。同時提出了變壓器狀態(tài)檢測、評估的思路和方案，為配電變壓器的升級改造、提高運行維護效率、逐步適應(yīng)新電網(wǎng)的高可靠性要求，研究和探索變壓器的智能化之路。