10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

王俊仁，張志華，呂　鵬，邵云浩

10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

王俊仁，張志華，呂鵬，邵云浩

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

城市配電電網(wǎng)中對于負荷密集區(qū)，大多采用10 kV開關(guān)站直接向用戶供電。錯綜復(fù)雜的城市功能使得用電客戶對配電網(wǎng)的可靠性提出了更高的要求。結(jié)合配網(wǎng)新的特點以及更高的要求，針對10 kV開關(guān)站常見故障特點研制出一種智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和高效性。

智能開關(guān)站；在線監(jiān)測；水位監(jiān)測；智能配電終端

0　引言

隨著我國配電網(wǎng)規(guī)模的快速增長以及電力用戶對供電質(zhì)量要求的不斷提高，配電網(wǎng)自動化技術(shù)開始備受供電部門關(guān)注。目前我國城市配網(wǎng)對于負荷密集區(qū)采用開關(guān)站直接向用戶供電的方式。10 kV開關(guān)站作為配網(wǎng)中的重要設(shè)施其地位也顯得愈加重要，10 kV開關(guān)站相當于擴展了變電站10 kV母線，能夠有效減少高壓變電所的10 kV出線間隔和出線走廊［1］。另外10 kV開關(guān)站還可以為重要用戶提供多電源供電。因此，建設(shè)并維護好10 kV開關(guān)站就成為了發(fā)展配網(wǎng)自動化的關(guān)鍵。本文根據(jù)配網(wǎng)自動化發(fā)展要求以及10 kV開關(guān)站的運行特點，著重分析10 kV開關(guān)站的常見故障排除方法，開發(fā)出一套10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主要電力運行參數(shù)、站內(nèi)溫濕度及電纜溝水位等信息的實時監(jiān)測，同時通過站內(nèi)執(zhí)行機構(gòu)能夠及時有效地排除故障。

1　10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)簡介

1.110 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)研究內(nèi)容

10 kV開關(guān)站作為配電網(wǎng)中的重要單元，在實際運行中一旦出現(xiàn)如電纜溝積水的問題就可能造成大面積供電受到影響。10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)通過采用自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、高精度傳感技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，能夠快速有效解決開關(guān)站實際運行問題。其主要研究內(nèi)容包括：

（1）配電監(jiān)控研究：安裝在開關(guān)站內(nèi)的智能配電終端可以實時監(jiān)測開關(guān)站內(nèi)主要電力線路的實際運行參數(shù)，同時也可以為其監(jiān)測的線路提供過負荷保護等基本線路保護功能。

（2）環(huán)境監(jiān)控研究：安裝在開關(guān)站內(nèi)的各種高性能傳感裝置采集現(xiàn)場的溫濕度、煙霧等環(huán)境參數(shù)。同時運行人員可根據(jù)現(xiàn)場實際情況自定義環(huán)境監(jiān)測名稱以及設(shè)置告警閾值。

（3）電纜溫度監(jiān)控：安裝在開關(guān)站內(nèi)的溫度傳感裝置實時監(jiān)測主要電纜線路的溫度變化。溫度傳感裝置采用光導纖維傳輸溫度信號，具有良好的絕緣性能。另外溫度傳感探頭體積小巧、安全防爆，解決了傳統(tǒng)測溫方法中傳感裝置存在測量精度差和易受電磁干擾等問題。

（4）電纜溝水位監(jiān)控：安裝在開關(guān)站電纜溝內(nèi)的水位監(jiān)控裝置采用新型水位探測傳感器，傳感器具有檢測精度高、現(xiàn)場安裝靈活等特點并與水泵進行1∶1冗余配置［2］。冗余配置控制方案的電纜溝水位監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠及時有效地解決電纜溝內(nèi)積水問題。

（5）監(jiān)測主站系統(tǒng)：安裝在開關(guān)站內(nèi)的監(jiān)測平臺負責收集站內(nèi)各類傳感器檢測信號并通過485總線將數(shù)據(jù)傳送給智能配電終端進行數(shù)據(jù)處理，再由智能配電終端將站內(nèi)實時數(shù)據(jù)上傳給主站監(jiān)測單元。主站監(jiān)控軟件包含歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理庫等功能。

1.210 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中環(huán)境監(jiān)控單元包含溫濕度、煙霧等傳感器和空調(diào)、風扇等執(zhí)行機構(gòu)。各類傳感器及執(zhí)行機構(gòu)科學布置在站內(nèi)，傳感器之間、傳感器以及執(zhí)行機構(gòu)與站內(nèi)監(jiān)控平臺通過基于ZigBee技術(shù)的無線方式進行通信。人防監(jiān)測單元主要由門禁技術(shù)、“人體微波”等防盜技術(shù)以及視頻監(jiān)控技術(shù)組成。電纜溫度監(jiān)測單元由若干個溫度傳感器組成，高性能溫度傳感器實時準確測量站內(nèi)任意位置的溫度變化。水位監(jiān)控單元由電纜溝的水位探測器及水泵組成，采用冗余配置控制方案完成自動排水的功能。

圖1　10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與實現(xiàn)

2.1智能配電終端

配電終端是配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。配網(wǎng)系統(tǒng)的電力設(shè)施運行實時數(shù)據(jù)、故障自動檢測與識別功能、故障隔離以及現(xiàn)場開關(guān)的合/分操作都是由配電終端提供與實現(xiàn)的［3］。另外，在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中配電終端是連接配電主站與現(xiàn)場一次設(shè)備之間信息交互的橋梁。因此，配電終端的智能化水平、穩(wěn)定性以及靈活性決定著配電網(wǎng)的自動化水平。本系統(tǒng)采用的智能配電終端具有功能多樣、開放性好和可擴展性強的特點，采用了目前領(lǐng)先的一體化設(shè)計思路，解決了傳統(tǒng)配電終端功能單一以及“掛葫蘆式”的安裝方式［4］。智能配電終端的軟硬件的設(shè)計均采用模塊化的方法，具有功能穩(wěn)定、現(xiàn)場安裝方便、易于擴展和維護的特點。智能配電終端硬件的模塊化設(shè)計如圖2所示。

圖2　智能配電終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是目前智能配電終端的典型設(shè)計方案，其中電源板等主要功能板件與總線之間的連接是通過插槽實現(xiàn)的。電源板是智能配電終端的基礎(chǔ)單元，采用多樣化供電模式保證智能配電終端電源輸入的靈活性；同時電源板還具有電源監(jiān)視與多功能電源管理功能，保障裝置的可靠運行。核心板是智能配電終端的關(guān)鍵，核心板采用雙CPU設(shè)計模式，其中一塊CPU板負責數(shù)據(jù)采集與處理，另一塊則負責裝置的通信功能，兩塊CPU之間通過串口進行數(shù)據(jù)交互。遙測板與遙信板是智能配電終端的基本數(shù)據(jù)采集板，在與被測開關(guān)站測量線路的接線連接時可根據(jù)現(xiàn)場特點靈活配置各被測對象在板件上的接線，最后通過配置轉(zhuǎn)發(fā)表實現(xiàn)實際被測對象與點號的一一對應(yīng)。遙控板是智能配電終端的業(yè)務(wù)板，通過對繼電器的開出控制實現(xiàn)由電機驅(qū)動的一切遙控功能（如水泵等）。可擴展模塊板是為了滿足特殊需求而設(shè)置的，本系統(tǒng)中可擴展模塊實現(xiàn)了現(xiàn)場各傳感器信號的收集并將數(shù)據(jù)上傳給核心板。

智能配電終端是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其穩(wěn)定性及兼容性決定著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠程度。智能配電終端收集監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一通信規(guī)約并上傳的方式避免通信鏈路中出現(xiàn)信息“阻塞”，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

2.2溫度監(jiān)測單元

傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)主要是采用紅外和光纖兩種測溫方式。其中紅外測溫裝置是非接觸式測溫，一旦灰塵將測溫頭遮住后測量值就會急劇變化。因此，在10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)中采用領(lǐng)先的無線測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了測溫探頭與接收裝置物理上的分離，解決了高壓帶電體運行時的高溫對接收裝置本體造成的影響。另外，測溫探頭體積小巧以及采用絕緣外殼設(shè)計，可實現(xiàn)自由配置測量點的問題。

2.3水位監(jiān)控單元［5］

解決10 kV開關(guān)站站內(nèi)積水尤其是電纜溝積水仍然是電力部門管理運行的重點，10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)基于先進水位探測器、冗余控制方案以及通信技術(shù)研究一套水位監(jiān)控裝置能及時有效地解決站內(nèi)積水問題。

水位監(jiān)控單元采用領(lǐng)先技術(shù)的光電探頭式水位傳感器，并根據(jù)其特點研究出一套水位監(jiān)控系統(tǒng)冗余控制方案。水位監(jiān)控單元采用I/O的雙配置冗余配置實現(xiàn)控制方案，其現(xiàn)場安裝示意圖如圖3所示。

圖3　水位監(jiān)控單元安裝示意圖

圖3中水位探測器采用主從交錯的安裝方式以及雙執(zhí)行機構(gòu)（水泵）的配置，其中U槽等效成站內(nèi)的電纜溝。冗余控制方案的基本原理是使用高低錯位的雙水位探測方法實現(xiàn)水位及水位變化率的測量，如果水位不高或水位變化率不大時啟動主水泵進行排水并上送水位值和一般告警信號；一旦出現(xiàn)水位過高或者水位變化率過大時則同時啟動主從水泵進行排水同時上送水位值和中度告警信號；若主從水泵同時開啟并且水位探測器均在一段時間內(nèi)檢測到有水位時（即水泵不能排除積水的情況），上送重度告警信號并同時打開音響及時提醒運維人員。冗余控制算法在智能配電終端的主程序中實現(xiàn)，通過可擴展模塊發(fā)送給核心板的主從探測器水位信號程序計算出水位變化率值并通過控制算法解算出執(zhí)行機構(gòu)（水泵）輸出信號。通過實際應(yīng)用，該水位監(jiān)控單元能夠及時有效地解決電纜溝內(nèi)積水問題。

2.4主站監(jiān)控單元

開關(guān)站內(nèi)各傳感器采集的實時數(shù)據(jù)經(jīng)智能配電終端匯總處理后由光通信單元ONU設(shè)備上傳主站監(jiān)控單元。主站系統(tǒng)主要由歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備管理等幾個功能模塊組成。

（1）歷史數(shù)據(jù)主要用于保存監(jiān)控數(shù)據(jù)記錄。進入歷史數(shù)據(jù)后，通過查詢按鈕控件可實現(xiàn)根據(jù)查詢條件查詢出數(shù)據(jù)庫的歷史監(jiān)控記錄和操作記錄。例如查詢遙信記錄時，選擇相應(yīng)查詢條件就可直接查出庫中的遙信記錄。查詢條件包括遙信類型、遙信狀態(tài)和時間選擇三種。

（2）設(shè)備管理實現(xiàn)開關(guān)站的智能管理與控制，通過設(shè)備管理按鈕控件可實現(xiàn)站內(nèi)傳感器的遠程維護，同時也可以通過設(shè)備管理對各個傳感器檢測參數(shù)以及檢測閾值進行遠程配置。

（3）數(shù)據(jù)管理庫包括開關(guān)站日常維護記錄備份和一般運行故障記錄自動備份兩個功能，管理人員通過日常維護記錄模塊可以方便地實現(xiàn)常規(guī)維護記錄的等級；一般運行故障記錄自動備份功能為開關(guān)站運行情況提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時還為10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)研究人員提供大量的故障數(shù)據(jù)。10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)主站系統(tǒng)實時運行狀態(tài)界面如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)運行主界面

3　結(jié)論

10 kV開關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)我國配網(wǎng)自動化的要求，結(jié)合10 kV開關(guān)站運行管理中存在的安全隱患特點而研究開發(fā)的全新系統(tǒng)。通過實際投運，該系統(tǒng)能夠提高配電電網(wǎng)運行管理水平，切實有效地提高供電可靠性，4同時提高了工作效率，實現(xiàn)真正的無人化管理。

［1］蔣麗娟.10 kV開關(guān)站設(shè)備與運行［D］.杭州：浙江大學電氣工程學院，2011.

［2］陳子平.淺談控制系統(tǒng)冗余控制的實現(xiàn)［J］.自動化儀表，2005，26（9）：4-7.

［3］陳愛明，張文斌，付永長.一體化智能配電終端研制［J］.微型機與應(yīng)用，2013，32（20）：63-65.

［4］叢偉，路慶東，田崇穩(wěn)，等.智能配電終端及其標準化建模［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（10）：6-12.

［5］武樹云，徐圣春，張瑩.無人值守變電站電纜溝智能遠程自動排水裝置［P］.中國，201220626827.X.2013-07-03.

Analysis and realization of intelligent monitoring system for 10 kV switch station

Wang Junren，Zhang Zhihua，Lv Peng，Shao Yunhao

（NARI Technology CO.，LTD.，Nanjing 211106，China）

In urban distribution power network，power is mostly supplied to users directly by 10 kV switch station for intensive load areas.Complicated city functions leads clients looking forward a more reliable and dependable distribution power network. Combining the new features of distribution network with higher standards，this paper has done some research in developing a new smart comprehensive monitor system according to the characteristics of 10 kV switch-station，aiming to realize a stable and efficient distribution power network.

smart switch-station；monitor on-line；water level monitoring；smart power distribution terminal

TM769

A

1674-7720（2015）04-0008-03

（2014-10-21）

王俊仁（1988-），男，碩士研究生，助理調(diào)試工程師，主要研究方向：配網(wǎng)自動化研究。E-mail：wangjunren@sgepri. sgcc.com.cn

張志華（1986-），男，本科，初級工程師，主要研究方向：配網(wǎng)自動化研究。E-mail：zhangzhihua@sgepri.sgcc.com.cn

呂鵬（1988-），男，碩士研究生，助理調(diào)試工程師，主要研究方向：配網(wǎng)自動化研究。E-mail：lvpeng@sgepri.sgcc.com.cn