變/配電所智能化改造與應(yīng)用

焦 松，于佳良，延俊磊

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東青島 266000）

1 改造的必要性

目前，傳統(tǒng)的變/配電所內(nèi)運(yùn)行管理大多停留在抄表值班的運(yùn)行管理狀態(tài)，存在如下弊端：①無(wú)法實(shí)時(shí)掌握用電的負(fù)荷情況及電能質(zhì)量情況，且存在人為因素（如無(wú)法檢查到位、檢查人員錯(cuò)誤判斷等）導(dǎo)致判斷失誤的情況；②無(wú)法實(shí)施有效的能耗控制和管理；③隨著運(yùn)行人員人力成本不斷上升，傳統(tǒng)的變、配電所的運(yùn)行成本越來(lái)越高；④用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，不僅要確保供電穩(wěn)定可靠，還要保證供電質(zhì)量。在以上背景下，對(duì)傳統(tǒng)變、配電所進(jìn)行智能化改造必然是大勢(shì)所趨。

2 設(shè)備的安裝（更新）及功能

2.1 多功能儀表

多功能儀表安裝（更新）在開(kāi)關(guān)柜的每個(gè)斷路器，能夠精確穩(wěn)定地測(cè)量電網(wǎng)中的所有常用電力參數(shù)，包括電流、電壓、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電能等。多功能儀表具有精度高、穩(wěn)定性好、抗振動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可直接替代原有指針式儀表，作為一種先進(jìn)的智能化、數(shù)字化的電網(wǎng)前端采集單元，已廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)、SCADA 系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中，可應(yīng)用于變電自動(dòng)化、配電網(wǎng)自動(dòng)化、小區(qū)電力監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化、智能樓宇中等場(chǎng)合，具有安裝方便、接線(xiàn)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、工程量小等特點(diǎn)，可現(xiàn)場(chǎng)編程、設(shè)置輸入?yún)?shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)與PLC、變頻器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的組網(wǎng)通信，將多功能儀表采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)，供其調(diào)配使用。

2.2 微機(jī)保護(hù)裝置

微機(jī)保護(hù)裝置安裝（更新）在高壓開(kāi)關(guān)柜的每個(gè)斷路器，具有測(cè)量全電力參數(shù)包括電壓U、電流I、有功功率P、無(wú)功功率Q、視在功率S、功率因數(shù)PF、電壓與電流的相角度Φ、電壓不平衡度、電流不平衡度、頻率F、分次諧波、奇偶次總諧波含量及總諧波含量等。能計(jì)量當(dāng)前組合有功電能、正向有功電能、反向有功電能、感性無(wú)功電能、容性無(wú)功電能、視在電能。微機(jī)保護(hù)裝置具有兩套時(shí)段表，一年可以分為4 個(gè)時(shí)區(qū)，每套時(shí)段表可設(shè)12 個(gè)日時(shí)段、4 個(gè)費(fèi)率（即尖峰平谷）。

分時(shí)計(jì)費(fèi)的基本思想就是把電能作為一種商品，利用經(jīng)濟(jì)杠桿，用電高峰期電價(jià)高、低谷期電價(jià)低，以便削峰填谷，改善用電質(zhì)量，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

微機(jī)保護(hù)裝置能夠提供歷史電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，具有分次諧波與總諧波含量檢測(cè)，帶有開(kāi)關(guān)量輸入和繼電器輸出功能，可實(shí)現(xiàn)遙信和遙控功能，并具備報(bào)警輸出，廣泛應(yīng)用于多種控制系統(tǒng)、SCADA 系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。微機(jī)保護(hù)裝置具有通用標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以與后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 無(wú)線(xiàn)測(cè)溫與局放測(cè)試裝置

無(wú)線(xiàn)測(cè)溫裝置安裝在開(kāi)關(guān)柜開(kāi)關(guān)觸頭位置。溫度傳感器為免維護(hù)無(wú)源設(shè)備，設(shè)備損壞也不影響開(kāi)關(guān)柜的正常使用。溫度傳感器具有優(yōu)異的絕緣性能，能夠隔離開(kāi)關(guān)柜的高壓，可以直接安裝到開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的高壓觸頭上或電纜接頭位置，能準(zhǔn)確測(cè)量檢測(cè)位置的實(shí)時(shí)溫度，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行溫度的在線(xiàn)檢測(cè)。溫度傳感器與無(wú)線(xiàn)測(cè)溫主機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

高壓開(kāi)關(guān)柜的絕緣內(nèi)部若有水汽、灰塵等雜質(zhì)，將在強(qiáng)電場(chǎng)作用下使得開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的電場(chǎng)分布不均勻，在雜質(zhì)部位的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增大，容易導(dǎo)致該部位發(fā)生未貫穿整個(gè)絕緣的放電，即局部放電。局部放電一般是由于絕緣體內(nèi)部或絕緣表面局部電場(chǎng)特別集中引起的。

局放即電力設(shè)備絕緣體在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下發(fā)生的局部放電，這種放電以?xún)H造成導(dǎo)體間的絕緣局部短接而不形成導(dǎo)電通道為限。每一次局部放電對(duì)絕緣介質(zhì)都會(huì)有一些影響，輕微的局部放電對(duì)電力設(shè)備絕緣的影響較小，絕緣強(qiáng)度的下降較慢，而強(qiáng)烈的局部放電則會(huì)使絕緣強(qiáng)度快速下降，是使高壓電力設(shè)備絕緣損壞的一個(gè)重要因素。因此，設(shè)計(jì)高壓電力設(shè)備絕緣時(shí)要考慮在長(zhǎng)期高電壓的工作狀態(tài)下，不允許絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生較強(qiáng)烈的局部放電。對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)局部放電超過(guò)一定程度時(shí)，應(yīng)將設(shè)備退出運(yùn)行，進(jìn)行檢修或更換。

對(duì)電氣設(shè)備的局部放電進(jìn)行監(jiān)檢測(cè)是評(píng)估設(shè)備絕緣狀況的重要手段，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛伏性故障，是實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，避免故障發(fā)生的有效措施之一。局放檢測(cè)傳感器可以通過(guò)檢測(cè)伴隨局部放電產(chǎn)生的電磁波輻射，自動(dòng)確定現(xiàn)場(chǎng)局部放電的實(shí)際檢測(cè)頻率，并將檢測(cè)到的局部放電次數(shù)和放電頻次上傳至服務(wù)器。局放傳感器安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜電纜室內(nèi)，可以與主機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

裝置的具體配置情況是1 臺(tái)主機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸統(tǒng)一采集變、配電所內(nèi)的所有溫度傳感器和局放檢測(cè)傳感器所獲取的溫度數(shù)據(jù)和局放數(shù)據(jù)。信息采集主機(jī)帶有顯示屏可在本地監(jiān)控、配置溫度和局放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主機(jī)同時(shí)具有通用標(biāo)準(zhǔn)的通信功能。可將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，供其調(diào)配使用。

2.4 變壓器溫控器安裝（更新）

在變壓器上安裝（更新）溫控器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)變壓器繞組溫度的監(jiān)控功能。溫度控制器內(nèi)部采用單片機(jī)控制，利用預(yù)埋在變壓器繞組測(cè)溫孔中的PT100 鉑熱電阻來(lái)測(cè)量繞組的溫度并進(jìn)行數(shù)字顯示，提供繞組超溫跳閘、繞組超溫報(bào)警以及傳感器故障顯示報(bào)警功能，溫控器可以根據(jù)設(shè)定溫度自動(dòng)啟停風(fēng)機(jī)對(duì)繞組進(jìn)行風(fēng)冷，能有效提高變壓器運(yùn)行的安全性、可靠性及使用壽命。溫控器還有標(biāo)準(zhǔn)的通信功能，可與后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信傳輸。

2.5 變壓器紅外測(cè)溫器安裝

紅外測(cè)溫器通過(guò)磁吸方式安裝于干式變壓器內(nèi)部，實(shí)時(shí)檢測(cè)變壓器內(nèi)部線(xiàn)纜接頭狀態(tài)及溫度?？蓪?shí)現(xiàn)可見(jiàn)光、熱成像雙通道實(shí)時(shí)畫(huà)面預(yù)覽，并對(duì)溫度告警或其他預(yù)警事件產(chǎn)生的告警聯(lián)動(dòng)進(jìn)行錄像、抓圖、聲音告警等。可根據(jù)實(shí)際需要在視頻畫(huà)面內(nèi)添加分析對(duì)象、冷熱點(diǎn)追蹤，設(shè)置對(duì)應(yīng)的告警聯(lián)動(dòng)時(shí)間以及配置屬性，支持智能分析等事件進(jìn)行告警，對(duì)各種告警聯(lián)動(dòng)的錄像以及抓圖進(jìn)行回放查看，并標(biāo)記相應(yīng)的告警源。支持實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)分析、圖像融合查看、報(bào)表查看與導(dǎo)出功能，并具有標(biāo)準(zhǔn)的通信功能。

2.6 環(huán)境監(jiān)測(cè)改造

環(huán)境改造包含增加溫濕度計(jì)、煙火報(bào)警系統(tǒng)、水浸檢測(cè)裝置，進(jìn)行溫濕度、火災(zāi)報(bào)警，保證配電所運(yùn)行環(huán)境。各環(huán)境參數(shù)與微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)相連，當(dāng)設(shè)備異常時(shí)可通過(guò)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部繼電器動(dòng)作，進(jìn)而通過(guò)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的通信功能與整體后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控功能。

2.7 后臺(tái)監(jiān)控及視頻監(jiān)控系統(tǒng)

后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)包含工控機(jī)、軟件以及通信管理機(jī)和綜合測(cè)控裝置，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)系統(tǒng)與各智能設(shè)備的連接，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控等遠(yuǎn)動(dòng)功能。實(shí)現(xiàn)變、配電所實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視，控制操作，檢測(cè)保護(hù)設(shè)備狀態(tài)等功能。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含攝像頭、硬盤(pán)錄像機(jī)、監(jiān)控大屏。攝像頭可監(jiān)控每個(gè)開(kāi)關(guān)柜道閘或斷路器指示燈狀態(tài)，變/配電所內(nèi)各攝像頭信息通過(guò)硬盤(pán)錄像機(jī)匯總在一起，并通過(guò)監(jiān)控大屏展示。

3 智能變/配電所的實(shí)現(xiàn)

3.1 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)

多功能儀表、微機(jī)保護(hù)裝置（煙火、水浸、變壓器溫控器等裝置的信號(hào)通過(guò)非電量接入微機(jī)保護(hù)裝置）、無(wú)線(xiàn)測(cè)溫與局放測(cè)試裝置主機(jī)通等智能設(shè)備通過(guò)通信線(xiàn)（如RS-485 接口）與通信管理機(jī)或綜合測(cè)控裝置連接，再通過(guò)通信管理和綜合測(cè)控裝置與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的工控機(jī)的軟件相連，通過(guò)軟件配置相關(guān)開(kāi)關(guān)柜遙測(cè)、遙信、遙控各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)從而實(shí)現(xiàn)了以下功能：①對(duì)各個(gè)變/配電所開(kāi)關(guān)柜每個(gè)斷路器開(kāi)關(guān)的電壓、電流、電量遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控；②對(duì)變壓器溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控及高溫跳閘保護(hù)功能；③對(duì)變壓器內(nèi)部線(xiàn)纜溫度狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；④遠(yuǎn)程操作開(kāi)關(guān)柜的投入、斷開(kāi)；⑤變/配電所內(nèi)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及煙火、水浸報(bào)警功能的預(yù)警；⑥對(duì)斷路器等設(shè)備各信號(hào)的開(kāi)關(guān)量實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

攝像頭、變壓器的紅外測(cè)溫器通過(guò)通信線(xiàn)（如網(wǎng)線(xiàn)、光纖）一起接入硬盤(pán)管理機(jī)，硬盤(pán)管理機(jī)再通過(guò)視頻線(xiàn)接到視頻監(jiān)控屏進(jìn)行顯示從而實(shí)現(xiàn)了以下功能：①實(shí)時(shí)監(jiān)控各開(kāi)關(guān)柜指示燈、刀閘外觀、動(dòng)作及狀態(tài)；②實(shí)時(shí)監(jiān)控變壓器內(nèi)部線(xiàn)纜的實(shí)時(shí)溫度及外觀狀態(tài)，采集各變、配電所相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控，通過(guò)后臺(tái)軟、硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變、配電所實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，具備電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視、控制操作、遠(yuǎn)程通信、監(jiān)控保護(hù)設(shè)備狀態(tài)等功能；③視頻監(jiān)控智能分析功能，通過(guò)采集到的畫(huà)面狀態(tài)，增加智能分析系統(tǒng)對(duì)畫(huà)面中的設(shè)備指示燈顏色、溫度狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)人員穿戴等進(jìn)行分析。具有畫(huà)面回放、警報(bào)聯(lián)動(dòng)抓拍等功能，全面監(jiān)控整改變、配電所現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)。

3.3 通信連接方式

整體系統(tǒng)各硬件的通信連接方式如圖1 所示。

4 變/配電所改造后的應(yīng)用效果

（1）由原來(lái)由人員對(duì)各個(gè)配電所每天按計(jì)劃進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢，改變?yōu)槿藛T通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)24 h 遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控過(guò)程中，通過(guò)儀表、傳感器采集的數(shù)值與各個(gè)傳感器報(bào)警閾值進(jìn)行比較，及時(shí)獲知設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，可通過(guò)各個(gè)設(shè)置需要監(jiān)控的報(bào)警信息自動(dòng)形成報(bào)表，監(jiān)控人員僅需定時(shí)查看報(bào)表信息就可掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施。視頻監(jiān)控可以查看設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的外觀狀態(tài)，配置的紅外攝像頭可監(jiān)控相關(guān)設(shè)備的溫度狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，對(duì)比設(shè)備采集的數(shù)據(jù)狀態(tài)及視頻監(jiān)控狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)互相印證。

（2）對(duì)于設(shè)備倒閘操作，由原來(lái)操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作，兩個(gè)操作人員互相確認(rèn)的方法改變?yōu)橥ㄟ^(guò)遙控信號(hào)后臺(tái)遠(yuǎn)控操作。在后臺(tái)系統(tǒng)中自動(dòng)設(shè)置相應(yīng)的互鎖邏輯，并按照流程要求雙人確認(rèn)制，同時(shí)從程序和軟件上杜絕了誤操作的發(fā)生。在倒閘操作作業(yè)時(shí)，操作人員可通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)軟件顯示的情況以及視頻監(jiān)控到的機(jī)械位置情況來(lái)確認(rèn)操作作業(yè)是否正常，確保設(shè)備閉合狀態(tài)正常。

（3）實(shí)現(xiàn)全部變配電系統(tǒng)電壓、電流、電量、溫濕度、水浸、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集、分析，可依使用單位的實(shí)際情況與需求編制應(yīng)對(duì)模型來(lái)應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的應(yīng)用，并通過(guò)電壓、電流、電量的數(shù)據(jù)分析對(duì)電力系統(tǒng)電量分析出具有效性的分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改造變/配電所的開(kāi)關(guān)柜、變壓器等電力設(shè)備，使其實(shí)現(xiàn)了如下功能：①實(shí)時(shí)監(jiān)控各開(kāi)關(guān)柜的電壓、電流狀態(tài)，并對(duì)其使用情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為后續(xù)電能的管控提供可靠依據(jù)；②變/配電所內(nèi)增加溫濕度傳感器、局放檢測(cè)裝置等，實(shí)時(shí)監(jiān)控變、配電所內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，減少人員的日常巡檢次數(shù)；③增加遠(yuǎn)程控制功能，減少人員現(xiàn)場(chǎng)倒閘操作。

變/配電所智能化改造增加了設(shè)備數(shù)據(jù)采集和操作的實(shí)時(shí)性和有效性，擴(kuò)展了供電系統(tǒng)的參數(shù)采集范圍，通過(guò)持續(xù)的預(yù)測(cè)、分析實(shí)現(xiàn)異常的自動(dòng)檢測(cè)和響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，防患于未然。傳感器遠(yuǎn)程監(jiān)控代替了人工日常巡檢，遠(yuǎn)程操作控制代替了現(xiàn)場(chǎng)操作，可以大幅減少人力資源投入，降低運(yùn)營(yíng)成本。