敞開式變電站智能組件及其控制柜方案

陳小衛(wèi) 張成松 但春林

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，南京 210003）

隨著近幾年數(shù)字化特別是智能化變電站試點工作的不斷推進(jìn)，繼電保護(hù)、自動裝置等二次設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化得到了足夠的重視和長足的發(fā)展，基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的綜合自動化變電站越來越多，這大大提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平，增強(qiáng)了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的靈活性和可靠性。但由于各種原因，一次設(shè)備的智能化卻相對滯后了。

本文介紹了敞開式智能變電站智能組件及其控制柜較新的設(shè)計方案和設(shè)計理念，希望這種數(shù)字化變電站系統(tǒng)設(shè)計的新方案和新思路能為用戶節(jié)省大量投資，為設(shè)計院減輕大量工作, 同時也提升了變電站建設(shè)整體的智能化水平。

1 智能終端新方案

1.1 智能終端的基本功能

1）智能終端的控制功能

智能終端作為與一次設(shè)備聯(lián)系的智能組件之一，必須滿足目前智能變電站的基本功能要求。智能終端是在傳統(tǒng)操作箱上演化而來的，由于智能變電站網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)勢，傳統(tǒng)操作箱的很多信號可由智能終端以數(shù)字化的方式實現(xiàn)，可大大簡化操作回路。因此可將智能終端操作回路設(shè)計成能與分相或三相操作的斷路器配合使用，使裝置具有傳統(tǒng)操作箱功能，并實現(xiàn)部分測控功能，支持IEC 61850的GOOSE方式的跳合閘命令，同時又能保留了傳統(tǒng)的硬接點跳合閘方式，能夠采集并上送開關(guān)位置、隔刀及地刀位置、開關(guān)本體信號，提高裝置的使用范圍。

對于開關(guān)狀態(tài)及跳閘命令采用 GOOSE數(shù)據(jù)格式傳輸。為了滿足 GOOSE傳輸?shù)膶崟r性,GOOSE傳輸采用變位時立即發(fā)送，此后按照一定的存續(xù)時間進(jìn)行間隔發(fā)送，如此發(fā)送，最后采用固定時間傳送。如圖1所示。

圖1 GOOSE信息發(fā)送時序圖

2）智能終端的監(jiān)測功能

在 AIS變電站中，智能終端需就地安裝，與斷路器及隔離開關(guān)等設(shè)備距離很近，可增加智能終端的就地通信功能，配合相應(yīng)的傳感設(shè)備可監(jiān)測操作機(jī)構(gòu)分、合閘線圈工作電流及分合閘回路狀態(tài)的檢測。

線圈工作電流的波形，反映了鐵心運動狀態(tài)和機(jī)械狀態(tài)。根據(jù)電流波形的特征參數(shù)可以計算出鐵心起動時間、運動時間、線圈通電時間，從而得到鐵心運動狀態(tài)，從中發(fā)現(xiàn)是否有鐵心卡滯現(xiàn)象，以及鐵心的行程和鐵心吸力等參數(shù)的變化情況。

裝置通過采集每次操作時流過斷路器跳合閘線圈的電流和時間，并與開關(guān)出廠時已經(jīng)預(yù)置的參數(shù)進(jìn)行對比，最終得到該機(jī)械結(jié)構(gòu)在操作時電流和時間的變化百分比。

式中，I為當(dāng)前斷路器動作電流；In為開關(guān)出廠實驗記錄電流值。

式中，T為當(dāng)前開關(guān)動作時間；Tn為開關(guān)出廠實驗記錄動作時間。

根據(jù)斷路器操作機(jī)構(gòu)在動作時所需的電流和動作時間的變化可以準(zhǔn)確推斷斷路器操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械磨損情況，為斷路器操作機(jī)構(gòu)的檢修提供準(zhǔn)確的數(shù)字依據(jù)。

智能終端通過傳感器采集電機(jī)運行電流，并由此得到電機(jī)的運行時間，與正常電機(jī)運轉(zhuǎn)的電流和時間進(jìn)行對比，從而判斷是否存在電機(jī)空轉(zhuǎn)和卡轉(zhuǎn)等情況，并通過監(jiān)控上送給運行人員。典型的電機(jī)分合閘線圈的運行電流曲線如圖2所示[1]。

圖2 電機(jī)分合閘線圈的運行電流曲線

分合閘回路是否完好，是分合閘線圈順利動作的基本保證。對此監(jiān)測可預(yù)防斷路器由控制回路斷線故障而拒動。這樣可以減少“拒動”現(xiàn)象發(fā)生的幾率，有益于斷路器穩(wěn)定運行。如出現(xiàn)異常就能報警。

另外，對于斷路器、隔離接地組合開關(guān)觸頭位置狀態(tài)的監(jiān)測以及斷路器和隔離接地開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)的監(jiān)測，可以作為觸頭位置的狀態(tài)指示及相關(guān)特性分析的一個判斷依據(jù)和觸頭位置的狀態(tài)指示及相關(guān)特性分析的一個判斷依據(jù)。

1.2 智能終端的高級功能

AIS智能變電站中使用的電子式或者光學(xué)互感器的暫穩(wěn)態(tài)特性和精度都高于傳統(tǒng)電磁式互感器，因此可通過采集斷路器在電網(wǎng)中開斷不同大小的故障電流，來實現(xiàn)斷路器電壽命的折算。

影響開關(guān)電壽命的隨機(jī)因素太多, 如不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相異, 對同樣的開斷電流卻表現(xiàn)出不同的電磨損：同一產(chǎn)品在不同試驗站也有不同的試驗結(jié)果，甚至同一產(chǎn)品在同一試驗站做兩個系列的電壽命試驗也可能得到不同的結(jié)果。但是, 諸如燃弧時間、觸頭及噴嘴的結(jié)構(gòu)與材料等隨機(jī)因素對滅弧室燒蝕的影響, 從累計的角度考慮，都可加以簡化，從而可以得到一個比較可行的近似折算公式?？砂粗祦砜紤]滅弧室觸頭的電磨損比較合理[2]：

觸頭的磨損體積V與觸頭材料特性（k值）及開斷電流Is式的α次方值有關(guān)（α為1～2）。

斷路器可配置一組獨立的電子式CT線圈，智能終端通過采集器采集每次開關(guān)時拉開故障電流和開斷時間進(jìn)行累計，根據(jù)前文中監(jiān)測到的相開關(guān)的故障切除時的電流，計算每相斷路器的累加值，并根據(jù)此累加值對開關(guān)壽命進(jìn)行科學(xué)評估，顯示剩余壽命。

為了延長開關(guān)設(shè)備壽命，可通過采集器采集本間隔的電壓，開關(guān)跳閘時按電壓波形控制合閘角，按最佳滅弧時間控制跳閘，以減少操作過電壓。

開關(guān)壽命的折算需要了解各型號斷路器的特性，并需要有大量的實驗數(shù)據(jù)供分析使用，目前智能終端主要由二次廠家研發(fā)，智能終端該部分功能還未能實際應(yīng)用。需要一二次設(shè)備廠家相互交流配合，根據(jù)斷路器廠家提供開斷電流的實驗數(shù)據(jù)，同時還要結(jié)合國內(nèi)電網(wǎng)的故障率進(jìn)行分析，由于目前沒有可靠國內(nèi)電網(wǎng)的故障率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，要實現(xiàn)斷路器壽命的折算還需要進(jìn)行大量的工作，但是可根據(jù)國外的數(shù)據(jù)參考，從而進(jìn)行側(cè)面推測。

2 設(shè)備的狀態(tài)檢測

2.1 斷路器動作特征監(jiān)測

作為智能控制柜，柜內(nèi)可集成安裝斷路器動作特征監(jiān)測 IED，實現(xiàn)儲能電機(jī)電流的監(jiān)測，獲得儲能電機(jī)的工作信息；監(jiān)測合（分）閘回路的狀態(tài)，推測是否有接觸不良、斷線等情況發(fā)生，反映電磁本身和所控制的鎖閂或閥門或閥門以及連鎖觸頭在操作過程中的工作情況；動觸頭行程和速度的監(jiān)測。

2.2 SF6斷路器的微水密度監(jiān)測

SF6微水及密度監(jiān)測 IED中的傳感器單元通過高精度壓力、濕度及溫度變送器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過微處理器進(jìn)行補(bǔ)償運算及處理，通過電纜接口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到 SF6微水及密度監(jiān)測IED；SF6微水及密度監(jiān)測IED通過顯示器直接顯示被測高壓設(shè)備中 SF6氣體的溫度、壓力、密度、體積比和露點。

2.3 電流電壓互感器的監(jiān)測

監(jiān)測電流互感器、電壓互感器電氣設(shè)備的絕緣狀況，包括介損、泄漏電流、電容量、電容量變化率、相對介損等各項重要指標(biāo)。

傳感器的信號取樣采用穿心結(jié)構(gòu)的有源零磁通設(shè)計技術(shù)，選用起始導(dǎo)磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵心，采用獨特的深度負(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù)，能夠?qū)﹁F心的激磁磁勢進(jìn)行全自動補(bǔ)償，保持鐵心工作在接近理想的零磁通狀態(tài)，使其基本不受環(huán)境溫度及電磁干擾的影響，從根本上解決了末屏電流信號的精確取樣問題。

高精度的有源零磁通傳感器將泄露電流經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過微處理器進(jìn)行DFT運算及處理,通過485接口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到容性設(shè)備監(jiān)測IED。

目前使用的狀態(tài)監(jiān)測IED還是按類型設(shè)置不同IED，造成了控制柜內(nèi)設(shè)備較多，監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)也相對復(fù)雜，由于監(jiān)測傳感器提供的是RS485接口或者是小模擬量信號，因此可將上述類型的監(jiān)測裝置集成為一臺針對本間隔的集中監(jiān)測的 IED，IED采用IEC61850協(xié)議，與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信，特別是現(xiàn)在智能變電站使用一體化監(jiān)控平臺，監(jiān)測IED可將監(jiān)測數(shù)據(jù)文件在召喚時以文件服務(wù)方式傳送至站控層網(wǎng)絡(luò)，簡化系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3 智能控制柜

3.1 智能控制柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

戶外AIS變電站，由于一次設(shè)備沒有組合電氣那樣集成，就地除了需要有安裝智能終端和狀態(tài)監(jiān)測裝置的柜體外，還有提供動力電源的電源端子箱以及斷路器本身的信號端子箱，為了方便觀察運行方式還需要在控制柜上集成模擬主接線，占用了大量的控制柜空間，施工也較麻煩，集成度不高。因此可將各端子箱的功能集成，由一面智能控制柜滿足以上功能的要求，如圖3所示。

圖3 一體化控制柜實物圖

本方案除了安裝各智能組件外，還集成了交流端子箱及斷路器的信號箱，各設(shè)備間的聯(lián)系可在柜內(nèi)完成，對外通過光纖與過程層網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)一次設(shè)備的控制和信息采集，并且智能終端面板可集成本間隔的模擬主接線，如圖4所示。

圖4 智能終端面板的模擬接線

智能控制柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化節(jié)約了電纜等設(shè)備投資以及相應(yīng)的施工投資，基于一二次整合的AIS智能控制柜能夠有效地取消和簡化冗余回路，提高了整個二次回路的可靠性，大大簡化了設(shè)計和現(xiàn)場施工的工作量，同時使的變電站的整體也更加簡潔。如果和固定的一次設(shè)備廠家配合，還能將斷路器等一次設(shè)備與控制柜的接口改成航空插頭連接，使 AIS變電站控制柜也能和GIS或者PASS組合電氣一樣高度集成化。

集成化的智能控制柜在河南鄢陵220kV智能變電站中已經(jīng)應(yīng)用，柜內(nèi)安裝了智能終端、合并單元、斷路器監(jiān)測IED和斷路器的信號端子箱以及機(jī)構(gòu)的電源端子箱，采用了溫濕度控制器配合加熱器和風(fēng)扇實現(xiàn)溫濕度控制。原來變電站一次開關(guān)與二次智能終端之間的連線都已在出廠前完成。根據(jù)現(xiàn)場了解的情況，該智能柜的方案大大縮短了設(shè)計和施工的工作量，簡化了維護(hù)工作，同時也是的變電站整體效果很簡潔。

3.2 智能控制柜的溫濕度控制

AIS控制柜都在戶外安裝，且靠近高壓設(shè)備，因此抗電磁干擾的IP等級很高，一般都采用雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，同時還有二次設(shè)備在內(nèi)部安裝，因此智能控制柜內(nèi)的溫濕度無法通過自然通風(fēng)方式實現(xiàn)，需要通過其他輔助設(shè)備來完成，可利用以下方式實現(xiàn)。

1）溫濕度傳感器配合加熱器和風(fēng)扇，由于柜內(nèi)溫度由上至下梯度遞減，因此需將溫濕度傳感器安裝在柜內(nèi)上部，風(fēng)扇安裝于柜頂，高溫時啟動通風(fēng)，低溫高濕度時啟動加熱器。需根據(jù)柜內(nèi)安裝的設(shè)備和空間選用合適的風(fēng)扇及加熱器。該方案在目前智能變電站中已使用較多，成本較低。

2）選用熱交換器內(nèi)嵌在柜門上，完成柜內(nèi)外的熱交換，熱交換由高導(dǎo)熱材料做成，通過內(nèi)外風(fēng)扇實現(xiàn)導(dǎo)熱，可使柜內(nèi)外溫差控制在5～8℃，但是在夏天高溫時，由于外部溫度較高，熱交換器控制的柜內(nèi)溫度相對不是很理想。而且相對于加熱器和風(fēng)扇成本較高。

選用工業(yè)空調(diào)，和熱交換器一樣內(nèi)嵌于柜門上，可快速的實現(xiàn)柜內(nèi)的溫度控制，由于工業(yè)空調(diào)效率較高，因此會造成空調(diào)頻繁啟動，加大了變電站的負(fù)荷，也對空調(diào)的使用壽命帶來不良影響，同時空調(diào)制冷時對裝置吹冷風(fēng)，容易在裝置表面形成凝露，不利于電子設(shè)備的與行，并且空調(diào)還需經(jīng)常維護(hù)空氣濾網(wǎng)，日常維護(hù)較麻煩。目前戶外智能柜使用空調(diào)的不多，還需要根據(jù)實際需求，進(jìn)行選擇性使用。

3）在柜內(nèi)使用相變材料控制溫度，相變保溫材料是指隨溫度變化而改變形態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)，相變材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。由于不需要外接電源，而是通過物理狀態(tài)的改變實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，因此可節(jié)約大量電能。但是相變材料在調(diào)節(jié)溫度時會出現(xiàn)液態(tài)的狀態(tài)，因此在控制柜內(nèi)安裝相變材料的容器必須完全密封，否則會造成泄漏，影響設(shè)備的安全運行。相變材料在已投運的智能站中還未使用，有廠家已在進(jìn)行相關(guān)的實驗。

為了實時監(jiān)控控制柜體及柜內(nèi)的溫濕度情況，可在柜內(nèi)配置相應(yīng)的傳感器，將柜體門的狀態(tài)、柜內(nèi)的溫濕度情況、風(fēng)扇的運行狀態(tài)等通過智能終端進(jìn)行采集，上送至監(jiān)控系統(tǒng)，方便運行人員監(jiān)測控制的狀態(tài)。

4 結(jié)論

智能變電站中智能組件和控制柜雖已廣泛使用，由于一次設(shè)備廠家的技術(shù)限制，其智能化程度還是相對較低，隨著技術(shù)的發(fā)展和智能站的不斷實踐，上述智能控制柜的方案將會大大提高智能站中設(shè)備的智能化程度，并能簡化設(shè)計和施工工作，很好的體現(xiàn)了智能變電站的優(yōu)勢。

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