淺析箱式變電站智能管家設計方法

步長存

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251100）

箱式變電站（簡稱箱變）長期工作在高電壓、大電流、強磁場環境中，其電氣部件易出現電氣或機械方面的故障，故障的發生將直接影響電網的安全及效益。其故障主要分為漸發性和突發性兩種，突發性故障無法通過監控進行預測，而漸發性故障是有規律可循的。絕緣老化、元件腐蝕、設備運行溫度過高、環境條件惡劣是引發漸發性故障的主要原因，在所有故障中占有很高的比例。因此對箱變的工作狀態及溫度、濕度等環境參數進行實時監測具有重要意義。

箱式變電站起源于20 世紀60 年代的歐美，最初的歐式箱變是將高壓柜、變壓器、低壓柜通過一定結構組裝到一個箱體內，不具備電力計量、無功補償及運行狀態監測的功能。20 世紀80 年代起，隨著配電網絡的發展和傳感技術、微電子技術、通信技術的應用，箱式變電站在運行狀態檢測方面進入了快車道，在歐美的帶動下，各國開始對智能箱式變電站進行研究。90 年代中期，箱變經歷了引進、推廣和改進三個階段，并陸續生產出符合我國應用條件的箱式變電站，具備了無功補償，電力計量及運行狀態監測等功能。箱式變電站智能化成為當前的發展趨勢。

本文針對箱式變電站智能化過程中抗干擾、測量精度和布線等問題，設計了一種基于無線通信技術的箱式變電站智能管家系統，可檢測箱式變電站運行狀態及內部的環境參數，并通過變電站內部信息的無線傳輸和遠程無線通信，實現箱式變電站狀態的遠程智能監控。論文的設計為箱式變電站智能化提供了解決方案，對電網智能化起到了豐富和促進作用。

1 整體系統方案

箱式變電站包含高壓配電、變壓器配電、低壓配電三部分，它們的空間排布分為“目字形”或“品字形”兩種，如圖1 所示。“品字形”優勢在于結構緊湊，便于安裝，“目字形”優勢在于接線方便。

高壓室有高壓開關設備、熔斷器、鎧裝母線、套管、避雷器、無功補償裝置、控制或測量裝置及保護裝置等高壓配電裝置，有10KV 以上高壓，是強電部分。變壓器室有油位表、油溫顯示表和真空氣壓表、風機等。低壓室有配備進線柜、出線柜、電容柜等低壓配電裝置。

根據箱式變電站內部配置及工作需要，本文的智能管家系統采用模塊化思想進行設計，如圖2 所示，系統有傳感器、無線傳輸、智能終端三個模塊。傳感器模塊安裝在箱式變電站箱體內部，完成對各部件和設備運行參數（電流、電壓、溫度、濕度等）的采集；無線傳輸模塊將傳感器采集到的數據進行簡單的處理之后無線傳輸到監控終端模塊，監控終端對數據進行加工、處理后顯示在可視化的檢測界面，可隨時隨地監視箱式變電站的運行情況。采集到的數據可用于故障診斷和預測報警。

圖1 箱式變電站布局示意圖

圖2 系統結構示意圖

如圖3 所示，系統可分為三層結構：現場層、通訊層和站控層。監控中心可以是PC、手機、Pad 等智能終端，它通過移動數據網收集現場運行參數。現場層有分布在三個腔室中的傳感器檢測運行參數和環境參數，并通過無線通訊方式進行數據交互。

2 系統組成部分設計

智能箱式變電站管家系統可以隨時將箱變的運行情況（如電壓、電流、開關位置、功率、箱體內環境等參數）通過無線方式發送給遠方的監控中心，系統硬件組成如圖4 所示。

箱變內部安裝電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等來采集監測系統所需數據。電壓和電流傳感器用于采集各電力部件的電壓、電流，監測到的實時參數可以判斷箱變內主要電力設備是否正常運行、電能質量是否達到指標。溫度和濕度傳感器采集各部件以及箱體內部溫度、濕度，煙霧傳感器采集箱體內部的煙霧狀態。采集到的數據可通過與正常運行條件下數據的比對，進行隱患排查，可有效避免故障的發生。

各傳感器的分布和檢測要點如下：在高壓室，開關量狀態是高壓室監控的重點，主要監控對象有高壓斷路器、高壓負荷開關、各繼電保護裝置和母線風機開關，同時需要檢測繞組和母線的溫度及其他環境參數；在變壓器室，主要設備是降壓變壓器，主要監測室內溫、濕度和風機開關狀態，通過室內溫度和繞組線包溫度可判斷是否發生繞組短路和過載，風機是變壓器進行散熱的主要方式，需要實時檢測以確保其正常工作；在低壓室，主要監測進線回路電參量，如三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率等；監測的開關量主要有低壓斷路器、熔斷器、無功補償投切開關的開關狀態。

圖3 系統總體方案

圖4 系統硬件結構框圖

各腔室檢測到的數據通過無線的方式與協調器節點進行數據交互，再通過網關處理器以移動無線方式與遠程終端進行通信。之所以不用有線方式是因為其傳輸的局限性太大，特殊環境（如山地、湖泊、林區等）對布線有著極強的制約力，而無線傳輸方式幾乎不受地理環境限制，更靈活適用。

智能終端模塊將無線傳輸模塊傳送的數據進行轉換、計算以及處理后將各種參數發送到可視化的顯示界面，便于監視觀察及其他應用。

3 結語

作為智能化電網的重要組成，箱式變電站的智能化受到了越來越多的關注，傳感器、通信和物聯網等技術的發展為箱式變電站的智能化提供了有力的技術支撐。本文給出了一種基于無線通信技術、具有多變量檢測能力的箱式變電站智能管家系統。系統根據箱變三個腔室的功能和需求，通過電壓、電流、溫度、濕度、煙霧等傳感器來采集監測系統所需數據，通過無線方式實現內部數據匯總和外部的數據傳輸。在授權的智能終端上，可實時查看箱變的運行狀態和環境參數，基于相關數據可進行預測、預報和預警。此管家系統可以替代日常的人工巡檢，實現箱變的無人值守。