110 kV變電站一次設備監測系統研究與設計

王 健

(西山煤電(集團)有限責任公司 電力公司 ，山西 太原 030053)

0 引言

移動變電站一次設備主要包括電力變壓器、避雷器、高壓開關、中壓開關、監測和保護裝置等，它可以根據煤礦生產的需要，迅速替代原有的變電站，向生產提供電力供應，保證搶修或者生產的正常進行[1]。移動變電站一般設計成結構緊湊、移動靈活方便的產品，當載有移動變電站電力設備的車輛到達指定地點后，經過專業人員的組裝和調試，可以在數小時使得室內恢復可靠供電，因此，具有體積小、一次設備智能化、全站信息數字化接入電網迅速等特點[2]。在移動變電站一次設備監測系統的設計過程中，應該考慮系統結構的緊湊和移動過程中的震動性能。本文主要對移動變電站一次設備監測系統進行研究設計，介紹變壓器、斷路器監測裝置的工作原理；以太陽能發電和直流電源模塊為核心的雙電源供電系統以及通訊協議的選擇。

1 系統整體設計

智能移動變電站的一次側監控系統結構如圖1所示，包括過程層、間隔層、站控層三個層面。移動變電站的設計以全站信息化作為基本的要求，過程層包括相關監測終端和智能設備，在重要一次設備中增加了智能監控功能，對設備的運行狀態進行實時監測，可以實現一次設備測量和監控、電能計量、繼電保護等功能；在間隔層利用液晶顯示模塊實現數據可視化，利用相關按鍵進行參數的調整；間隔層和站控層之間通過以太網進行通訊，利用IEC870-5-101協議，將移動變電站的監測數據發送給相鄰變電站和地方調度部門，實現外部通訊[3]。

2 狀態監測硬件系統

2.1 通信模塊設計

為了實現過程層與間隔層之間的數據通訊，設計基于RS-485通訊協議的通訊模塊。RS-485通訊是工業生產中用于計算機和設備通訊的一種重要方式，采用差分電平傳輸數據，僅用兩根數據線(A、B)就可以完成數據通訊，當A、B之間正電平為+2 V～+6 V時，表示一個邏輯狀態“1”；當A、B之間正電平為-2 V～-6 V時，表示一個邏輯狀態“0”。相比于RS-232通訊，RS-485具有抗干擾能力強、數據線數量少的特點，硬件電路采用MAX13487芯片，可以使用3.3 V直流電源供電，實現數據的可靠傳輸。

圖1 智能移動變電站一側監控系統結構

2.2 變壓器監測

變壓器油是由許多碳氫化合物分子組成的混合物，當游離在液體中的C-H鍵或者C-C鍵被變壓器內部電、熱故障打斷之后，產生的C、H原子核自由基通過化學反應重新復合，形成低分子烴類物質。在變壓器油溶解氣體監測過程中，根據電力行業相關標準，新的或者大修后的變壓器至少在投運后的1天、4天、10天、30天各做一次監測，正常運行中設備的監測周期如表1所示。

變電站遙視系統實現的功能主要包括：①變壓器外觀狀態；②門禁監控、報警及布防；③消防系統聯動報警；④操作人員紅外監控，設備運行狀態的輔助監控。

表1 正常運行中設備的定期監測周期

變電站監控設備包括攝像機、云臺、報警設備、網絡交換機和視頻服務器等，主要完成數據采集、編碼和遠程傳輸功能[4]。報警設備由煙霧報警設備、紅外雙鑒報警器、門磁開關、紅外對射探測器組成。為了方便查看變電站內的圖像，在攝像機下方配置解碼器，視頻服務器的控制信號通過RS-485總線發送給云臺解碼器，通過控制云臺電機控制攝像機的上、下、左、右運動和聚焦。視頻服務器與變電站交換機之間通過RJ-45以太網口連接，前端攝像機采集的圖像信息和門禁布防信號通過視頻服務器編碼、打包，發送給變電站交換機。

在圖像內容存儲過程中，為了降低視頻存儲占用的空間，采用國際標準化組織提出的H.264視頻壓縮格式對視頻進行編碼，這種視頻格式具有圖像清晰、容錯能力強等優點，最高傳輸圖像質量為30幀/s。

2.3 斷路器監測

斷路器是供電系統中最容易發生故障的電器，斷路器的維護、監測對于變電站一次設備的穩定運行至關重要。在變電站中廣泛使用GIS斷路器，利用SF6氣體的絕緣性抑制開關在開合過程中產生電弧，當SF6氣體泄漏或者氣體封閉空間中進入水汽時，氣體的絕緣性能和滅弧性能顯著下降，因此，斷路器SF6氣體的主要監測內容包括SF6氣體是否泄漏、SF6氣體的微水含量。在本系統中，利用露點法對SF6氣體的含水量進行測量。

3 供電電源設計

為了提升移動變電站的供電可靠性，在本系統中，設計兩路電源為變電站站內設備供電。第一路為UPS電源，為其配置超級電容器，在移動變電站不使用期間，利用220 V交流電為超級電容器充電，當需要使用時，UPS通過逆變器向站用負荷供電，實現站用負荷的不間斷供電；另一路為變電站頂端太陽能電池板，太陽能發電儲存在鉛酸電池中，之后經過逆變器轉換為220 V的交流電，供電給站用重要負荷(空調系統除外)使用。

交流整流電路主要包括抗干擾電路、整流電路、DC/DC轉換電路和整流濾波電路。交流電源為站用配電變壓器或者市電，輸出電流最大為5 A。

3.1 太陽能電池板選型

太陽能電池板型號選擇凱西德100W-1型，產品功率為100 W±3%；工作電壓為18.5 V±3%,工作電流為5 A±3%,具有較高的發電效率。電池安裝位置為集裝箱頂端，選用18塊凱西德100W-1型電池板，接線方式為9串2并，最大輸出功率為1 800 W，可以滿足站用關鍵設備的短時間用電。

3.2 直流電源模塊

太陽能電池板發出的電能是直流電，不能直接向站用設備供電。需要通過電能儲存與逆變，逆變器選型為FT-2000 W，整機效率高達90%，工作環境溫度范圍為-20 ℃～75 ℃，具有過載、短路、市電高低壓保護的功能。具有一個RS-485通訊接口，通過該接口實現不同工作模式的遠程切換。

4 系統軟件設計

該系統可用于電力系統通訊的協議包括：IEC870-5-101通訊協議、Modbus通訊協議和CDT通訊協議等[5-6]。

CDT通訊協議是電力系統中最早使用的一種通訊協議，最多可以傳輸512個遙信信號，在需要大量信息傳輸的變電站，通過模塊擴展的方式增加信號的傳輸量，增加了CPU的工作量。Modbus通訊協議采用問答方式進行通訊，問答過程中不斷對累存器進行讀取，可以進行大量信息的傳輸，由于其沒有事件順序記錄的功能，因此，當電力系統發生故障時，無法通過事件發生時間對故障進行分析。IEC870-5-101通訊協議中，主站既可以通過查詢RTU狀態對RTU進行控制，也可以被動地接收RTU的狀態信息，當電力系統產生突變信息時，RTU中產生變化的標志，并及時將變化信息發送給主站，因此，具有較高的上報速度，可以作為本系統的通訊協議。

5 總結

本文主要圍繞變電站一次設備的工作特性，設計了一次設備監測系統。利用RS-485通訊模塊實現過程層與間隔層之間的數據通信，設計變壓器遙視系統，利用露點法對斷路器狀態進行監測。設計兩路電源為變電站站內設備供電，保證了供電的可靠性，選擇IEC870-5-101作為主站和變電站信息采集設備之間的通訊協議。