一種變電站用智能化檢修調(diào)試平臺(tái)的研制

陳昊，王抗，張海華 ，周永榮

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 檢修分公司，江蘇 南京 211102； 2. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，變電站電氣設(shè)備工作的可靠性對(duì)保證整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行愈加重要，稍有不慎便會(huì)引發(fā)諸如印度大停電、巴西大停電的嚴(yán)重事故[1-2]。因此，需要按一定周期對(duì)變電站電氣設(shè)備，例如一次設(shè)備、二次保護(hù)裝置等進(jìn)行檢修和調(diào)試[3-4]。變電站檢修調(diào)試工作的質(zhì)量和效率直接決定著電網(wǎng)供電的可靠性。近年來，隨著變電站智能運(yùn)檢技術(shù)的興起和新型精密儀器的頻繁使用，檢修和調(diào)試工作相關(guān)的裝備也在不斷更新?lián)Q代[5-7]，但仍存在以下3個(gè)方面的問題：

1) 變電站內(nèi)建筑、設(shè)備密集[8]，作業(yè)空間狹窄，需要攜帶精密儀器轉(zhuǎn)移工作面，跨越坡度最高可達(dá)60°?，F(xiàn)有智能運(yùn)檢裝備運(yùn)輸主要針對(duì)常規(guī)平穩(wěn)路況，平穩(wěn)性控制能力有限，不具備在復(fù)雜地形中自動(dòng)控制傾斜角、實(shí)現(xiàn)精密儀器平穩(wěn)越障的能力，占用了大量停電檢修時(shí)間；

2) 變電站電氣環(huán)境復(fù)雜[9]，多項(xiàng)停電檢修、調(diào)試工作同時(shí)進(jìn)行時(shí)，停電、帶電區(qū)域相互交錯(cuò)，現(xiàn)有智能運(yùn)檢裝備的安全措施手段主要依靠布置實(shí)體圍欄，不具備主動(dòng)隔離帶電區(qū)域的功能，作業(yè)人員易誤入帶電區(qū)域，存在安全隱患，2018年變電站內(nèi)因誤入帶電間隔發(fā)生的人員傷亡案例多達(dá)40起；

3) 變電站設(shè)備、試驗(yàn)儀器存在電源需求多樣化的特征，現(xiàn)有智能運(yùn)檢裝備不具備自適應(yīng)電源供電能力。此外，裝備輸出電源的電能質(zhì)量不能滿足精密儀器工作要求，導(dǎo)致復(fù)雜故障模擬困難，甚至試驗(yàn)結(jié)果可能出現(xiàn)偏差，造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。

在此背景下，需要研制一種變電站用智能化檢修調(diào)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、電氣試驗(yàn)儀器平穩(wěn)越障，帶電區(qū)域安全感知以及平臺(tái)智能供電，提升檢修調(diào)試工作效率和安全性。

1 總體研究思路

本項(xiàng)目從一次設(shè)備檢修、繼電保護(hù)裝置調(diào)試的現(xiàn)場(chǎng)工作需求出發(fā)，對(duì)精密儀器平穩(wěn)越障技術(shù)、帶電區(qū)域安全感知技術(shù)和平臺(tái)智能供電技術(shù)3個(gè)方面分別展開研究，總體工作思路見圖1。

圖1 總體研究思路

2 精密儀器平穩(wěn)越障技術(shù)

2.1 傾角量獲取

本文提出了實(shí)時(shí)傾角量反饋控制方法，利用裝置內(nèi)置陀螺儀，使裝置每次進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，置初始傾角基準(zhǔn)值，此后，按50次/s的速率采集載重面與水平面的絕對(duì)傾角βi.k(i∈N,k=1,2,3,4,5)，每5次傾角平均值計(jì)算出控制用絕對(duì)傾角αi：

(1)

易見，αi每秒更新10次，進(jìn)一步引入調(diào)節(jié)速率理想值rj(j=1,2)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)αi的調(diào)節(jié)速度。此外，為減小累計(jì)誤差的影響，如裝置在連續(xù)運(yùn)動(dòng)，每1min重置傾角基準(zhǔn)值；如裝置經(jīng)歷了停止?fàn)顟B(tài)，則每次重新進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，重置傾角基準(zhǔn)值。

2.2 動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)與控制策略

平臺(tái)的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)

當(dāng)陀螺儀檢測(cè)到αi，控制步進(jìn)電機(jī)增速或減速運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)鎖桿壓緊復(fù)位彈簧，拉緊或放松剎車線，調(diào)節(jié)阻尼，實(shí)現(xiàn)載重面傾角控制。當(dāng)αi接近0°時(shí),即滿足αi∈[-ε,ε]時(shí)，步進(jìn)電機(jī)處于鎖止?fàn)顟B(tài)，ε為鎖止靈敏角，推薦值為2°。

所提出的實(shí)時(shí)傾角量反饋控制方法包括門限控制和柔性控制兩種實(shí)用化控制策略，通過內(nèi)部控制字來進(jìn)行選擇。

門限控制策略：當(dāng)陀螺儀檢測(cè)到αi超過[-5°, 5°]時(shí)，增加阻尼，以r1速率調(diào)節(jié)；當(dāng)αi拉回[-5°, 5°]以內(nèi)且電機(jī)不處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，微調(diào)阻尼，以r2速率調(diào)節(jié)。

根據(jù)門限控制策略，i時(shí)刻的調(diào)節(jié)速率為：

(2)

其中r1>>r2。

柔性控制策略：當(dāng)陀螺儀檢測(cè)到αi超過[-5°, 5°]時(shí)，增加阻尼，基于機(jī)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(式(3))過渡到以r1速率調(diào)節(jié)；當(dāng)αi拉回[-5°, 5°]以內(nèi)且電機(jī)不處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，微調(diào)阻尼。柔性控制引入了機(jī)制轉(zhuǎn)換函數(shù)，如圖3所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。

圖3 機(jī)制轉(zhuǎn)換函數(shù)

機(jī)制轉(zhuǎn)換函數(shù)表達(dá)式如式(3)所示。

(3)

根據(jù)柔性控制策略，基于機(jī)制轉(zhuǎn)換函數(shù),i時(shí)刻的調(diào)節(jié)速率如式(4)所示：

(4)

其中：閾值Δ建議值為5°；轉(zhuǎn)換速度參數(shù)γ的建議值為500。

門限控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕對(duì)傾角的動(dòng)態(tài)控制，其優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)時(shí)間短(1s以內(nèi)完成)，調(diào)整精度亦滿意。柔性控制策略的優(yōu)勢(shì)在于調(diào)整更為精準(zhǔn)，調(diào)節(jié)過程更為柔和，超調(diào)幅度小，能保證載重面傾斜度能以適宜的速度調(diào)整至5°以內(nèi)。兩種策略根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要選擇。兩種策略均能有效提高繼電保護(hù)測(cè)試儀、電氣試驗(yàn)儀器轉(zhuǎn)移工作面時(shí)的運(yùn)輸安全性和工作效率。

3 帶電區(qū)域感知技術(shù)

智能變電站內(nèi)電氣環(huán)境復(fù)雜，室外一次設(shè)備檢修、室內(nèi)保護(hù)裝置調(diào)試時(shí)都要進(jìn)行帶電區(qū)域隔離，根據(jù)戶外設(shè)備場(chǎng)、保護(hù)室的不同特點(diǎn)采取了差異化的隔離方式。

3.1 二次保護(hù)室內(nèi)的帶電區(qū)域感知

本文提出一種雙區(qū)域半徑安全距離控制方法，基于布置于停電工作區(qū)域周圍的收發(fā)一體可移動(dòng)超聲傳感器組，通過感知超聲波返回時(shí)間計(jì)算平臺(tái)與帶電區(qū)域的距離，建立一種雙區(qū)域半徑控制機(jī)制：達(dá)到低閾值T1時(shí)聲光報(bào)警；達(dá)到高閾值T2時(shí)閉鎖平臺(tái)同時(shí)強(qiáng)制斷開動(dòng)力電源。通過告警信號(hào)控制字QL和告警回路壓板LP1實(shí)現(xiàn)不同告警方式的選擇。

通過對(duì)平臺(tái)實(shí)時(shí)空間定位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶電區(qū)域的主動(dòng)隔離，確保繼電保護(hù)調(diào)試工作中平臺(tái)不會(huì)誤入帶電的運(yùn)行屏位，如圖4所示。

圖4 調(diào)試工作中的帶電區(qū)域隔離

3.2 戶外設(shè)備場(chǎng)的帶電區(qū)域感知

戶外設(shè)備場(chǎng)內(nèi)帶電體多，空間復(fù)雜程度遠(yuǎn)在保護(hù)室之上。當(dāng)平臺(tái)在戶外設(shè)備場(chǎng)的一次設(shè)備檢修工作中使用時(shí)，除了應(yīng)用上述雙區(qū)域半徑安全距離控制方法之外，同時(shí)開啟電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量功能，進(jìn)一步強(qiáng)化帶電區(qū)域感知能力?；谖㈦娏鞲兄牡皖l電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量技術(shù)，通過對(duì)電場(chǎng)測(cè)量模塊中U型銅質(zhì)導(dǎo)體微電流的感知，獲取測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶電設(shè)備距離的準(zhǔn)確測(cè)量，并基于預(yù)置的安全距離告警值，在平臺(tái)逼近安全距離時(shí)，平臺(tái)會(huì)給出告警信號(hào)。緊急情況下直接閉鎖平臺(tái)同時(shí)強(qiáng)制斷開動(dòng)力電源，確保在一次設(shè)備檢修工作中實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓帶電區(qū)域的主動(dòng)隔離，如圖5所示。

圖5 檢修工作中的帶電區(qū)域隔離

4 智能供電技術(shù)

變電站設(shè)備、試驗(yàn)儀器的電源需求越來越具有多樣化的特征[10]。電氣試驗(yàn)工作的主要場(chǎng)地，戶外設(shè)備場(chǎng)的檢修電源箱經(jīng)常在電壓等級(jí)、電能質(zhì)量上不能滿足精密儀器的要求。繼電保護(hù)工作的主要場(chǎng)地(如繼電保護(hù)室)，經(jīng)常不能提供合適的電源，限制了精密試驗(yàn)儀器基本功能的使用。針對(duì)此問題，基于DC-DC/DC-AC并聯(lián)供電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種多端柔性輸出供電電路，如圖6所示。電路中Boost載波模塊輸出平臺(tái)自身使用的低壓/中壓直流電、逆變?yōu)V波模塊輸出外接試驗(yàn)儀器使用的高壓交流電，通過電力電子為精密儀器提供高電能質(zhì)量電源；功率調(diào)節(jié)模塊并聯(lián)有一定數(shù)量的功率管，通過調(diào)節(jié)并聯(lián)功率管數(shù)量實(shí)現(xiàn)儀器用電的功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)與高電能質(zhì)量電源輸出。

圖6 多端柔性輸出電路

以繼電保護(hù)工作為例，基于多端柔性輸出電路，可以提供多組交流、直流量輸出。電源方便切換，不僅可以為精密試驗(yàn)儀器提供電源，還可以增強(qiáng)試驗(yàn)儀器模擬復(fù)雜工況下的電壓、電流多次變化、開入量翻轉(zhuǎn)過程的能力，提升了繼電保護(hù)裝置的復(fù)雜網(wǎng)故障模擬能力。以500kV線路保護(hù)裝置為例，可模擬15種新增故障類型[11]，如線路故障跳閘后零序電流、同塔雙回線轉(zhuǎn)換故障等，提升了繼電保護(hù)工作質(zhì)量。

特別一提的是，本平臺(tái)解決的供電問題不僅出現(xiàn)在常規(guī)運(yùn)維檢修工作中，在設(shè)備投運(yùn)驗(yàn)收工作等電源問題更為凸顯的場(chǎng)景中，智能供電技術(shù)的效用將更為彰顯。

5 智能化檢修調(diào)試平臺(tái)的應(yīng)用

本文研制的變電站檢修調(diào)試平臺(tái)已在江蘇電網(wǎng)多座220kV、500kV、1 000kV變電站一次設(shè)備電氣試驗(yàn)、二次保護(hù)裝置調(diào)試工作中獲得現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1) 平穩(wěn)越障技術(shù)應(yīng)用效果：平臺(tái)實(shí)測(cè)最大載重達(dá)100kg，能實(shí)現(xiàn)常規(guī)樓梯攀爬、變電站跨電壓等級(jí)陡坡越障、變電站二層架構(gòu)窄梯攀爬與狹小平臺(tái)轉(zhuǎn)彎。以應(yīng)用門限控制策略為例，繼電保護(hù)測(cè)試儀、電氣試驗(yàn)儀器等精密儀器轉(zhuǎn)移工作面時(shí)運(yùn)輸時(shí)間平均減少35%；

2) 帶電區(qū)域感知技術(shù)應(yīng)用效果：應(yīng)用本成果以來，未發(fā)生一起一次設(shè)備檢修工作人員誤入帶電間隔事故以及保護(hù)調(diào)試工作人員誤入運(yùn)行繼電保護(hù)屏柜的事故；

3) 平臺(tái)智能用電應(yīng)用效果：裝置實(shí)現(xiàn)了3種直流量、3種交流量的同時(shí)輸出，電能質(zhì)量大幅超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，提升了保護(hù)調(diào)試工作故障模擬能力，可以模擬15種新型復(fù)雜工況故障，提升了繼電保護(hù)調(diào)試工作質(zhì)量；產(chǎn)品投入使用后，未發(fā)生一起定值校驗(yàn)不準(zhǔn)確、故障類型模擬不足導(dǎo)致的繼電保護(hù)事故。

6 結(jié)語

變電站智能化檢修調(diào)試平臺(tái)的應(yīng)用能夠保證精密試驗(yàn)儀器在變電站內(nèi)平穩(wěn)越障，平臺(tái)具備帶電區(qū)域感知、智能供電的功能。工程應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了平臺(tái)的有效性，顯著提升了變電站電氣試驗(yàn)、繼電保護(hù)工作效率，進(jìn)一步提升了工作的安全性?；诒酒脚_(tái)的核心技術(shù)可以進(jìn)一步改進(jìn)、轉(zhuǎn)化應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如精密儀器、優(yōu)質(zhì)電源、工業(yè)生產(chǎn)、生活日用、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，滿足這些領(lǐng)域人員和物品平穩(wěn)轉(zhuǎn)移、精密儀器安全運(yùn)輸及設(shè)備多元用電需求。