油田電網典型變電所智能化改造技術研究

張慶霞 楊超 王同強

1中國石油集團電能有限公司供電公司

2新疆石油工程建設監理有限責任公司

3大慶油田設計院有限公司

自2010 年以來，電網行業發展逐步進入智能時代，依托于雙向高速通信網絡，基于先進的智能設備、傳感測量技術及控制方法，實現了電網的安全可靠、經濟高效的運行，國家電力已步入智慧化發展階段。為進一步踐行大慶油田“當好標桿旗幟，建設百年油田”和保障我國油氣安全穩定供應的責任使命[1]，結合油田電網實際，研究建設典型智能化變電所示范工程，最終將變電所從傳統的管理模式[2]，向“設備狀況一目了然、風險管控一線貫穿、生產操作一鍵可達、決策指揮一體作戰”的模式轉變。以站端設備層的智能化實用技術應用為基礎，構建典型智能化變電所。

1 需求目標

以實現變電所一鍵順控為目標，進行具備“五遙”功能的變電綜合自動化、電動刀閘和智能開關柜改造；以實現智能巡檢為目標，進行在線監測技術和遠程沉浸式巡檢技術應用；以實現變電所智能聯動為目標[3]，建立變電所在線輔控物聯系統平臺。

2 一鍵順控技術

2.1 系統建設

變電站一鍵順控綜合應用自動控制技術、物聯網技術、圖像智能分析技術，將繁瑣、重復、易漏、易誤的傳統人工單步操作轉變成計算機自動化批量操作，可大量縮短操作時間，提高操作效率，降低誤操作、漏操作風險，是變電運維技術的一項重大創新[4]。

如圖1 所示，考慮變電站升級改造，提出增加獨立順控主機的方案[5]，即在保留原有監控系統的基礎上，通過增加順控主機實現站端和遠端的順控操作。除了必要的順控主機、智能防誤主機和測控裝置外，還可配置正向隔離裝置、遠動網關機、位置傳感器、智能地線、空開控制裝置、壓板狀態采集裝置等設備。

圖1 一鍵順控技術原理Fig.1 Principle of one-key sequence control technology

（1）開發一鍵順控功能模塊。在現有后臺監控系統平臺上增加一鍵順控功能子系統，其功能包括一鍵順控操作票預制、任務生成、模擬預演、指令執行、防誤校核、操作記錄、上送執行結果、手動/自動暫停等功能。將滿足《變電運行規程》和《油田電網作業操作票、工作票實施規程》的變電所典型操作票錄入順控子系統，形成典型操作任務。通過SCADA 功能子系統獲取變電所實時遙信、遙測數據，下發控制指令。變電站一鍵順控功能結構見圖2。

圖2 變電站一鍵順控功能結構Fig.2 One-key sequence control function structure of the substation

（2）智能防誤子系統。從監控主機獲取全站設備狀態，參與一鍵順控操作過程中模擬預演及指令執行兩個環節的防誤校核功能[6]，約束遙控、現場操作行為，避免誤操作的風險。

（3）一鍵順控流程。一鍵順控操作指令由順控子系統發起順控操作指令，在一次接線圖上選擇相應設備，生成一鍵順控操作票，并通過網絡將一鍵順控操作票指令傳遞至防誤主機。經防誤校驗完成后，根據操作票內容，系統順序遙控變電站端待操作設備，根據實時返回的設備狀態完成對設備的一鍵順控操作指令。一鍵順控主機與智能防誤主機交互流程見圖3。

圖3 一鍵順控主機與智能防誤主機交互流程Fig.3 Interaction process between the one-key sequence control host and the intelligent error prevention host

2.2 設備層智能化改造

2.2.1 一次設備升級

（1）雙確認技術應用。根據國家電網有限公司《變電站一鍵順控改造技術規范》（試行）要求，設備遠方操作時，至少應有兩個非同源指示發生對應變化，且所有這些指示均已發生對應變化，才能確認該設備已操作到位。目前，刀閘遙控采用姿態傳感器、微動開關和視頻三種雙確認方式，立足油田電網實際情況，變電所110、35 kV 刀閘建議采用微動開關或姿態傳感器確認方式，高壓開關柜采用視頻傳感技術確認方式。

微動開關傳感器安裝在隔離開關機構箱內傳動機構的運動部分和固定部位之間，當傳動機構運動部分到位后，作用于動作簧片上，快速接通動、靜觸點并上傳位置信號。微動開關位置信號通過硬節點輸出，直接接入測控裝置（智能終端）。傳感器配置原則建議在隔離開關機構箱內傳動機構的分閘、合閘位置各安裝一個微動開關，無需配置信號接收裝置。

姿態傳感器是應用陀螺儀原理，安裝在隔離開關運動拐臂，隨機構動作測量隔離開關分合旋轉角度及距離來判斷隔離開關是否操作到位。姿態傳感器采用微電池供電，需配置信號接收裝置，通過射頻通信、CRC 校驗等技術，將采集到的角度變化傳輸到信號接收裝置，該裝置輸出位置狀態硬節點信號，接入測控裝置（智能終端）。傳感器配置原則建議在隔離開關每相應安裝l 只傳感器，每2 個間隔配置1 臺信號接收裝置。

雙確認視頻傳感系統應用封閉式高壓開關柜，是通過視頻傳感技術識別、分析獲得小車工作、試驗位置，同時與小車原有位置遙信量作雙重判據，發送至順控主機。當一鍵順控啟動時，允許視頻監控系統通過每臺唯一IP 地址直接登錄獲取視頻，視頻監控斷路器及一次觸頭所處位置。該系統包含一個雙確認圖像處理主機，安裝于高壓開關柜最上層的儀表室，依據來自雙確認測量攝像機的視頻判斷小車到位情況，并將小車實時位置和到位情況發送智慧視覺識別系統；一個雙確認測量攝像機，安裝于小車（斷路器）室，用于分析處理小車移動位移及位置判斷；一個隔離斷口監控攝像機，安裝于小車室，用于實時傳輸斷路器的監控情況。

（2）電動刀閘改造。將變電所GW5 型刀閘改造成具有電動機構的GW4 型刀閘，同步完成隔離開關雙確認改造工作。完成電動刀閘改造后，將其信號通過測控裝置接入監控系統。

（3）高壓開關柜智能化改造。對現有KYN28柜型進行電動化、視頻雙確認改造。

2.2.2 二次設備改造

對變電所綜合自動化設備進行升級改造，涉及一鍵順控操作條件判斷的二次空氣開關和二次壓板，應具備實時狀態信息上傳功能，可考慮應用電動壓板和電動空開，實現硬壓板、空開的遙控操作與狀態雙確認檢測，以能夠達成一次、二次設備“一鍵順控全覆蓋”，真正實現操作的無人化與全自動化。

3 智能巡檢技術

3.1 沉浸式視頻巡檢技術

以實現對作業現場的全過程安全監督和遠程視頻巡檢功能為目的，通過在室內外布控吊軌式移動攝像頭搭配紅外測溫攝像頭、固定卡片機攝像頭建立沉浸式視頻巡檢系統，實現變電所內環境、設備、人員的全覆蓋監控，支持人員行為、環境狀態和設備狀態的分析，通過識別視頻中的對象屬性，建立變電所三維模型站，并與全站視頻信息進行融合，實現在三維模型中遠程實時查看變電所真實場景，實現變電所遠程沉浸式VR 智能巡檢。

戶外110 kV、主變、35 kV 設備區，在現有安防視頻基礎上，同時采用具備雙光（紅外、可見光）攝像頭的戶外輪式機器人，實現戶外設備區的視頻全覆蓋，并通過機器人采集SF6 表指針讀數、開關狀態、設備溫度、設備的外觀、主變的油位等巡檢信息。在戶內6（10）kV 高壓室建設吊軌式移動攝像頭，實時監控開關狀態、盤面保護信息、高壓室溫濕度、設備外觀等巡檢信息。在戶內主控室建設吊軌式移動攝像頭，實時監測查看變電所保護設備的交流采樣值、保護動作事件、異常報文、壓板投退狀態等。

3.2 變電所在線監測技術應用

在線監測能夠及時反映設備運行狀態[7]，采用開關柜測溫、套管在線監測、局部放電檢測、變壓器油色譜分析、SF6 微水和泄漏、避雷器動作次數和泄漏電流、直流蓄電池等在線監測技術，建立變電設備運行狀態和故障征兆的巡檢客戶端，能夠對運行中設備故障、壽命逐步開展分析、判斷、決策研究，從而達到狀態監測與診斷，建立預測性維修體制的目的。

（1）實時溫度監測系統。無線測溫系統由無線溫度模塊、中繼器、測溫通信終端等元件組成，實現對設備一次接點溫度的在線監測功能。適用于戶內外環境以及各種高壓設備，與后臺兼容性較高。在高壓開關柜內采用無線測溫模塊方式，對開關柜內的動觸頭和母線連接處的運行溫度進行實時監測，分別監測開關三相上、下觸頭和電纜頭的溫度；戶外開關場可采用紅外測溫攝像頭或無線測溫方式，全面監測110 kV 開關場、主變開關場、35 kV開關場各設備接點的溫度，并將結果實時傳輸到測溫監測裝置，實現溫度異常報文告警。

（2）SF6 氣體微水及密度在線監測。在SF6 斷路器、GIS 氣室補氣口或預留檢測接口上安裝壓力、溫度、濕度傳感器，連續、實時或周期性采集SF6 氣體的壓力、溫度、濕度等信息，并通過不同氣室報警閾值設置，分析斷路器氣體情況。

（3）變壓器油色譜在線監測。變壓器色譜在線監測系統可定量、自動、快速地在線監測油浸式電力高壓設備的油中溶解氣體含量，通過故障診斷專家系統及時獲取設備故障隱患信息。系統工作時，將變壓器油采集到油樣采集單元中，通過油泵進行油樣循環，采用中空纖維萃取式油氣分離技術，油氣分離單元快速分離油中溶解氣體至氣室，內置的微型氣體采樣泵把分離出來的氣樣輸送到六通閥的定量管內并自動進樣；在載氣推動下，樣氣經過色譜柱分離，順序進入氣體檢測器；數據采集單元完成A/D 數據的轉換和采集，嵌入式處理單元對采集到的數據進行存儲、計算和分析，并通過以太網接口將數據上傳至數據處理服務器，最后由狀態監測系統軟件進行數據處理和故障分析[8]。

（4）避雷器在線監測。采用無源無線雷擊泄漏電流傳感器技術，從泄漏電流取得能量作為傳感器的工作電源（大于30 μA），對避雷器的泄漏電流和動作次數進行實時監測。根據變電所設備實際情況，隨著電動刀閘和綜合自動化設備改造，同步推進避雷器在線監測技術應用。

3.3 在線輔控物聯系統

3.3.1 系統搭建

建立變電所在線輔控物聯系統平臺[9]，通過信息網絡，將視頻巡檢、安防、消防、高壓室環境監測、照明系統遠程控制、電力設備在線監測等集成為一個系統平臺，基于視頻監控、熱成像、室內外機器人等智能終端設備，搭建多場景智能巡檢控制體系。實現對變電所環境信息監測、安全防范、火災報警、動力照明控制、設備巡檢等功能的高度集成和智能聯動（圖4）。

圖4 變電所在線輔控物聯系統結構Fig.4 Structure of the online auxiliary control IoT system of the substation

3.3.2 智能聯動

應用先進的自動控制技術、智能傳感、物聯網、自動識別和智能判斷技術，通過軟件預制等方式，實現主輔設備之間聯動和輔控子系統之間的聯動，聯動內容支持人工配置。

主輔設備間聯動包括：①支持主設備操作聯動展示功能，應根據操作命令支持對應視頻預覽、錄像等功能；②支持主設備運行狀態聯動展示功能，主設備監控系統設備投切，保護動作，開關、刀閘變位等狀態變化信息應聯動展示對應實時視頻；③支持主設備監控系統異常告警聯動展示功能，主設備接地短路、突發事故等異常告警信號，應聯動對應視頻預置位，召喚在線監測數據等功能。

輔控子系統之間的聯動包括：①安全防范系統入侵報警聯動：打開報警防區的燈光照明；聯動防區視頻預置位，彈出現場視頻監控預覽窗口，開啟錄像。②消防系統火災報警聯動：支持門禁緊急開門，聯動開啟現場燈光照明，啟動現場聲光報警；聯動報警區域視頻預置位，彈出現場視頻監控預覽窗口；支持現場空調、風機的開啟/關閉聯動。③環境監測越限告警聯動：主控室和高壓室內溫濕度數據越限告警，SF6 濃度越限告警，支持空調、排風機啟動，聯動現場視頻監控預覽窗口。④支持主設備遙控預置信號、變位信號、告警信號聯動視頻功能。

4 結語

經過電網智能化改造后[10]，將無人值班變電所的倒閘操作權限上移至集控中心，可有效提高倒閘操作、事故處理的準確性和時效性；徹底實現人與設備的完全隔離，可靠保證操作人員的人身安全，真正達到本質安全。

在目前運維管理模式下，一座110 kV 變電所半段停電檢修操作，運行人員提前一天用時2 h 編寫滿足調度預令需求的倒閘操作票，操作當天，從驅車前往被控站、現場模擬預演、進行全所半段200 余項的停電操作完成要3 h，由此可見，從前期準備到完成半段由運行轉冷備用操作需要5 h 左右。而實現一鍵順控技術以后，集控中心將在遠方監控主機中提取操作模板自動進行順序操作，省去操作票編寫、車輛行駛、模擬預演、操作復誦、人工驗位等時間，所有操作全部依靠“雙確認”技術進行位置認證，效率更高、準確性更強，預計一鍵順控技術的應用，變電所半段停電操作時間將控制在1 h 以內，節約就地操作時間達4 h。同時在應對突發停電跳閘事故和計劃性單一線路停送電操作時，一鍵順控技術的時效性將會越發明顯和突出，極大提升倒閘操作工作效率。