變/配電所智能化改造與應用

焦 松，于佳良，延俊磊

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

1 改造的必要性

目前，傳統(tǒng)的變/配電所內運行管理大多停留在抄表值班的運行管理狀態(tài)，存在如下弊端：①無法實時掌握用電的負荷情況及電能質量情況，且存在人為因素（如無法檢查到位、檢查人員錯誤判斷等）導致判斷失誤的情況；②無法實施有效的能耗控制和管理；③隨著運行人員人力成本不斷上升，傳統(tǒng)的變、配電所的運行成本越來越高；④用戶對電能質量的要求越來越高，不僅要確保供電穩(wěn)定可靠，還要保證供電質量。在以上背景下，對傳統(tǒng)變、配電所進行智能化改造必然是大勢所趨。

2 設備的安裝（更新）及功能

2.1 多功能儀表

多功能儀表安裝（更新）在開關柜的每個斷路器，能夠精確穩(wěn)定地測量電網(wǎng)中的所有常用電力參數(shù)，包括電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能等。多功能儀表具有精度高、穩(wěn)定性好、抗振動能力強等優(yōu)點，可直接替代原有指針式儀表，作為一種先進的智能化、數(shù)字化的電網(wǎng)前端采集單元，已廣泛應用于各種控制系統(tǒng)、SCADA 系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中，可應用于變電自動化、配電網(wǎng)自動化、小區(qū)電力監(jiān)控、工業(yè)自動化、智能樓宇中等場合，具有安裝方便、接線簡單、維護方便、工程量小等特點，可現(xiàn)場編程、設置輸入?yún)?shù)，能夠實現(xiàn)與PLC、變頻器、工業(yè)控制計算機的組網(wǎng)通信，將多功能儀表采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng)，供其調配使用。

2.2 微機保護裝置

微機保護裝置安裝（更新）在高壓開關柜的每個斷路器，具有測量全電力參數(shù)包括電壓U、電流I、有功功率P、無功功率Q、視在功率S、功率因數(shù)PF、電壓與電流的相角度Φ、電壓不平衡度、電流不平衡度、頻率F、分次諧波、奇偶次總諧波含量及總諧波含量等。能計量當前組合有功電能、正向有功電能、反向有功電能、感性無功電能、容性無功電能、視在電能。微機保護裝置具有兩套時段表，一年可以分為4 個時區(qū)，每套時段表可設12 個日時段、4 個費率（即尖峰平谷）。

分時計費的基本思想就是把電能作為一種商品，利用經(jīng)濟杠桿，用電高峰期電價高、低谷期電價低，以便削峰填谷，改善用電質量，提高綜合經(jīng)濟效益。

微機保護裝置能夠提供歷史電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計，具有分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和繼電器輸出功能，可實現(xiàn)遙信和遙控功能，并具備報警輸出，廣泛應用于多種控制系統(tǒng)、SCADA 系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。微機保護裝置具有通用標準的通信接口，可以與后臺系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 無線測溫與局放測試裝置

無線測溫裝置安裝在開關柜開關觸頭位置。溫度傳感器為免維護無源設備，設備損壞也不影響開關柜的正常使用。溫度傳感器具有優(yōu)異的絕緣性能，能夠隔離開關柜的高壓，可以直接安裝到開關柜內的高壓觸頭上或電纜接頭位置，能準確測量檢測位置的實時溫度，實現(xiàn)開關柜運行溫度的在線檢測。溫度傳感器與無線測溫主機實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

高壓開關柜的絕緣內部若有水汽、灰塵等雜質，將在強電場作用下使得開關柜內部的電場分布不均勻，在雜質部位的電場強度會增大，容易導致該部位發(fā)生未貫穿整個絕緣的放電，即局部放電。局部放電一般是由于絕緣體內部或絕緣表面局部電場特別集中引起的。

局放即電力設備絕緣體在足夠強的電場作用下發(fā)生的局部放電，這種放電以僅造成導體間的絕緣局部短接而不形成導電通道為限。每一次局部放電對絕緣介質都會有一些影響，輕微的局部放電對電力設備絕緣的影響較小，絕緣強度的下降較慢，而強烈的局部放電則會使絕緣強度快速下降，是使高壓電力設備絕緣損壞的一個重要因素。因此，設計高壓電力設備絕緣時要考慮在長期高電壓的工作狀態(tài)下，不允許絕緣結構內發(fā)生較強烈的局部放電。對運行中的設備要加強監(jiān)測，當局部放電超過一定程度時，應將設備退出運行，進行檢修或更換。

對電氣設備的局部放電進行監(jiān)檢測是評估設備絕緣狀況的重要手段，能夠發(fā)現(xiàn)設備潛伏性故障，是實現(xiàn)故障預警，避免故障發(fā)生的有效措施之一。局放檢測傳感器可以通過檢測伴隨局部放電產生的電磁波輻射，自動確定現(xiàn)場局部放電的實際檢測頻率，并將檢測到的局部放電次數(shù)和放電頻次上傳至服務器。局放傳感器安裝在高壓開關柜電纜室內，可以與主機實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

裝置的具體配置情況是1 臺主機通過無線傳輸統(tǒng)一采集變、配電所內的所有溫度傳感器和局放檢測傳感器所獲取的溫度數(shù)據(jù)和局放數(shù)據(jù)。信息采集主機帶有顯示屏可在本地監(jiān)控、配置溫度和局放實時數(shù)據(jù)，主機同時具有通用標準的通信功能。可將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)胶笈_監(jiān)控系統(tǒng)，供其調配使用。

2.4 變壓器溫控器安裝（更新）

在變壓器上安裝（更新）溫控器，實現(xiàn)檢測變壓器繞組溫度的監(jiān)控功能。溫度控制器內部采用單片機控制，利用預埋在變壓器繞組測溫孔中的PT100 鉑熱電阻來測量繞組的溫度并進行數(shù)字顯示，提供繞組超溫跳閘、繞組超溫報警以及傳感器故障顯示報警功能，溫控器可以根據(jù)設定溫度自動啟停風機對繞組進行風冷，能有效提高變壓器運行的安全性、可靠性及使用壽命。溫控器還有標準的通信功能，可與后臺系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)的通信傳輸。

2.5 變壓器紅外測溫器安裝

紅外測溫器通過磁吸方式安裝于干式變壓器內部，實時檢測變壓器內部線纜接頭狀態(tài)及溫度。可實現(xiàn)可見光、熱成像雙通道實時畫面預覽，并對溫度告警或其他預警事件產生的告警聯(lián)動進行錄像、抓圖、聲音告警等。可根據(jù)實際需要在視頻畫面內添加分析對象、冷熱點追蹤，設置對應的告警聯(lián)動時間以及配置屬性，支持智能分析等事件進行告警，對各種告警聯(lián)動的錄像以及抓圖進行回放查看，并標記相應的告警源。支持實時溫度曲線分析、圖像融合查看、報表查看與導出功能，并具有標準的通信功能。

2.6 環(huán)境監(jiān)測改造

環(huán)境改造包含增加溫濕度計、煙火報警系統(tǒng)、水浸檢測裝置，進行溫濕度、火災報警，保證配電所運行環(huán)境。各環(huán)境參數(shù)與微機保護系統(tǒng)相連，當設備異常時可通過微機保護系統(tǒng)內部繼電器動作，進而通過微機保護系統(tǒng)的通信功能與整體后臺系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控功能。

2.7 后臺監(jiān)控及視頻監(jiān)控系統(tǒng)

后臺監(jiān)控系統(tǒng)包含工控機、軟件以及通信管理機和綜合測控裝置，實現(xiàn)后臺系統(tǒng)與各智能設備的連接，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控等遠動功能。實現(xiàn)變、配電所實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，電氣設備運行監(jiān)視，控制操作，檢測保護設備狀態(tài)等功能。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含攝像頭、硬盤錄像機、監(jiān)控大屏。攝像頭可監(jiān)控每個開關柜道閘或斷路器指示燈狀態(tài)，變/配電所內各攝像頭信息通過硬盤錄像機匯總在一起，并通過監(jiān)控大屏展示。

3 智能變/配電所的實現(xiàn)

3.1 后臺監(jiān)控系統(tǒng)

多功能儀表、微機保護裝置（煙火、水浸、變壓器溫控器等裝置的信號通過非電量接入微機保護裝置）、無線測溫與局放測試裝置主機通等智能設備通過通信線（如RS-485 接口）與通信管理機或綜合測控裝置連接，再通過通信管理和綜合測控裝置與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的工控機的軟件相連，通過軟件配置相關開關柜遙測、遙信、遙控各項數(shù)據(jù)實現(xiàn)從而實現(xiàn)了以下功能：①對各個變/配電所開關柜每個斷路器開關的電壓、電流、電量遠程的實時監(jiān)控；②對變壓器溫度實時監(jiān)控及高溫跳閘保護功能；③對變壓器內部線纜溫度狀態(tài)的實時監(jiān)控；④遠程操作開關柜的投入、斷開；⑤變/配電所內溫濕度實時監(jiān)控，以及煙火、水浸報警功能的預警；⑥對斷路器等設備各信號的開關量實時監(jiān)控。

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

攝像頭、變壓器的紅外測溫器通過通信線（如網(wǎng)線、光纖）一起接入硬盤管理機，硬盤管理機再通過視頻線接到視頻監(jiān)控屏進行顯示從而實現(xiàn)了以下功能：①實時監(jiān)控各開關柜指示燈、刀閘外觀、動作及狀態(tài)；②實時監(jiān)控變壓器內部線纜的實時溫度及外觀狀態(tài)，采集各變、配電所相關實時數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控，通過后臺軟、硬件系統(tǒng)實現(xiàn)變、配電所實時數(shù)據(jù)的采集，具備電氣設備運行監(jiān)視、控制操作、遠程通信、監(jiān)控保護設備狀態(tài)等功能；③視頻監(jiān)控智能分析功能，通過采集到的畫面狀態(tài)，增加智能分析系統(tǒng)對畫面中的設備指示燈顏色、溫度狀態(tài)、現(xiàn)場人員穿戴等進行分析。具有畫面回放、警報聯(lián)動抓拍等功能，全面監(jiān)控整改變、配電所現(xiàn)場的狀態(tài)。

3.3 通信連接方式

整體系統(tǒng)各硬件的通信連接方式如圖1 所示。

4 變/配電所改造后的應用效果

（1）由原來由人員對各個配電所每天按計劃進行現(xiàn)場巡檢，改變?yōu)槿藛T通過后臺系統(tǒng)24 h 遠程監(jiān)控。監(jiān)控過程中，通過儀表、傳感器采集的數(shù)值與各個傳感器報警閾值進行比較，及時獲知設備的實時狀態(tài)，可通過各個設置需要監(jiān)控的報警信息自動形成報表，監(jiān)控人員僅需定時查看報表信息就可掌握設備運行狀態(tài)，并及時做出應對措施。視頻監(jiān)控可以查看設備現(xiàn)場實時的外觀狀態(tài)，配置的紅外攝像頭可監(jiān)控相關設備的溫度狀態(tài)。當發(fā)生異常時，對比設備采集的數(shù)據(jù)狀態(tài)及視頻監(jiān)控狀態(tài)可實現(xiàn)互相印證。

（2）對于設備倒閘操作，由原來操作人員現(xiàn)場操作，兩個操作人員互相確認的方法改變?yōu)橥ㄟ^遙控信號后臺遠控操作。在后臺系統(tǒng)中自動設置相應的互鎖邏輯，并按照流程要求雙人確認制，同時從程序和軟件上杜絕了誤操作的發(fā)生。在倒閘操作作業(yè)時，操作人員可通過后臺系統(tǒng)軟件顯示的情況以及視頻監(jiān)控到的機械位置情況來確認操作作業(yè)是否正常，確保設備閉合狀態(tài)正常。

（3）實現(xiàn)全部變配電系統(tǒng)電壓、電流、電量、溫濕度、水浸、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，通過對各項數(shù)據(jù)采集、分析，可依使用單位的實際情況與需求編制應對模型來應對不同場景的應用，并通過電壓、電流、電量的數(shù)據(jù)分析對電力系統(tǒng)電量分析出具有效性的分析。

5 結束語

通過改造變/配電所的開關柜、變壓器等電力設備，使其實現(xiàn)了如下功能：①實時監(jiān)控各開關柜的電壓、電流狀態(tài)，并對其使用情況進行數(shù)據(jù)分析，為后續(xù)電能的管控提供可靠依據(jù)；②變/配電所內增加溫濕度傳感器、局放檢測裝置等，實時監(jiān)控變、配電所內環(huán)境狀態(tài)，減少人員的日常巡檢次數(shù)；③增加遠程控制功能，減少人員現(xiàn)場倒閘操作。

變/配電所智能化改造增加了設備數(shù)據(jù)采集和操作的實時性和有效性，擴展了供電系統(tǒng)的參數(shù)采集范圍，通過持續(xù)的預測、分析實現(xiàn)異常的自動檢測和響應，并實現(xiàn)故障預警，防患于未然。傳感器遠程監(jiān)控代替了人工日常巡檢，遠程操作控制代替了現(xiàn)場操作，可以大幅減少人力資源投入，降低運營成本。