高壓變電站變電設(shè)備的智能化改造

李 寧，王 勇，劉繼平，鞠登峰，單大鵬，李忠晶

(1.天津市電力公司檢修公司，天津300232;2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京100192)

智能電網(wǎng)發(fā)展已成為中國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分，對(duì)常規(guī)變電站進(jìn)行智能化改造是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要工作之一。常規(guī)變電站的智能化改造其核心在于對(duì)變壓器、開(kāi)關(guān)等主要變電設(shè)備進(jìn)行智能化改造。

變電設(shè)備智能化改造［1－5］是通過(guò)對(duì)其裝備必要的傳感器，采集變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、控制狀態(tài)和可靠性狀態(tài)等信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。智能組件由測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)等智能電子裝置(intelligent electronic devices，IED)［6］集合而成，通過(guò)監(jiān)測(cè)主 IED 完成對(duì)植入變電設(shè)備體內(nèi)的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析并匯總，形成智能化信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的DL/T860過(guò)程層交換網(wǎng)絡(luò)送至站控層監(jiān)控主機(jī)。變電設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、狀態(tài)診斷等。因此，變電設(shè)備與智能組件、通信網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成了智能變電站的智能化因子［7］。本文主要討論電力變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能化研究方案，研究應(yīng)用于運(yùn)行中電力變壓器改造的智能變壓器組件和高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備改造的智能開(kāi)關(guān)組件。

1 變壓器智能化改造

變壓器智能化改造核心方式是將原先分散的、遵循不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)IED按功能集中布局，遵循統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，完成對(duì)監(jiān)測(cè)IED的系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)集中上傳。通過(guò)設(shè)計(jì)變壓器智能組件柜、裝備更多的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，完成各監(jiān)測(cè)IED的數(shù)據(jù)采集、處理、分析、匯總，并按照DL/T860向站控層上送聚合信息。

1.1 變壓器智能化改造方案

智能變壓器由變壓器本體和智能組件柜組成，變壓器本體根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)、裝設(shè)所需的傳感器和監(jiān)測(cè)IED，并對(duì)其原有的柜體按照功能模塊重新設(shè)計(jì)調(diào)整。

圖1 智能變壓器組成架構(gòu)示意圖

圖1為針對(duì)智能組件按不同信息功能對(duì)變壓器進(jìn)行的基礎(chǔ)信息配置。按照基礎(chǔ)配置原則，提出智能化改造方案為:采用變壓器+智能組件的模式，對(duì)原控制柜(匯控柜)加裝一個(gè)智能組件(智能組件柜)，完成變壓器的狀態(tài)量采集、常規(guī)量采集、初步分析、狀態(tài)診斷和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

1.2 變壓器智能組件設(shè)計(jì)

變壓器智能組件按功能獨(dú)立原則，采用多個(gè)獨(dú)立的IED集合，一方面可以有效避免模塊的相互干擾進(jìn)而影響智能組件的整體功能;另一方面便于用戶根據(jù)實(shí)際選擇、調(diào)整IED供應(yīng)商優(yōu)化智能組件集成方案，同時(shí)也方便智能組件的維護(hù)、檢修［8］。

依據(jù)智能變壓器常規(guī)配置方案并結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行變壓器智能組件設(shè)計(jì)，如圖2所示。

變壓器智能組件柜配備有監(jiān)測(cè)主IED、高壓套管IED、油中溶解氣體監(jiān)測(cè)IED和侵入波監(jiān)測(cè)IED，同時(shí)配備過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，接入合并單元的電流、電壓瞬時(shí)數(shù)據(jù)［9］。基于對(duì)監(jiān)測(cè)信息的可擴(kuò)展性考慮，對(duì)電力變壓器智能組件預(yù)留部分可擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)IED，譬如繞組光纖測(cè)溫IED、局部放電監(jiān)測(cè)IED等。電力變壓器智能化的具體措施如表1所示。

圖2 變壓器智能組件設(shè)計(jì)示意圖

為實(shí)現(xiàn)變壓器的智能化高級(jí)應(yīng)用，監(jiān)測(cè)主IED不僅需要對(duì)原始的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(包括數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換，異常數(shù)據(jù)剔除等)，而且需要承擔(dān)對(duì)接入監(jiān)測(cè)主IED的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度智能處理，確保站控層高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)可以準(zhǔn)確辨識(shí)監(jiān)測(cè)主IED的監(jiān)測(cè)信息和狀態(tài)信息等。常規(guī)狀態(tài)參量的數(shù)字化測(cè)量具體技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 變壓器智能化措施

表2 變壓器數(shù)字化測(cè)量信息

在變電站智能化改造的實(shí)用化研究中，通常要對(duì)變壓器油中溶解氣體、高壓套管的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。侵入波監(jiān)測(cè)作為可選功能視情況增加。測(cè)量數(shù)據(jù)包括頂層油溫、底層油溫、鐵心接地電流等，也可以根據(jù)工程需要增加傳感器和對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)參量數(shù)據(jù)。

2 開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化改造

2.1 開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化改造方案

智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備由高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備本體和智能組件組成，開(kāi)關(guān)設(shè)備本體上安裝了不同功能的傳感器和操動(dòng)機(jī)構(gòu)［10］。高壓開(kāi)關(guān)智能化改造的核心方式是將原先分散放置的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED(局部放電 IED，氣體狀態(tài) IED，機(jī)械狀態(tài) IED等)集中，構(gòu)成高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能組件的監(jiān)測(cè)IED，同時(shí)加載監(jiān)測(cè)主IED、合并單元完成向站控層上送斷路器聚合信息［11－12］。智能高壓組合電器組成架構(gòu)如圖3所示。

斷路器智能化改造方案為:斷路器+智能組件的模式，對(duì)原就地控制柜(匯控柜)加裝一個(gè)智能組件。斷路器智能組件配置監(jiān)測(cè)IED，即完成對(duì)高壓開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能電機(jī)工作狀態(tài)、SF6氣體壓力/密度、斷路器局部放電等狀態(tài)信息的采集、處理、上送;監(jiān)測(cè)主IED合并子IED數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的DL/T860協(xié)議向站控層上送智能化信息和格式化信息［13］，并在站控層高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)里完成數(shù)據(jù)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)、診斷分析和智能預(yù)警等功能。斷路器智能化信息主要包括高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的放電缺陷、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)［14］等。

2.2 開(kāi)關(guān)設(shè)備智能組件設(shè)計(jì)

依據(jù)智能斷路器組成結(jié)構(gòu)結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用需求，斷路器智能組件設(shè)計(jì)如圖4所示。

在智能組件柜內(nèi)集成了監(jiān)測(cè)主IED、機(jī)械狀態(tài)IED、局部放電IED、SF6氣體狀態(tài)IED、避雷器監(jiān)測(cè)IED和開(kāi)關(guān)設(shè)備控制器等，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)設(shè)備控制數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，開(kāi)關(guān)設(shè)備的SF6氣體微水、密度的監(jiān)測(cè)，機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)，局部放電的監(jiān)測(cè)，避雷器動(dòng)作次數(shù)及泄漏電流的監(jiān)測(cè)及上層設(shè)備對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)可視化。斷路器智能化措施如表3所示。

圖3 智能高壓組合電器組成架構(gòu)示意圖

圖4 斷路器智能組件設(shè)計(jì)示意圖

表3 斷路器智能化措施

常規(guī)狀態(tài)參量的數(shù)字化測(cè)量具體技術(shù)要求如表4所示。

表4 斷路器/GIS設(shè)備數(shù)字化測(cè)量信息

對(duì)SF6氣室的密度/壓力、微水、儲(chǔ)能電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分合閘線圈電流監(jiān)測(cè)作為可選功能，并視情況增加。斷路器儲(chǔ)能電機(jī)工作狀態(tài)是操動(dòng)機(jī)構(gòu)狀態(tài)的一個(gè)重要方面，可以反映儲(chǔ)能電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的缺陷。測(cè)量數(shù)據(jù)包括電機(jī)電流、電壓、工作時(shí)間;對(duì)于液壓機(jī)構(gòu)，包括統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)能電機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)/日、累計(jì)工作時(shí)間/日等。

3 變電設(shè)備智能化改造技術(shù)難點(diǎn)

常規(guī)的變電站智能化改造有以下技術(shù)難點(diǎn)［15］:

1)變電站監(jiān)測(cè)IED網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造，需要調(diào)整或更改監(jiān)測(cè)IED的部分功能。例如，需要將原先通過(guò)CAN、RS485上傳監(jiān)測(cè)參量的監(jiān)測(cè)IED調(diào)整為支持以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，這樣就需要對(duì)監(jiān)測(cè)IED甚至支持監(jiān)測(cè)IED的工控機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造。

2)部分監(jiān)測(cè)IED難以加裝，是因?yàn)樾枰黾映Ｒ?guī)變電站沒(méi)有配給的內(nèi)置傳感器，重新加裝這些傳感器會(huì)極大增加工程難度和改造成本。

3)對(duì)于原先支持不同協(xié)議傳感器的智能化升級(jí)改造，需要原監(jiān)測(cè)IED廠商對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行部分修改調(diào)整，以適應(yīng)智能組件的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓一次設(shè)備加裝智能組件是常規(guī)變電站智能化改造的有效方式之一，在實(shí)際的變電站智能化改造中取得了很好的實(shí)用化效果，降低了因改造而導(dǎo)致電網(wǎng)停電的高額成本，保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

［1］國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)部.Q/GDW/Z 410－2011智能高壓設(shè)備技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2011.

［2］國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW/Z 410－2010高壓電氣設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

［3］國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)部.智能變壓器技術(shù)條件［R］.北京:國(guó)家電網(wǎng)公司，2010.

［4］國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 383－2009智能變電站技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

［5］國(guó)家電網(wǎng)公司.DL/T 363－2010輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

［6］劉有為.智能電力變壓器信息流方案的設(shè)計(jì)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(1):1 －5.

［7］劉有為.高壓設(shè)備智能化技術(shù)分析報(bào)告［R］.北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院，2009.

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［15］齊永峰，高興國(guó)，邵雪蓮.智能化電力變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展［J］.黑龍江電力，2007，29(6):448 －452.