論柱上變壓器智能化改造及物聯網技術的應用

引言

隨著經濟的高速發展，用電需求不斷增加，配電設施發展很快。從當前運行情況來看，隨著主網線路及設施的完善，主網的故障率逐步降低，相應地，10kV配電網故障引致停電的情況越來越突出。如何提高10kV配電網的可靠性是擺在電力生產運維部門面前的一大難題。

10kV配電網中，由于柱上配電變壓器數量眾多，安裝位置偏僻，運行環境惡劣，導致頻發配電變壓器故障或其相應避雷器、保護熔斷器引起的停電事故。

所以從柱上配電變壓器入手，針對運行維護中的難點問題，引入新的技術解決方案，結合保護測控技術以及物聯網技術，對配電變壓器進行升級改造，進一步提高設備的可靠性，以適應未來智能配網對變壓器精確保護及智能化的需求。

1 當前柱上配電變壓器的組成

當前配電變壓器一般有以下部分組成：

1）跌落式熔斷器開關；

2）高壓避雷器；

3）變壓器；

4）低壓配電箱。

圖1.1所示是一種常見的柱上變壓器的布置圖。

圖1.1

1.1 跌落式熔斷器開關

跌落式熔斷器開關，一直以來為柱上變壓器提供短路和過流保護，其主要原因有：

1）結構簡單，易于桿上安裝，適應性強；

2）跌落式熔斷器開關有明顯斷口，為現場維護提供安全隔離；

3）維護方便，維護人員只需要在地面就可以完成熔斷器的更換操作；

4）成本低廉。

然而，隨著供電質量要求越來越高，跌落式熔斷器開關的缺點就無法忽視了。

1）跌落式熔斷器過流保護特性離散性大，多發誤動事故。

2）由于熔斷器保護動作時熔體熔斷時間不完全同步，常出現缺相運行的情況。

3）受周圍環境影響，以及眾多廠家質量參差不齊等原因，跌落式熔斷器開關時有發生諸如觸頭發熱、誤動、異常脫落、熔斷器炸毀等故障。影響到線路的供電可靠性。

4）故障后查障時間長，更換熔斷器也不容易，導致恢復供電時間長。

1.2 運維方式

當前柱上配電變壓器的運維方式主要靠人工現場巡查。盡管有部分地區在低壓側安裝了無線集抄系統，可以提供一些輔助信息給運維人員參考，但變壓器本身的運行狀況還得人員到現場查看。

一般日常巡視內容有：

1）現場查看有油溫油位，檢查外觀，各部位是否有滲油漏油；

2）檢查套管是否正常，有否破裂，有否雜物、油污；

3）檢查表面是否有放電痕跡或其他異常現象；

4）檢查變壓器運行聲音是否正常；

5）檢查高低壓各接線端子是否正常，有否松脫、破裂；

6）檢查各部分是否過熱；

7）檢查外殼是否生銹；

……。

如圖1.2所示。

圖1.2

可見，對于大量的配電變壓器的運行維護，需要大量人力物力。

所以，應用新技術，改變配電變壓器的現狀，提高設備可靠性，提高運維效率，大有可為。

2 智能配電變壓器方案

2.1 物聯網概念

物聯網這個概念，在美國早在1999年就提出來了。當時叫傳感網。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念。

“物聯網概念”是在“互聯網概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念。

物聯網(Internet of Things)，國內外普遍公認的是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID時最早提出來的。在2005年國際電信聯盟（ITU）發布的同名報告中，物聯網的定義和范圍已經發生了變化，覆蓋范圍有了較大的拓展，不再只是指基于RFID技術的物聯網。

2.2 配電變壓器與物聯網概念

對于配電變壓器來說，我們可以借鑒物聯網的概念和技術，實現以下目標：

1）每臺變配電變壓器擁有唯一ID；

2）通過一體化集成數據采樣系統，使得每臺配電變壓器具備對自我狀態的感知能力；

3）通過一體化集成的數據處理系統，處理和存儲狀態數據，提供狀態評估和故障預警；

4）支持小無線系統通訊，允許通過認證的客戶終端訪問配電變壓器數據；

5）支持遠程無線系統通訊，可以與遠方后臺交換數據。

2.3 配電變壓器智能化方案目標

配電變壓器智能化的根本目標是為了提高設備的可靠性，提高運維效率，預防和減少故障的發生。

基于以上目標，智能化方案包括以下內容：

1）采用微型高壓斷路器保護；

2）應用繼電保護技術對變壓器設備故障實時就地隔離。

3）參考物聯網技術的設備身份識別、設備狀態感知(狀態數據采樣)、無線通訊

4）應用合適數學模型，對設備狀況自我診斷評估，發出運維提示或預警。

5）運維人員隨時可以無線獲取設備狀態信息，用于更進一步分析研究。

2.4 配電變壓器智能化方案實現

2.4.1 微型高壓斷路器

應用斷路器開關作變壓器的保護開關無論保護范圍、保護能力，還是保護質量及可靠性都是遠遠好于熔斷器的。

應用斷路器開關作變壓器的保護開關也是未來智能電網的必然要求。

但是推廣應用斷路器，必須解決以下問題：

1）成本高昂；

2）設備相對復雜、安裝維護要求較高；

3）體積較大。

所以要想應用斷路器開關在柱上變壓器上作為其保護，現有的普通柱上斷路器明顯不太合適。只有研究新的合適的微型斷路器開關，降低成本，才能推進斷路器開關在配電變壓器保護上的應用。

下面我們就這幾方面提出一個思路，供大家一起探討。

為了考慮到通用性，能夠安裝在已有的變壓器上，就要考慮外裝式方案。

外裝式方案要考慮與變壓器整合連接，不是簡單的將一個柱上變壓器+一個柱上斷路器開關。而是需要與變壓器做一體化的考慮。

圖2.4.1所示是方案的示意圖。

圖2.4.1

此方案的思路是直接在變壓器的高壓端頭處安裝斷路器。所以適合對已運行的變壓器的改造升級，也方便與不同廠家的變壓器的配合安裝。

主要特點是：

1）利用現有的固封絕緣技術，盡量減少斷路器開關的體積，已達到小型化；

2）跟不同的變壓器配套，只需選配不同的安裝底座則可；

3）控制系統集成在開關上，功能簡單實用，預留通訊接口；

4）高壓的接線全部實現密閉，提高安全性；

5）開關支持電動操作、機械手動分合；

6）安裝簡單靈活。

2.4.2 系統方案總述

微型高壓斷路器用于代替熔斷器，為實現變壓器設備的可靠保護和快速恢復供電提供了可能。而作為柱上配電變壓器智能化的核心，數據測控單元、數據處理單元、數據通訊單元等則是智能變壓器設備的中樞大腦。

如圖2.4.2所示。

具體各部分功能如下：

█傳感器是系統的眼睛，感知設備的高低壓電流、電壓、油溫、油位、接線端頭溫度、環境溫度等等，測控單元對設備的關鍵參數采集和控制。

█數據處理單元對測控單元采集到的數據進行處理、存儲，以及進行評估計算，得出準確的評估結果。

評估計算模型主要從以下幾個方面考慮：

1）考慮環境溫度、油溫溫升、低壓電纜端頭溫度溫升，對應變壓器的負載電流，是否合理；

2）變壓器高壓電流、低壓電流的差流是否正常；

3）油溫油位關系是否正常；

4）長期歷史數據與實時數據相關性對比；

5）長期油溫記錄測算絕緣壽命；

等等。

圖2.4.2

█數據通訊單元采用無線通訊技術，根據相應的協議，對遠程主站或客戶端的訪問進行身份辨別認證，對認證的客戶端的請求響應和處理。同時對通訊傳輸的數據進行加密和解密，對用戶權限分級授權，保證設備的信息安全。

2.4.3 變壓器智能化改造后的運維方式變化

柱上變壓器按上述方案智能化改造后，運行維護方式將發生天翻地覆的變化。下圖是典型的2種方式。

1）有遠程主站系統的話，安坐電腦終端前，可知所有變壓器的狀態。如圖2.4.3.1所示。

圖2.4.3.1

2）如果沒有遠程主站系統，可以坐巡檢車輛，無需下車，一路用手持終端通過近距離無線通訊系統，調取各個變壓器的運行數據，然后回到電腦前，鼠標輕點，讀取手持終端的數據，自動生成報表。如圖2.4.3.2所示。

圖2.4.3.2

所以，無論實現上述哪種巡查方式，跟以前的人工巡檢相比，勞動強度大大降低，效率大大提高，設備的運行維護變得更加合理有序。

3 結語

上文對當前的10kV柱上變壓器的現狀進行了分析，提出面向未來智能電網的變壓器智能化改造方案，并介紹了物聯網技術在變壓器智能化改造中的應用。同時提出了變壓器狀態檢測、評估的思路和方案，為配電變壓器的升級改造、提高運行維護效率、逐步適應新電網的高可靠性要求，研究和探索變壓器的智能化之路。