陳小衛(wèi) 張成松 但春林

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，南京 210003）

隨著近幾年數(shù)字化特別是智能化變電站試點(diǎn)工作的不斷推進(jìn)，繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置等二次設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化得到了足夠的重視和長(zhǎng)足的發(fā)展，基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的綜合自動(dòng)化變電站越來(lái)越多，這大大提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平，增強(qiáng)了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的靈活性和可靠性。但由于各種原因，一次設(shè)備的智能化卻相對(duì)滯后了。

本文介紹了敞開(kāi)式智能變電站智能組件及其控制柜較新的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)理念，希望這種數(shù)字化變電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方案和新思路能為用戶(hù)節(jié)省大量投資，為設(shè)計(jì)院減輕大量工作, 同時(shí)也提升了變電站建設(shè)整體的智能化水平。

1 智能終端新方案

1.1 智能終端的基本功能

1）智能終端的控制功能

智能終端作為與一次設(shè)備聯(lián)系的智能組件之一，必須滿足目前智能變電站的基本功能要求。智能終端是在傳統(tǒng)操作箱上演化而來(lái)的，由于智能變電站網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)操作箱的很多信號(hào)可由智能終端以數(shù)字化的方式實(shí)現(xiàn)，可大大簡(jiǎn)化操作回路。因此可將智能終端操作回路設(shè)計(jì)成能與分相或三相操作的斷路器配合使用，使裝置具有傳統(tǒng)操作箱功能，并實(shí)現(xiàn)部分測(cè)控功能，支持IEC 61850的GOOSE方式的跳合閘命令，同時(shí)又能保留了傳統(tǒng)的硬接點(diǎn)跳合閘方式，能夠采集并上送開(kāi)關(guān)位置、隔刀及地刀位置、開(kāi)關(guān)本體信號(hào)，提高裝置的使用范圍。

對(duì)于開(kāi)關(guān)狀態(tài)及跳閘命令采用 GOOSE數(shù)據(jù)格式傳輸。為了滿足 GOOSE傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,GOOSE傳輸采用變位時(shí)立即發(fā)送，此后按照一定的存續(xù)時(shí)間進(jìn)行間隔發(fā)送，如此發(fā)送，最后采用固定時(shí)間傳送。如圖1所示。

圖1 GOOSE信息發(fā)送時(shí)序圖

2）智能終端的監(jiān)測(cè)功能

在 AIS變電站中，智能終端需就地安裝，與斷路器及隔離開(kāi)關(guān)等設(shè)備距離很近，可增加智能終端的就地通信功能，配合相應(yīng)的傳感設(shè)備可監(jiān)測(cè)操作機(jī)構(gòu)分、合閘線圈工作電流及分合閘回路狀態(tài)的檢測(cè)。

線圈工作電流的波形，反映了鐵心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)械狀態(tài)。根據(jù)電流波形的特征參數(shù)可以計(jì)算出鐵心起動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間，從而得到鐵心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從中發(fā)現(xiàn)是否有鐵心卡滯現(xiàn)象，以及鐵心的行程和鐵心吸力等參數(shù)的變化情況。

裝置通過(guò)采集每次操作時(shí)流過(guò)斷路器跳合閘線圈的電流和時(shí)間，并與開(kāi)關(guān)出廠時(shí)已經(jīng)預(yù)置的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，最終得到該機(jī)械結(jié)構(gòu)在操作時(shí)電流和時(shí)間的變化百分比。

式中，I為當(dāng)前斷路器動(dòng)作電流；In為開(kāi)關(guān)出廠實(shí)驗(yàn)記錄電流值。

式中，T為當(dāng)前開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間；Tn為開(kāi)關(guān)出廠實(shí)驗(yàn)記錄動(dòng)作時(shí)間。

根據(jù)斷路器操作機(jī)構(gòu)在動(dòng)作時(shí)所需的電流和動(dòng)作時(shí)間的變化可以準(zhǔn)確推斷斷路器操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械磨損情況，為斷路器操作機(jī)構(gòu)的檢修提供準(zhǔn)確的數(shù)字依據(jù)。

智能終端通過(guò)傳感器采集電機(jī)運(yùn)行電流，并由此得到電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，與正常電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電流和時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，從而判斷是否存在電機(jī)空轉(zhuǎn)和卡轉(zhuǎn)等情況，并通過(guò)監(jiān)控上送給運(yùn)行人員。典型的電機(jī)分合閘線圈的運(yùn)行電流曲線如圖2所示[1]。

圖2 電機(jī)分合閘線圈的運(yùn)行電流曲線

分合閘回路是否完好，是分合閘線圈順利動(dòng)作的基本保證。對(duì)此監(jiān)測(cè)可預(yù)防斷路器由控制回路斷線故障而拒動(dòng)。這樣可以減少“拒動(dòng)”現(xiàn)象發(fā)生的幾率，有益于斷路器穩(wěn)定運(yùn)行。如出現(xiàn)異常就能報(bào)警。

另外，對(duì)于斷路器、隔離接地組合開(kāi)關(guān)觸頭位置狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及斷路器和隔離接地開(kāi)關(guān)的操作機(jī)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，可以作為觸頭位置的狀態(tài)指示及相關(guān)特性分析的一個(gè)判斷依據(jù)和觸頭位置的狀態(tài)指示及相關(guān)特性分析的一個(gè)判斷依據(jù)。

1.2 智能終端的高級(jí)功能

AIS智能變電站中使用的電子式或者光學(xué)互感器的暫穩(wěn)態(tài)特性和精度都高于傳統(tǒng)電磁式互感器，因此可通過(guò)采集斷路器在電網(wǎng)中開(kāi)斷不同大小的故障電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器電壽命的折算。

影響開(kāi)關(guān)電壽命的隨機(jī)因素太多, 如不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相異, 對(duì)同樣的開(kāi)斷電流卻表現(xiàn)出不同的電磨損：同一產(chǎn)品在不同試驗(yàn)站也有不同的試驗(yàn)結(jié)果，甚至同一產(chǎn)品在同一試驗(yàn)站做兩個(gè)系列的電壽命試驗(yàn)也可能得到不同的結(jié)果。但是, 諸如燃弧時(shí)間、觸頭及噴嘴的結(jié)構(gòu)與材料等隨機(jī)因素對(duì)滅弧室燒蝕的影響, 從累計(jì)的角度考慮，都可加以簡(jiǎn)化，從而可以得到一個(gè)比較可行的近似折算公式。可按值來(lái)考慮滅弧室觸頭的電磨損比較合理[2]：

觸頭的磨損體積V與觸頭材料特性（k值）及開(kāi)斷電流Is式的α次方值有關(guān)（α為1～2）。

斷路器可配置一組獨(dú)立的電子式CT線圈，智能終端通過(guò)采集器采集每次開(kāi)關(guān)時(shí)拉開(kāi)故障電流和開(kāi)斷時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，根據(jù)前文中監(jiān)測(cè)到的相開(kāi)關(guān)的故障切除時(shí)的電流，計(jì)算每相斷路器的累加值，并根據(jù)此累加值對(duì)開(kāi)關(guān)壽命進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，顯示剩余壽命。

為了延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備壽命，可通過(guò)采集器采集本間隔的電壓，開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)按電壓波形控制合閘角，按最佳滅弧時(shí)間控制跳閘，以減少操作過(guò)電壓。

開(kāi)關(guān)壽命的折算需要了解各型號(hào)斷路器的特性，并需要有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)供分析使用，目前智能終端主要由二次廠家研發(fā)，智能終端該部分功能還未能實(shí)際應(yīng)用。需要一二次設(shè)備廠家相互交流配合，根據(jù)斷路器廠家提供開(kāi)斷電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還要結(jié)合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的故障率進(jìn)行分析，由于目前沒(méi)有可靠國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，要實(shí)現(xiàn)斷路器壽命的折算還需要進(jìn)行大量的工作，但是可根據(jù)國(guó)外的數(shù)據(jù)參考，從而進(jìn)行側(cè)面推測(cè)。

2 設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)

2.1 斷路器動(dòng)作特征監(jiān)測(cè)

作為智能控制柜，柜內(nèi)可集成安裝斷路器動(dòng)作特征監(jiān)測(cè) IED，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)，獲得儲(chǔ)能電機(jī)的工作信息；監(jiān)測(cè)合（分）閘回路的狀態(tài)，推測(cè)是否有接觸不良、斷線等情況發(fā)生，反映電磁本身和所控制的鎖閂或閥門(mén)或閥門(mén)以及連鎖觸頭在操作過(guò)程中的工作情況；動(dòng)觸頭行程和速度的監(jiān)測(cè)。

2.2 SF6斷路器的微水密度監(jiān)測(cè)

SF6微水及密度監(jiān)測(cè) IED中的傳感器單元通過(guò)高精度壓力、濕度及溫度變送器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算及處理，通過(guò)電纜接口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到 SF6微水及密度監(jiān)測(cè)IED；SF6微水及密度監(jiān)測(cè)IED通過(guò)顯示器直接顯示被測(cè)高壓設(shè)備中 SF6氣體的溫度、壓力、密度、體積比和露點(diǎn)。

2.3 電流電壓互感器的監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)電流互感器、電壓互感器電氣設(shè)備的絕緣狀況，包括介損、泄漏電流、電容量、電容量變化率、相對(duì)介損等各項(xiàng)重要指標(biāo)。

傳感器的信號(hào)取樣采用穿心結(jié)構(gòu)的有源零磁通設(shè)計(jì)技術(shù)，選用起始導(dǎo)磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵心，采用獨(dú)特的深度負(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù)，能夠?qū)﹁F心的激磁磁勢(shì)進(jìn)行全自動(dòng)補(bǔ)償，保持鐵心工作在接近理想的零磁通狀態(tài)，使其基本不受環(huán)境溫度及電磁干擾的影響，從根本上解決了末屏電流信號(hào)的精確取樣問(wèn)題。

高精度的有源零磁通傳感器將泄露電流經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行DFT運(yùn)算及處理,通過(guò)485接口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到容性設(shè)備監(jiān)測(cè)IED。

目前使用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED還是按類(lèi)型設(shè)置不同IED，造成了控制柜內(nèi)設(shè)備較多，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)也相對(duì)復(fù)雜，由于監(jiān)測(cè)傳感器提供的是RS485接口或者是小模擬量信號(hào)，因此可將上述類(lèi)型的監(jiān)測(cè)裝置集成為一臺(tái)針對(duì)本間隔的集中監(jiān)測(cè)的 IED，IED采用IEC61850協(xié)議，與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信，特別是現(xiàn)在智能變電站使用一體化監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)測(cè)IED可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件在召喚時(shí)以文件服務(wù)方式傳送至站控層網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3 智能控制柜

3.1 智能控制柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

戶(hù)外AIS變電站，由于一次設(shè)備沒(méi)有組合電氣那樣集成，就地除了需要有安裝智能終端和狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的柜體外，還有提供動(dòng)力電源的電源端子箱以及斷路器本身的信號(hào)端子箱，為了方便觀察運(yùn)行方式還需要在控制柜上集成模擬主接線，占用了大量的控制柜空間，施工也較麻煩，集成度不高。因此可將各端子箱的功能集成，由一面智能控制柜滿足以上功能的要求，如圖3所示。

圖3 一體化控制柜實(shí)物圖

本方案除了安裝各智能組件外，還集成了交流端子箱及斷路器的信號(hào)箱，各設(shè)備間的聯(lián)系可在柜內(nèi)完成，對(duì)外通過(guò)光纖與過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的控制和信息采集，并且智能終端面板可集成本間隔的模擬主接線，如圖4所示。

圖4 智能終端面板的模擬接線

智能控制柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化節(jié)約了電纜等設(shè)備投資以及相應(yīng)的施工投資，基于一二次整合的AIS智能控制柜能夠有效地取消和簡(jiǎn)化冗余回路，提高了整個(gè)二次回路的可靠性，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量，同時(shí)使的變電站的整體也更加簡(jiǎn)潔。如果和固定的一次設(shè)備廠家配合，還能將斷路器等一次設(shè)備與控制柜的接口改成航空插頭連接，使 AIS變電站控制柜也能和GIS或者PASS組合電氣一樣高度集成化。

集成化的智能控制柜在河南鄢陵220kV智能變電站中已經(jīng)應(yīng)用，柜內(nèi)安裝了智能終端、合并單元、斷路器監(jiān)測(cè)IED和斷路器的信號(hào)端子箱以及機(jī)構(gòu)的電源端子箱，采用了溫濕度控制器配合加熱器和風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)溫濕度控制。原來(lái)變電站一次開(kāi)關(guān)與二次智能終端之間的連線都已在出廠前完成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解的情況，該智能柜的方案大大縮短了設(shè)計(jì)和施工的工作量，簡(jiǎn)化了維護(hù)工作，同時(shí)也是的變電站整體效果很簡(jiǎn)潔。

3.2 智能控制柜的溫濕度控制

AIS控制柜都在戶(hù)外安裝，且靠近高壓設(shè)備，因此抗電磁干擾的IP等級(jí)很高，一般都采用雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，同時(shí)還有二次設(shè)備在內(nèi)部安裝，因此智能控制柜內(nèi)的溫濕度無(wú)法通過(guò)自然通風(fēng)方式實(shí)現(xiàn)，需要通過(guò)其他輔助設(shè)備來(lái)完成，可利用以下方式實(shí)現(xiàn)。

1）溫濕度傳感器配合加熱器和風(fēng)扇，由于柜內(nèi)溫度由上至下梯度遞減，因此需將溫濕度傳感器安裝在柜內(nèi)上部，風(fēng)扇安裝于柜頂，高溫時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)，低溫高濕度時(shí)啟動(dòng)加熱器。需根據(jù)柜內(nèi)安裝的設(shè)備和空間選用合適的風(fēng)扇及加熱器。該方案在目前智能變電站中已使用較多，成本較低。

2）選用熱交換器內(nèi)嵌在柜門(mén)上，完成柜內(nèi)外的熱交換，熱交換由高導(dǎo)熱材料做成，通過(guò)內(nèi)外風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱，可使柜內(nèi)外溫差控制在5～8℃，但是在夏天高溫時(shí)，由于外部溫度較高，熱交換器控制的柜內(nèi)溫度相對(duì)不是很理想。而且相對(duì)于加熱器和風(fēng)扇成本較高。

選用工業(yè)空調(diào)，和熱交換器一樣內(nèi)嵌于柜門(mén)上，可快速的實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)的溫度控制，由于工業(yè)空調(diào)效率較高，因此會(huì)造成空調(diào)頻繁啟動(dòng)，加大了變電站的負(fù)荷，也對(duì)空調(diào)的使用壽命帶來(lái)不良影響，同時(shí)空調(diào)制冷時(shí)對(duì)裝置吹冷風(fēng)，容易在裝置表面形成凝露，不利于電子設(shè)備的與行，并且空調(diào)還需經(jīng)常維護(hù)空氣濾網(wǎng)，日常維護(hù)較麻煩。目前戶(hù)外智能柜使用空調(diào)的不多，還需要根據(jù)實(shí)際需求，進(jìn)行選擇性使用。

3）在柜內(nèi)使用相變材料控制溫度，相變保溫材料是指隨溫度變化而改變形態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)，相變材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為相變過(guò)程，這時(shí)相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。由于不需要外接電源，而是通過(guò)物理狀態(tài)的改變實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，因此可節(jié)約大量電能。但是相變材料在調(diào)節(jié)溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)液態(tài)的狀態(tài)，因此在控制柜內(nèi)安裝相變材料的容器必須完全密封，否則會(huì)造成泄漏，影響設(shè)備的安全運(yùn)行。相變材料在已投運(yùn)的智能站中還未使用，有廠家已在進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控控制柜體及柜內(nèi)的溫濕度情況，可在柜內(nèi)配置相應(yīng)的傳感器，將柜體門(mén)的狀態(tài)、柜內(nèi)的溫濕度情況、風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)等通過(guò)智能終端進(jìn)行采集，上送至監(jiān)控系統(tǒng)，方便運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)控制的狀態(tài)。

4 結(jié)論

智能變電站中智能組件和控制柜雖已廣泛使用，由于一次設(shè)備廠家的技術(shù)限制，其智能化程度還是相對(duì)較低，隨著技術(shù)的發(fā)展和智能站的不斷實(shí)踐，上述智能控制柜的方案將會(huì)大大提高智能站中設(shè)備的智能化程度，并能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和施工工作，很好的體現(xiàn)了智能變電站的優(yōu)勢(shì)。

[1]包紅旗.HGIS與數(shù)字化變電站[M].中國(guó)電力出版社，2009.

[2]程禮椿.電接觸理論及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[3]高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].中國(guó)電力出版社，2008.

[4]孫福杰, 王章啟.高壓斷路器觸失電壽命診斷技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù),1999(3):59-61.

[5]Q/GDW 430 智能變電站智能控制柜技術(shù)規(guī)范[S].