王俊仁，張志華，呂　鵬，邵云浩

10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)分析與實(shí)現(xiàn)

王俊仁，張志華，呂鵬，邵云浩

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

城市配電電網(wǎng)中對(duì)于負(fù)荷密集區(qū)，大多采用10 kV開(kāi)關(guān)站直接向用戶供電。錯(cuò)綜復(fù)雜的城市功能使得用電客戶對(duì)配電網(wǎng)的可靠性提出了更高的要求。結(jié)合配網(wǎng)新的特點(diǎn)以及更高的要求，針對(duì)10 kV開(kāi)關(guān)站常見(jiàn)故障特點(diǎn)研制出一種智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性。

智能開(kāi)關(guān)站；在線監(jiān)測(cè)；水位監(jiān)測(cè)；智能配電終端

0　引言

隨著我國(guó)配電網(wǎng)規(guī)模的快速增長(zhǎng)以及電力用戶對(duì)供電質(zhì)量要求的不斷提高，配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)始備受供電部門關(guān)注。目前我國(guó)城市配網(wǎng)對(duì)于負(fù)荷密集區(qū)采用開(kāi)關(guān)站直接向用戶供電的方式。10 kV開(kāi)關(guān)站作為配網(wǎng)中的重要設(shè)施其地位也顯得愈加重要，10 kV開(kāi)關(guān)站相當(dāng)于擴(kuò)展了變電站10 kV母線，能夠有效減少高壓變電所的10 kV出線間隔和出線走廊［1］。另外10 kV開(kāi)關(guān)站還可以為重要用戶提供多電源供電。因此，建設(shè)并維護(hù)好10 kV開(kāi)關(guān)站就成為了發(fā)展配網(wǎng)自動(dòng)化的關(guān)鍵。本文根據(jù)配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展要求以及10 kV開(kāi)關(guān)站的運(yùn)行特點(diǎn)，著重分析10 kV開(kāi)關(guān)站的常見(jiàn)故障排除方法，開(kāi)發(fā)出一套10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主要電力運(yùn)行參數(shù)、站內(nèi)溫濕度及電纜溝水位等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)站內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠及時(shí)有效地排除故障。

1　10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.110 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

10 kV開(kāi)關(guān)站作為配電網(wǎng)中的重要單元，在實(shí)際運(yùn)行中一旦出現(xiàn)如電纜溝積水的問(wèn)題就可能造成大面積供電受到影響。10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)采用自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、高精度傳感技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，能夠快速有效解決開(kāi)關(guān)站實(shí)際運(yùn)行問(wèn)題。其主要研究?jī)?nèi)容包括：

（1）配電監(jiān)控研究：安裝在開(kāi)關(guān)站內(nèi)的智能配電終端可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)站內(nèi)主要電力線路的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)也可以為其監(jiān)測(cè)的線路提供過(guò)負(fù)荷保護(hù)等基本線路保護(hù)功能。

（2）環(huán)境監(jiān)控研究：安裝在開(kāi)關(guān)站內(nèi)的各種高性能傳感裝置采集現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、煙霧等環(huán)境參數(shù)。同時(shí)運(yùn)行人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況自定義環(huán)境監(jiān)測(cè)名稱以及設(shè)置告警閾值。

（3）電纜溫度監(jiān)控：安裝在開(kāi)關(guān)站內(nèi)的溫度傳感裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要電纜線路的溫度變化。溫度傳感裝置采用光導(dǎo)纖維傳輸溫度信號(hào)，具有良好的絕緣性能。另外溫度傳感探頭體積小巧、安全防爆，解決了傳統(tǒng)測(cè)溫方法中傳感裝置存在測(cè)量精度差和易受電磁干擾等問(wèn)題。

（4）電纜溝水位監(jiān)控：安裝在開(kāi)關(guān)站電纜溝內(nèi)的水位監(jiān)控裝置采用新型水位探測(cè)傳感器，傳感器具有檢測(cè)精度高、現(xiàn)場(chǎng)安裝靈活等特點(diǎn)并與水泵進(jìn)行1∶1冗余配置［2］。冗余配置控制方案的電纜溝水位監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠及時(shí)有效地解決電纜溝內(nèi)積水問(wèn)題。

（5）監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)：安裝在開(kāi)關(guān)站內(nèi)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)負(fù)責(zé)收集站內(nèi)各類傳感器檢測(cè)信號(hào)并通過(guò)485總線將數(shù)據(jù)傳送給智能配電終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再由智能配電終端將站內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳給主站監(jiān)測(cè)單元。主站監(jiān)控軟件包含歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理庫(kù)等功能。

1.210 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中環(huán)境監(jiān)控單元包含溫濕度、煙霧等傳感器和空調(diào)、風(fēng)扇等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各類傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)科學(xué)布置在站內(nèi)，傳感器之間、傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)與站內(nèi)監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線方式進(jìn)行通信。人防監(jiān)測(cè)單元主要由門禁技術(shù)、“人體微波”等防盜技術(shù)以及視頻監(jiān)控技術(shù)組成。電纜溫度監(jiān)測(cè)單元由若干個(gè)溫度傳感器組成，高性能溫度傳感器實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量站內(nèi)任意位置的溫度變化。水位監(jiān)控單元由電纜溝的水位探測(cè)器及水泵組成，采用冗余配置控制方案完成自動(dòng)排水的功能。

圖1　10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與實(shí)現(xiàn)

2.1智能配電終端

配電終端是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。配網(wǎng)系統(tǒng)的電力設(shè)施運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別功能、故障隔離以及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)的合/分操作都是由配電終端提供與實(shí)現(xiàn)的［3］。另外，在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中配電終端是連接配電主站與現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備之間信息交互的橋梁。因此，配電終端的智能化水平、穩(wěn)定性以及靈活性決定著配電網(wǎng)的自動(dòng)化水平。本系統(tǒng)采用的智能配電終端具有功能多樣、開(kāi)放性好和可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了目前領(lǐng)先的一體化設(shè)計(jì)思路，解決了傳統(tǒng)配電終端功能單一以及“掛葫蘆式”的安裝方式［4］。智能配電終端的軟硬件的設(shè)計(jì)均采用模塊化的方法，具有功能穩(wěn)定、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、易于擴(kuò)展和維護(hù)的特點(diǎn)。智能配電終端硬件的模塊化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　智能配電終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是目前智能配電終端的典型設(shè)計(jì)方案，其中電源板等主要功能板件與總線之間的連接是通過(guò)插槽實(shí)現(xiàn)的。電源板是智能配電終端的基礎(chǔ)單元，采用多樣化供電模式保證智能配電終端電源輸入的靈活性；同時(shí)電源板還具有電源監(jiān)視與多功能電源管理功能，保障裝置的可靠運(yùn)行。核心板是智能配電終端的關(guān)鍵，核心板采用雙CPU設(shè)計(jì)模式，其中一塊CPU板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理，另一塊則負(fù)責(zé)裝置的通信功能，兩塊CPU之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。遙測(cè)板與遙信板是智能配電終端的基本數(shù)據(jù)采集板，在與被測(cè)開(kāi)關(guān)站測(cè)量線路的接線連接時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)靈活配置各被測(cè)對(duì)象在板件上的接線，最后通過(guò)配置轉(zhuǎn)發(fā)表實(shí)現(xiàn)實(shí)際被測(cè)對(duì)象與點(diǎn)號(hào)的一一對(duì)應(yīng)。遙控板是智能配電終端的業(yè)務(wù)板，通過(guò)對(duì)繼電器的開(kāi)出控制實(shí)現(xiàn)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一切遙控功能（如水泵等）?？蓴U(kuò)展模塊板是為了滿足特殊需求而設(shè)置的，本系統(tǒng)中可擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)各傳感器信號(hào)的收集并將數(shù)據(jù)上傳給核心板。

智能配電終端是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其穩(wěn)定性及兼容性決定著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠程度。智能配電終端收集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)一通信規(guī)約并上傳的方式避免通信鏈路中出現(xiàn)信息“阻塞”，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

2.2溫度監(jiān)測(cè)單元

傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)主要是采用紅外和光纖兩種測(cè)溫方式。其中紅外測(cè)溫裝置是非接觸式測(cè)溫，一旦灰塵將測(cè)溫頭遮住后測(cè)量值就會(huì)急劇變化。因此，在10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)中采用領(lǐng)先的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫探頭與接收裝置物理上的分離，解決了高壓帶電體運(yùn)行時(shí)的高溫對(duì)接收裝置本體造成的影響。另外，測(cè)溫探頭體積小巧以及采用絕緣外殼設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)自由配置測(cè)量點(diǎn)的問(wèn)題。

2.3水位監(jiān)控單元［5］

解決10 kV開(kāi)關(guān)站站內(nèi)積水尤其是電纜溝積水仍然是電力部門管理運(yùn)行的重點(diǎn)，10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)基于先進(jìn)水位探測(cè)器、冗余控制方案以及通信技術(shù)研究一套水位監(jiān)控裝置能及時(shí)有效地解決站內(nèi)積水問(wèn)題。

水位監(jiān)控單元采用領(lǐng)先技術(shù)的光電探頭式水位傳感器，并根據(jù)其特點(diǎn)研究出一套水位監(jiān)控系統(tǒng)冗余控制方案。水位監(jiān)控單元采用I/O的雙配置冗余配置實(shí)現(xiàn)控制方案，其現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖3所示。

圖3　水位監(jiān)控單元安裝示意圖

圖3中水位探測(cè)器采用主從交錯(cuò)的安裝方式以及雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)（水泵）的配置，其中U槽等效成站內(nèi)的電纜溝。冗余控制方案的基本原理是使用高低錯(cuò)位的雙水位探測(cè)方法實(shí)現(xiàn)水位及水位變化率的測(cè)量，如果水位不高或水位變化率不大時(shí)啟動(dòng)主水泵進(jìn)行排水并上送水位值和一般告警信號(hào)；一旦出現(xiàn)水位過(guò)高或者水位變化率過(guò)大時(shí)則同時(shí)啟動(dòng)主從水泵進(jìn)行排水同時(shí)上送水位值和中度告警信號(hào)；若主從水泵同時(shí)開(kāi)啟并且水位探測(cè)器均在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到有水位時(shí)（即水泵不能排除積水的情況），上送重度告警信號(hào)并同時(shí)打開(kāi)音響及時(shí)提醒運(yùn)維人員。冗余控制算法在智能配電終端的主程序中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)可擴(kuò)展模塊發(fā)送給核心板的主從探測(cè)器水位信號(hào)程序計(jì)算出水位變化率值并通過(guò)控制算法解算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)（水泵）輸出信號(hào)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，該水位監(jiān)控單元能夠及時(shí)有效地解決電纜溝內(nèi)積水問(wèn)題。

2.4主站監(jiān)控單元

開(kāi)關(guān)站內(nèi)各傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)智能配電終端匯總處理后由光通信單元ONU設(shè)備上傳主站監(jiān)控單元。主站系統(tǒng)主要由歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備管理等幾個(gè)功能模塊組成。

（1）歷史數(shù)據(jù)主要用于保存監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)記錄。進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)后，通過(guò)查詢按鈕控件可實(shí)現(xiàn)根據(jù)查詢條件查詢出數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史監(jiān)控記錄和操作記錄。例如查詢遙信記錄時(shí)，選擇相應(yīng)查詢條件就可直接查出庫(kù)中的遙信記錄。查詢條件包括遙信類型、遙信狀態(tài)和時(shí)間選擇三種。

（2）設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)站的智能管理與控制，通過(guò)設(shè)備管理按鈕控件可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)傳感器的遠(yuǎn)程維護(hù)，同時(shí)也可以通過(guò)設(shè)備管理對(duì)各個(gè)傳感器檢測(cè)參數(shù)以及檢測(cè)閾值進(jìn)行遠(yuǎn)程配置。

（3）數(shù)據(jù)管理庫(kù)包括開(kāi)關(guān)站日常維護(hù)記錄備份和一般運(yùn)行故障記錄自動(dòng)備份兩個(gè)功能，管理人員通過(guò)日常維護(hù)記錄模塊可以方便地實(shí)現(xiàn)常規(guī)維護(hù)記錄的等級(jí)；一般運(yùn)行故障記錄自動(dòng)備份功能為開(kāi)關(guān)站運(yùn)行情況提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)還為10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)研究人員提供大量的故障數(shù)據(jù)。10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)主站系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)界面如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)運(yùn)行主界面

3　結(jié)論

10 kV開(kāi)關(guān)站智能監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)我國(guó)配網(wǎng)自動(dòng)化的要求，結(jié)合10 kV開(kāi)關(guān)站運(yùn)行管理中存在的安全隱患特點(diǎn)而研究開(kāi)發(fā)的全新系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際投運(yùn)，該系統(tǒng)能夠提高配電電網(wǎng)運(yùn)行管理水平，切實(shí)有效地提高供電可靠性，4同時(shí)提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人化管理。

［1］蔣麗娟.10 kV開(kāi)關(guān)站設(shè)備與運(yùn)行［D］.杭州：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2011.

［2］陳子平.淺談控制系統(tǒng)冗余控制的實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化儀表，2005，26（9）：4-7.

［3］陳愛(ài)明，張文斌，付永長(zhǎng).一體化智能配電終端研制［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（20）：63-65.

［4］叢偉，路慶東，田崇穩(wěn)，等.智能配電終端及其標(biāo)準(zhǔn)化建模［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（10）：6-12.

［5］武樹(shù)云，徐圣春，張瑩.無(wú)人值守變電站電纜溝智能遠(yuǎn)程自動(dòng)排水裝置［P］.中國(guó)，201220626827.X.2013-07-03.

Analysis and realization of intelligent monitoring system for 10 kV switch station

Wang Junren，Zhang Zhihua，Lv Peng，Shao Yunhao

（NARI Technology CO.，LTD.，Nanjing 211106，China）

In urban distribution power network，power is mostly supplied to users directly by 10 kV switch station for intensive load areas.Complicated city functions leads clients looking forward a more reliable and dependable distribution power network. Combining the new features of distribution network with higher standards，this paper has done some research in developing a new smart comprehensive monitor system according to the characteristics of 10 kV switch-station，aiming to realize a stable and efficient distribution power network.

smart switch-station；monitor on-line；water level monitoring；smart power distribution terminal

TM769

A

1674-7720（2015）04-0008-03

（2014-10-21）

王俊仁（1988-），男，碩士研究生，助理調(diào)試工程師，主要研究方向：配網(wǎng)自動(dòng)化研究。E-mail：wangjunren@sgepri. sgcc.com.cn

張志華（1986-），男，本科，初級(jí)工程師，主要研究方向：配網(wǎng)自動(dòng)化研究。E-mail：zhangzhihua@sgepri.sgcc.com.cn

呂鵬（1988-），男，碩士研究生，助理調(diào)試工程師，主要研究方向：配網(wǎng)自動(dòng)化研究。E-mail：lvpeng@sgepri.sgcc.com.cn