國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 王 鑫 李惠庸深圳市泰昂能源科技股份有限公司績溪分公司 崔曉軍 鄧先富

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一種實(shí)現(xiàn)前維護(hù)的智能饋線采集模塊

國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 王 鑫 李惠庸
深圳市泰昂能源科技股份有限公司績溪分公司 崔曉軍 鄧先富

【摘要】隨著國家對(duì)電網(wǎng)智能化變電站及數(shù)據(jù)中心機(jī)房（IDC）建設(shè)的需求，低壓電源供電系統(tǒng)正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化和前維護(hù)方向發(fā)展。目前市場上能實(shí)現(xiàn)前維護(hù)的設(shè)備，都因不同廠家有不同的結(jié)構(gòu)形式，僅是局部功能實(shí)現(xiàn)了前維護(hù)，其通用性不高。為了改變這一現(xiàn)狀，現(xiàn)研發(fā)一種可以實(shí)現(xiàn)前維護(hù)的智能饋線模塊，可實(shí)現(xiàn)饋線回路模塊化預(yù)生產(chǎn)、固定式開關(guān)帶電可在線更換及可調(diào)相功能，回路智能檢測功能完整、可靠，在成本上比同類產(chǎn)品有大幅下降。

【關(guān)鍵詞】前維護(hù)；模塊化；低成本

0　引言

近幾年，隨著電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站的試點(diǎn)和推廣及綠色數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電模塊化的發(fā)展，對(duì)低壓交直流電源系統(tǒng)的操作、維護(hù)、接線提出更高要求。要求柜前正面操作進(jìn)線和出線斷路器、ATS開關(guān)、防雷器開關(guān)、采樣熔斷器保險(xiǎn)、電流電壓信號(hào)端子等元件，柜前正面更換維護(hù)易損件，如防雷器開關(guān)和饋線開關(guān)、熔斷器保險(xiǎn)等。二次電源柜和數(shù)據(jù)機(jī)房列頭柜要解決以下問題：（1）采用可在線更換開關(guān)方式的精密配電柜支路數(shù)據(jù)采集和處理部分難以維護(hù)的問題；（2）采用普通開關(guān)配電柜無法實(shí)現(xiàn)支路開關(guān)可在線更換功能的問題；（4）用戶需求大同小異，主要是回路數(shù)和開關(guān)選擇不同，導(dǎo)致無法規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊的問題。通常國內(nèi)企業(yè)解決以上問題，大部分采用ABB插拔式微斷開關(guān)或維納爾可在線更換方案，與競爭對(duì)手相比較沒有明顯優(yōu)勢。筆者基于對(duì)終端配電的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)開發(fā)新的可實(shí)現(xiàn)前維護(hù)的智能模塊化單元。該產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)核心組件模塊化生產(chǎn)、固定式開關(guān)帶電可在線更換及可調(diào)相、監(jiān)控部分完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以完全取代進(jìn)口或合資同類產(chǎn)品。

1　饋線采集模塊前維護(hù)方法

為了保證變電站的正常平穩(wěn)運(yùn)行，變電站的饋線柜中一般會(huì)安裝饋線采集模塊來檢索各饋線回路的狀態(tài)。現(xiàn)有的常規(guī)饋線采集模塊，通常安裝在柜內(nèi)上部，以采集饋線柜中對(duì)應(yīng)饋線回路的斷路器（OF/SD）、漏電流等信息。其采集方式主要是通過二次電纜將饋線回路連接到饋線采集模塊，以便饋線采集模塊采集相關(guān)信息。由于變電站饋線柜中設(shè)置的饋線回路數(shù)較多，且在柜子中分布安裝，而需要使用二次線纜將各饋線回路分別連接至饋線采集模塊，因而會(huì)存在一系列的問題：

（1）常規(guī)的饋線采集模塊在電氣聯(lián)接上，饋線采集模塊為二次電纜的一個(gè)總結(jié)點(diǎn)，為保證二次電纜走線順暢，常規(guī)饋線采集模塊占用獨(dú)立空間，會(huì)造成饋線柜內(nèi)空間緊張，同時(shí)二次電纜走線距離較長，難以將饋線采集模塊上的元器件在饋線柜的前端進(jìn)行直接拆換維護(hù)，維修不便。

（2）由于饋線采集模塊安裝在饋線柜頂部，而饋線回路在饋線柜中分布安裝，導(dǎo)致兩者之間的二次電纜（數(shù)量為幾十根）長度都不相同，非常復(fù)雜冗繁，造成安裝時(shí)二次電纜的連接走線和固定十分繁瑣，接線時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，后續(xù)維護(hù)檢修也十分不方便。

（3）常規(guī)饋線采集模塊上饋線指示燈更換維護(hù)時(shí)，需要先松開饋線柜中斷路器（開關(guān)）的出線端子，這樣勢必要先將負(fù)載斷電后，才可進(jìn)行接線，從而影響負(fù)載的運(yùn)行。

（4）常規(guī)饋線采集模塊上饋線指示燈是通過旋緊固定圈，將指示燈卡在饋線柜（箱）體的面板或支架的對(duì)應(yīng)開孔上，這樣指示燈的安裝固定要求占用較大的獨(dú)立空間。

使饋線采集模塊實(shí)現(xiàn)前維護(hù)的方法主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改變，采集模塊裝置包括呈長條狀設(shè)置的主板、保護(hù)主板的保護(hù)罩和若干用于采集并指示變電站饋線柜中各饋線回路狀態(tài)信息的指示模塊，若干所述指示模塊沿主板長度方向依次設(shè)置，且各所述指示模塊可插拔安裝于主板上，主板上對(duì)應(yīng)于各所述饋線回路的位置設(shè)有連接端口，保護(hù)罩上對(duì)應(yīng)于連接端口的位置開設(shè)有露出該連接端口的開口，保護(hù)罩上對(duì)應(yīng)于各指示模塊的位置開設(shè)有開孔。

通過在主板上設(shè)置與變電站饋線柜中各饋線回路位置相對(duì)就的連接端口，饋線采集模塊在安裝時(shí)，可以直接固定在變電站饋線柜的各組饋線回路的側(cè)邊，在使用二次電纜將各連接端口與相應(yīng)的饋線回路連接時(shí)，可以使各二次電纜的長度相同或相近，同時(shí)也方便走線與連接，占用空間??；并且設(shè)置可插拔的指示模塊來采集并指示各饋線回路的狀態(tài)信息，在維護(hù)時(shí)，可以直接從變電站饋線柜的前端將指示模塊插拔更換，實(shí)現(xiàn)前維護(hù)，維護(hù)方便，也不會(huì)影響負(fù)載運(yùn)行，而指示模塊可插拔安裝在主板上，無需單獨(dú)安排安裝空間，占用空間小。

2　饋線模塊簡述

2.1結(jié)構(gòu)組件

單個(gè)饋線模塊由級(jí)聯(lián)底座（底座），進(jìn)線單元、出線單元、采集單元及斷路器組成。級(jí)聯(lián)底座包含底座、匯流排、通訊板；進(jìn)線單元包括可調(diào)相進(jìn)線接插件、可拔插調(diào)相部分、導(dǎo)向柱、相序顯示區(qū)域、固定卡扣；出線單元包括出線端口、傳感器、指示燈及標(biāo)牌；采集單元包括IPM-S采集單元、SD/OF采集接口，各部分的分解示意見下圖1和圖2。級(jí)聯(lián)底座主要功能是接受電能、提供采集單元電源及數(shù)椐傳輸作用；進(jìn)線單元主要功能是支路電源的接入、支路換相及相序顯示；出線單元主要功能分配電能，實(shí)現(xiàn)支路電流的采集、開關(guān)狀態(tài)指示、斷路器狀態(tài)信號(hào)的接入等作用；采集單元的作用是采集回路的狀態(tài)量和模擬量實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

圖1

圖2

2.2智能組件

智能組件即為采集單元，是智能饋線模塊的運(yùn)算中心，承擔(dān)支路饋線的各種電參量采集工作。出線采集組件包括采集電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、溫度數(shù)據(jù)的模塊，設(shè)有用戶接線端口；采集監(jiān)控模塊包括計(jì)算電流、電壓、電度、有功無功、功率因數(shù)、諧波數(shù)據(jù)的模塊，設(shè)有對(duì)外提供通訊接口。并通過底座的通訊底板和后臺(tái)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。智能組件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了饋線支路的智能化管理，對(duì)供電電源的安全、可靠、穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行提供了良好的基礎(chǔ)。

2.3實(shí)現(xiàn)柜前操作

進(jìn)線、出線、采集單元及開關(guān)本體均為級(jí)聯(lián)底座板前接線，各單元之間實(shí)現(xiàn)相互的機(jī)械連接組成一個(gè)本體模塊，模塊又通過卡接的方式和級(jí)聯(lián)底座相連，這樣，整個(gè)前維護(hù)智能饋線模塊具有不同功能區(qū)域，各區(qū)域之間相互做機(jī)械連接，同時(shí)各功能區(qū)域具有獨(dú)立更換、獨(dú)立生產(chǎn)功能。所有通訊線都采用底座級(jí)聯(lián)方式，對(duì)外看不到任何通訊線纜，工藝美觀且提高安全性能。整個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)安裝、接線、操作、維護(hù)和檢修都在柜前進(jìn)行，適用于各種靠墻安裝的交直流電源饋線開關(guān)設(shè)備。

3　前維護(hù)智能饋線模塊在電源系統(tǒng)中的功能

前維護(hù)智能饋線模塊應(yīng)用于變電站交直流電源系統(tǒng)，各模塊和上位機(jī)進(jìn)行通訊，由上位機(jī)進(jìn)行管理，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

3.1健康狀況分析功能

檢查各開關(guān)負(fù)荷電流、電壓、功率因數(shù)、母線頻率、溫度等數(shù)值的變化狀況，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)做綜合診斷分析，分析系統(tǒng)的健康度，判斷系統(tǒng)是否存在隱患。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電量參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，通過報(bào)表或者實(shí)時(shí)曲線的方式記錄電壓、電流、頻率等參數(shù)的波動(dòng)范圍，實(shí)時(shí)監(jiān)測電能質(zhì)量，當(dāng)電壓、電流波動(dòng)變化教大，觸摸屏進(jìn)行預(yù)警提示，比如：標(biāo)準(zhǔn)相電壓為220V，允許波動(dòng)范圍為±5V，若A相實(shí)際電壓為223V左右時(shí)提出預(yù)警，“1#支路A相電壓波動(dòng)范圍過大”。

示意圖：

3.2事故預(yù)警、告警

（1）事故告警：回路欠壓、過壓、失電、開關(guān)跳閘、防雷故障、變壓器溫升等信息進(jìn)行告警。

（2）負(fù)荷預(yù)警：設(shè)定重要負(fù)荷的定值范圍，對(duì)超過范圍的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警。

（3）負(fù)荷平衡度檢測：系統(tǒng)具有相間負(fù)荷不平衡預(yù)警功能：根據(jù)饋線負(fù)荷的大小，對(duì)相間負(fù)荷不平衡進(jìn)行預(yù)警，并給出調(diào)相建議。

（4）系統(tǒng)具有支路諧波檢測功能：可對(duì)重要負(fù)荷進(jìn)行諧波檢測并進(jìn)行預(yù)警。

（5）負(fù)荷管理功能：設(shè)定重要負(fù)荷的定值范圍，對(duì)超過范圍的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警。

（6）故障錄波功能：事故追憶、事故反演等。（7）系統(tǒng)可選短信告警功能。

3.3專家診斷功能

（1）具備故障分析功能，分析故障的關(guān)聯(lián)性。

相關(guān)故障開關(guān)的級(jí)差配合分析，提出維護(hù)建議。如：監(jiān)測到上下級(jí)開關(guān)同時(shí)跳閘，提示兩級(jí)開關(guān)之間存在選擇性問題，給出解決措施：調(diào)整脫扣電流或短路延時(shí)定值。

（2）開關(guān)容量關(guān)聯(lián)調(diào)整。

將開關(guān)容量與柜內(nèi)溫度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，溫度超過40度時(shí)，自動(dòng)調(diào)整開關(guān)容量。

3.4能耗管理（綠色節(jié)能）

（1）能耗分析

檢測各個(gè)回路的能耗，并能按日、月、年生成能耗報(bào)表及實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線，分析回路能耗，對(duì)能耗異常進(jìn)行提示。

（2）系統(tǒng)具有節(jié)能調(diào)相及自動(dòng)識(shí)別相序功能

監(jiān)測母線各相負(fù)荷大小，通過對(duì)比三相負(fù)荷之間的實(shí)際負(fù)荷，對(duì)比出相間不平衡度，達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)提出相負(fù)荷不平衡預(yù)警，并相應(yīng)的作出調(diào)整相位的操作建議。

3.5數(shù)據(jù)管理

（1）可以導(dǎo)出系統(tǒng)運(yùn)行狀況報(bào)表，如日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表等。

（2）曲線報(bào)表。

（3）系統(tǒng)具有自動(dòng)匯總輸出用戶要求的曲線、報(bào)表功能：系統(tǒng)能夠根據(jù)饋線的負(fù)荷電流、電壓、零地電壓、電度等輸出趨勢圖。

3.6運(yùn)行維護(hù)管理

（1）巡檢管理

設(shè)備到巡檢期時(shí)，提示用戶聯(lián)系供應(yīng)商進(jìn)行巡檢。

（2）壽命管理

系統(tǒng)具有元器件壽命管理功能：開關(guān)等元器件使用壽命及分合次數(shù)管理，對(duì)超過使用壽命的元件進(jìn)行預(yù)警。通過對(duì)開關(guān)OF或SD狀態(tài)的監(jiān)測，計(jì)算出開關(guān)的分合次數(shù)以及開關(guān)工作運(yùn)行的時(shí)間，然后根據(jù)塑殼開關(guān)、微斷開關(guān)最大使用年限及最大分合次數(shù)的設(shè)置值進(jìn)行比較，（必須有相關(guān)依據(jù)，參考相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定）比如：1#開關(guān)的使用年限最大為8年，從1#開關(guān)合閘工作開始計(jì)算，7年6個(gè)月的時(shí)候觸摸屏預(yù)警提示“1#開關(guān)使用7年6個(gè)月，使用壽命接近最大極限，請(qǐng)進(jìn)行維護(hù)……”。

（3）值班管理

系統(tǒng)設(shè)置權(quán)限級(jí)別管理，并對(duì)生產(chǎn)交接班進(jìn)行管理。

3.7兼容多種通訊協(xié)議

系統(tǒng)支持多種通信協(xié)議，如RS485的MODBUS、TCP/IP、SNMP等；

SNMP協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖：

4　經(jīng)濟(jì)價(jià)值成本分析

以下以某項(xiàng)目饋線前維護(hù)模塊作為分析對(duì)象。

項(xiàng)目柜體成本構(gòu)成（直流饋線模塊舉例說明）饋線支路開關(guān)　漏電流霍爾　指示燈　一次線　二次線常規(guī)結(jié)構(gòu)　48回　48只　48只　340米　200米前維護(hù)模塊結(jié)構(gòu)　60回　60只　采用LED燈　160米　80米成本降低　860　200　384　460　 240成本降低率　15%　4%　200%　42%　60%

以常規(guī)項(xiàng)目柜體結(jié)構(gòu)與前維護(hù)模塊柜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，每面屏支路數(shù)量可以多安裝12回饋線，減少屏柜數(shù)量；每個(gè)支路指示燈采用LED燈代替，60回指示燈的成本直接節(jié)約下來；減少屏柜內(nèi)一次和二次走線，一次線和二次線的長度明顯縮短，制造成本和人工工時(shí)也能減少。

5　結(jié)論

目前市場上適用于單極斷路器前維護(hù)，可在線更換、可調(diào)相的智能饋線模塊，使用ABB SMISSLINE方案成本較高，而APC 3P模塊不能調(diào)相，采用維納爾方案實(shí)現(xiàn)調(diào)相功能，但維納爾方案沒有實(shí)現(xiàn)模塊化，二次線工藝復(fù)雜。該前維護(hù)智能饋線模塊，完全可以代替同類國外進(jìn)口產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，尤其是變電站交直流電源屏、數(shù)據(jù)機(jī)房交直流電源屏、控制柜、配電柜、配電箱等電力配電領(lǐng)域。為各類設(shè)備提供電力分配及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行能源有效管理，確保供電質(zhì)量和合理用電。

參考文獻(xiàn)

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