郭國太

（廈門電力勘察設(shè)計院有限公司，福建 廈門 361009）

10kV智能開關(guān)站技術(shù)應(yīng)用

郭國太

（廈門電力勘察設(shè)計院有限公司，福建 廈門 361009）

結(jié)合廈門10kV智能開關(guān)站技術(shù)應(yīng)用的實例，分析了10kV智能開關(guān)站的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，介紹了實施10kV智能開關(guān)站的設(shè)計方案，并對10kV智能開關(guān)站技術(shù)應(yīng)用研究工作提出了建議。

10kV智能開關(guān)站；關(guān)鍵技術(shù)；IEC61850；智能管理系統(tǒng)

隨著我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展，城市用電量增長迅猛，配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴大，電力用戶對電力供應(yīng)的可靠性和電力服務(wù)的要求越來越高，對配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性提出更高的要求。傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)和運維管理模式已不滿足電網(wǎng)發(fā)展需要，加快智能配電網(wǎng)的建設(shè)和提升配電網(wǎng)智能化水平，已經(jīng)迫在眉睫。10kV開關(guān)站作為配電網(wǎng)絡(luò)一級站房應(yīng)首率先智能化，智能技術(shù)實現(xiàn)開關(guān)站設(shè)備的狀態(tài)預(yù)估和無人值守，提高開關(guān)站的安全可靠性，提高生產(chǎn)效率降低不良成本。

1 10kV智能開關(guān)站的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 嵌入式無線射頻測溫技術(shù)

測溫模塊采用嵌入式的設(shè)計方式，使得該部分完全裝于觸臂的絕緣層內(nèi)，同時在安裝時采取了隔熱、抗震等措施，使得原有的絕緣距離不受影響，保障了原有的絕緣水平。無線射頻測溫技術(shù)的原理是，通過溫度傳感器的單片微處理器控制將測量設(shè)備溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過無線發(fā)射接收模塊傳遞至接收器，通過微處理器將采集到的溫度信息，然后上傳到后臺顯示。

1.2 Ekey技術(shù)

每個TR測溫模塊均具有全球惟一的ID號，智能監(jiān)控單元能自動搜索各監(jiān)測點的溫度。同時，配合eKey的技術(shù)設(shè)計，為了防止柜間的頻率沖突，使用編碼開關(guān)將相鄰和相近的開關(guān)柜設(shè)置成不同頻段，保證無線信號傳輸正常。

1.3 開關(guān)柜溫度狀態(tài)預(yù)估技術(shù)

智能管理系統(tǒng)可以內(nèi)嵌開關(guān)柜的溫升數(shù)學(xué)建模公式。系統(tǒng)可以根據(jù)保護(hù)或自動化裝置上傳的電流值計算出開關(guān)柜的理論溫升情況，在加上智能監(jiān)控單元上實際測量的開關(guān)室環(huán)境溫度，就可以計算出測溫點的理論計算溫度。再對比智能監(jiān)控單元實際測量的溫度，系統(tǒng)可以判斷出當(dāng)前開關(guān)柜的溫度狀態(tài)情況。這樣的溫度狀態(tài)預(yù)估系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的依照當(dāng)前的運行工況判斷開關(guān)柜的運行狀態(tài)，從而做到開關(guān)柜的狀態(tài)預(yù)估，將開關(guān)柜故障消滅在萌芽狀態(tài)。

1.4 智能程序化一鍵操作技術(shù)

智能操控技術(shù)配合智能管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的一鍵式或全站程序化操作，預(yù)先依據(jù)操作票定義好操作序列，使用遠(yuǎn)方遙控技術(shù)、遙信監(jiān)視技術(shù)、程序分析技術(shù)、系統(tǒng)處理技術(shù)等，將原來由現(xiàn)場復(fù)雜的多個單步操作由遠(yuǎn)方一鍵操作實現(xiàn)。

1.5 IEC 61850/GOOSE弧光保護(hù)技術(shù)

利用 IEC 61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以極小的成本實現(xiàn)電弧故障保護(hù)，大大降低了電弧故障對開關(guān)設(shè)備損傷，并實現(xiàn)了母線保護(hù)的時效性。

2 10kV智能開關(guān)站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

10kV智能開站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按邏輯可分為過程層（設(shè)備層）、間隔層、站控層。過程層包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能設(shè)備、合并單元和智能終端。間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、測控裝置等二次設(shè)備。站控層包含自動化系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

10kV智能開站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按物理可分為智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備。開關(guān)柜的斷路器、斷路器手車（隔離開關(guān)）和接地刀等一次開關(guān)設(shè)備的電動操作技術(shù)是智能開關(guān)站的必要條件，適應(yīng)了無人職守智能開關(guān)站的需求。開關(guān)柜的在線監(jiān)測裝置、智能監(jiān)控單元、多功能微機裝置、智能管理系統(tǒng)是實現(xiàn)開關(guān)站智能化的核心。

3 10kV智能開關(guān)站實例

廈門 10kV保生堂開關(guān)站采用單母線分段接線方式，采用廈門ABB開關(guān)有限公司生產(chǎn)Unigear ZS1型鎧裝式金屬封閉開關(guān)柜，開關(guān)柜配置電動操作的真空斷路器手車和接地刀，與REF620、REF615智能保護(hù)裝置相配合，使用COM600變電站管理系統(tǒng)作為通信網(wǎng)關(guān)和就地管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了整個開關(guān)站的智能化。

3.1 開關(guān)柜智能設(shè)備

Unigear ZS1型鎧裝式金屬封閉開關(guān)柜配備性能優(yōu)良的VD4真空斷路器、在線監(jiān)測裝置和控制保護(hù)單元，如圖1所示。

3.2 COM600管理系統(tǒng)

COM600管理系統(tǒng)，作為通信網(wǎng)關(guān)和就地管理系統(tǒng)，對全站設(shè)備進(jìn)行就地在線監(jiān)測和控制，并作為SNTP網(wǎng)絡(luò)對時服務(wù)器，完成對保護(hù)裝置的同步對時。保護(hù)裝置與COM600系統(tǒng)之間使用網(wǎng)絡(luò)連接方式，并遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，同時為了接入直流屏、電度表等，必須可以支持多種通信協(xié)議（如：Modbus，103等）。COM600與上級調(diào)度系統(tǒng)使用光纖通信方式，采用標(biāo)準(zhǔn)的 IEC 60870-5-104通信規(guī)約。COM600系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 開關(guān)柜斷面圖

圖2 COM600系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.3 開關(guān)柜在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

開關(guān)柜在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，以底層按照 IEC 61850通信協(xié)議開發(fā)的開關(guān)柜管理系統(tǒng)COM600為基礎(chǔ)，以MDC4作為開關(guān)柜狀態(tài)檢測裝置，支持TR溫升實時在線監(jiān)測及判斷；斷路器狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測；斷路器電壽命及機械壽命在線監(jiān)測等的整體解決方案。

1）溫升實時在線監(jiān)測及判斷

在開關(guān)柜一次回路中，對于母排和電纜頭關(guān)鍵搭接部位，以及斷路器觸指與開關(guān)柜靜觸頭插入接觸部位，容易溫度急升高，導(dǎo)致絕緣放電等故障的發(fā)生。因此，在上述部位的測溫，為開關(guān)柜運行工況提供判據(jù)，并在發(fā)熱缺陷初期就發(fā)出預(yù)警，以便進(jìn)行必要的消缺處理。

測溫模塊采用無線射頻測溫技術(shù)嵌入智能觸觸臂內(nèi)，每個 TR測溫模塊具有全球惟一的 ID號，MDC4智能監(jiān)控單元能自動搜索各監(jiān)測點的溫度。同時，配合eKey技術(shù)，既便是在現(xiàn)場更換備用斷路器或智能觸臂，保證歷史數(shù)據(jù)的可追溯及監(jiān)測數(shù)據(jù)的邊續(xù)性。

COM600管理系統(tǒng)會根據(jù)保護(hù)裝置測量實時運行電流，根據(jù)開關(guān)柜的柜型的阻抗值計算出理論運行溫度，做分析計算處理的工作。

2）斷路器狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測

根據(jù)真空斷路器多年的運行經(jīng)驗統(tǒng)計，真空斷路器中的二次元器件（包括儲能電機、分合閘脫扣器等）現(xiàn)場出現(xiàn)的故障率，相對于其他關(guān)鍵部件較高。因此，對斷路器二次器件實時進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，對早期潛在的故障做出診斷。

MDC4智能在線裝置通過霍爾（HALL）電壓和電流傳感器，分別采集儲能電機、分閘線圈、合閘線圈的工作時的電壓電流信號，通過一系列的算法，可以獲得儲能電機的儲能時間和電機電流，根據(jù)顯示出的電壓電流曲線，來判斷被監(jiān)測的二次元器件是否存在潛在的風(fēng)險，圖 3、圖 4為斷路儲能電機在不同狀態(tài)時的電流波形圖。

圖3 齒輪組狀態(tài)良好時電流波形

圖4 齒輪組磨損后電流波形

3）電動手車、電動地刀、儲能電機保護(hù)模塊

MDC4智能在線裝置內(nèi)置對與電動手車、電動地刀、儲能電機保護(hù)模塊。通過對電動手車、電動地刀、儲能電機的實時工作電流監(jiān)視，以達(dá)到保護(hù)作用。當(dāng)手車在運行過程中發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象時，MDC4即會監(jiān)視到電流突變，為了保護(hù)電動手車MDC4會切斷電流并倒轉(zhuǎn)500ms同時發(fā)出報警。

4）IEC 61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

GOOSE是IEC 61850中定義的一種通用變電站事件模型，它以高速網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ)，為整個變電站裝置間的通信提供了快速且高效可靠的方法。通過 GOOSE技術(shù)實現(xiàn)開關(guān)站母線弧光保護(hù)，在進(jìn)線柜與出線均配置保護(hù)裝置 REF620、REF615，在 3個高壓分隔室分別裝設(shè)傳感器檢測電弧信號。采用REF620、REF615裝置自帶的弧光保護(hù)功能，可通過GOOSE以太網(wǎng)實現(xiàn)的母線弧光保護(hù)，GOOSE以太網(wǎng)弧光保護(hù)動作時間：＜23ms，及時消除弧光故障。

3.4 智能程序化一鍵操作

智能操控技術(shù)配合COM600管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的一鍵式或全站程序化操作，大大簡化變電站操作步驟，提高遠(yuǎn)程操作效率，并有效防止誤操作的發(fā)生，保證操作人員安全。

程序化操作分12組命令，即運行轉(zhuǎn)熱備、運行轉(zhuǎn)冷備、運行轉(zhuǎn)檢修、熱備轉(zhuǎn)運行、熱備轉(zhuǎn)冷備、熱備轉(zhuǎn)檢修、冷備轉(zhuǎn)運行、冷備轉(zhuǎn)熱備、冷備轉(zhuǎn)檢修、檢修轉(zhuǎn)運行、檢修轉(zhuǎn)熱備、檢修轉(zhuǎn)冷備。例如：操作員對進(jìn)線柜H902進(jìn)行“運行轉(zhuǎn)檢修”操作時，首先選擇H902柜號按鈕，屏幕右下角將出現(xiàn)H902柜當(dāng)前狀態(tài)，即“運行位”，然后選擇命令組按鈕“運行轉(zhuǎn)檢修”，確認(rèn)無誤后，開始“執(zhí)行”，此時COM600發(fā)“運行轉(zhuǎn)檢修”的遙控命令到H902柜的REF620保護(hù)裝置，保護(hù)裝置即開始“分”斷路器，當(dāng)確定斷路器處于分閘位置后，斷路器手車就開始從工作位移到試驗位，經(jīng)過一定時間后，確定手車到達(dá)試驗位后，接地刀閘開始從斷開位置合上，則結(jié)束本次操作，并將“程序化操作成功”信息反饋到COM600系統(tǒng)。操作程序圖如圖5所示。

多柜程序化和母線程序化是在線路程序化的技術(shù)基礎(chǔ)上，由監(jiān)控主站下發(fā)的對多個開關(guān)柜的程序化操作命令或者整條母線開關(guān)柜的程序化操作命令。COM600系統(tǒng)在接收到監(jiān)控主站下發(fā)的遙控命令后，根據(jù)實際的運行工況進(jìn)行分析判斷，批次處理遙控命令。在執(zhí)行過程中實時監(jiān)視每一步的程序化操作步驟，智能的對于操作過程中的問題進(jìn)行判斷處理，并上報給監(jiān)控人員。多柜程序化和母線程序化可以在最大程度上提升開關(guān)站的智能化程度。

圖5 線路運行轉(zhuǎn)檢操作修流程圖

4 存在問題

廈門配電自動化主站系統(tǒng)采用 DMS1000E系統(tǒng)，主要實現(xiàn)了配電SCADA、饋線自動化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、配電仿真、統(tǒng)計分析等功能，因此，開關(guān)柜在線預(yù)警的信號無法發(fā)送到主站分析處理，主站現(xiàn)只能實現(xiàn)智能程序化一鍵操作及傳統(tǒng)三遙功能。

COM600管理系統(tǒng)可遵循IEC 61850協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但由于廈門配電自動化主站系統(tǒng)的通信協(xié)議采用IEC-60870-5-104，因此，10kV智能開關(guān)站COM600只能實現(xiàn)底層對保護(hù)等裝置采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，與配電自動化主站IEC-60870-5-104協(xié)議，未能真正實現(xiàn)全網(wǎng)采用IEC61850協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

智能開關(guān)站設(shè)備廠家由于自身知識產(chǎn)權(quán)的意志，未能向供電部分或用戶提供在線監(jiān)測數(shù)據(jù)建模及原始數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段僅提供處理后結(jié)果，為今天主站在線監(jiān)測建模分析處理增加困難。

5 結(jié)論

線監(jiān)測預(yù)警、程序化一鍵操作等技術(shù)在 10kV智能開關(guān)站的應(yīng)用，實現(xiàn)對配電設(shè)備可觀、可控。10kV智能開關(guān)站只是智能配電網(wǎng)中一部分，只有對現(xiàn)有配電自動化主站功能和通信協(xié)議升級協(xié)同，才能直正實現(xiàn)對配電網(wǎng)絡(luò)的實時分析和決策、自適應(yīng)和自愈的智能化，滿足未來配電系統(tǒng)集成、互動、自愈、兼容、優(yōu)化的要求。

[1]李瑞生,李燕斌,周逢權(quán).智能變電站功能架構(gòu)及設(shè)計原則[J].許昌: 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(21): 24-27.

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[5]劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)[M].北京: 中國電力出版社,2010.

Technology Application of 10kV Intelligent Switch Station

Guo Guotai
(Xiamen Electric Power Survey and Design Instiute Co.,Ltd,Xiamen,Fujian 361009)

Combined with Xiamen 10kV intelligent switching station examples of application technology,analyzes the intelligent 10kV switching station the key technology and the system structure,introduces the implementation of 10kV intelligent switching station design scheme,and puts forward some suggestions for the application of 10kV intelligent switch station technology.

10kV intelligent switch station; key technology; IEC 61850; intelligent management system

郭國太（1979-），男，工程師，從事電氣設(shè)計、電汽車充電站設(shè)計工作。