李偉杰++魏合宇++張連斌++張坤強(qiáng)

摘 要：隨著電力工業(yè)發(fā)展，電力電子、網(wǎng)絡(luò)通信及人工智能技術(shù)等高新技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越深入，在智能變電站的發(fā)展建設(shè)中起著重要的作用，近來(lái)國(guó)內(nèi)外在智能電站建設(shè)理論與實(shí)踐方面做了大量嘗試，為建立更為先進(jìn)的變電站打下了基礎(chǔ)。本文就35kV預(yù)制艙式變電站技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用方面進(jìn)行闡述，所述諸類(lèi)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用體現(xiàn)了人性化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)以及智慧、高效、綠色的電網(wǎng)建設(shè)理念。

關(guān)鍵詞：35kV預(yù)制艙式變電站；云監(jiān)護(hù)平臺(tái)；專(zhuān)家診斷；人工智能；故障預(yù)判；在線式核對(duì)充放電；IEC61850；技術(shù)改進(jìn)；創(chuàng)新；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）03-0169-02

1 概述

35kV預(yù)制艙式智能變電站典型設(shè)計(jì)由35kV預(yù)制艙、變壓器預(yù)制艙、10kV預(yù)制艙和綜合控制預(yù)制艙構(gòu)成，35kV線纜作為進(jìn)線，10kV線纜作為出線。35kV預(yù)制艙內(nèi)主要由35kV開(kāi)關(guān)柜構(gòu)成，柜內(nèi)集35kV萬(wàn)能斷路器、35kV萬(wàn)能隔離開(kāi)關(guān)、PT、CT、氧化鋅避雷器以及綜保裝置等設(shè)備于一體；主變壓艙體內(nèi)由智能變壓器和排熱裝置等裝置組成；10kV預(yù)制艙內(nèi)由無(wú)功補(bǔ)償裝置、10kV開(kāi)關(guān)柜以及直流屏等系統(tǒng)構(gòu)成；綜合控制預(yù)制艙由遠(yuǎn)動(dòng)、綜自、通信等構(gòu)成。

預(yù)制艙式智能變電站是在不降低穩(wěn)定運(yùn)行可靠性的條件下利用先進(jìn)技術(shù)將智能一、二次設(shè)備、配套設(shè)施與基建進(jìn)行智能化、小型化、緊湊化及經(jīng)濟(jì)化的有機(jī)一體設(shè)計(jì)，預(yù)裝于幾個(gè)艙體內(nèi)，它是傳統(tǒng)箱變的發(fā)展方向，同時(shí)也是傳統(tǒng)配網(wǎng)電站的改進(jìn)方向。箱式變電站主要集中在10kV及以下的配電網(wǎng)，預(yù)制艙式智能變電站主要是35kV及以上電網(wǎng)，與常規(guī)站比，具有投運(yùn)時(shí)間快、占地少、免維護(hù)程度高、外觀與環(huán)境協(xié)調(diào)、可深入負(fù)荷中心等特點(diǎn)，但是就目前個(gè)別地區(qū)已研制投運(yùn)的預(yù)裝站來(lái)看都存在諸多的不足與技術(shù)提升空間，如：占地面積20%左右縮減效果不夠顯著；艙體空間小、擴(kuò)建時(shí)電氣距離等問(wèn)題導(dǎo)致增加設(shè)備時(shí)艙體需停電進(jìn)行；艙體正下方半地下電纜層配套的基礎(chǔ)設(shè)施投資增較大；艙體為全封閉無(wú)開(kāi)窗采光設(shè)計(jì)無(wú)論白晝或夜晚均需單獨(dú)照明；艙內(nèi)環(huán)境溫濕度控制耗能管理粗獷，輔助系配置不夠完善，尤其在運(yùn)維人員對(duì)電站的監(jiān)護(hù)工作方面的技術(shù)支撐有待進(jìn)一步提升。[1-2]

2 創(chuàng)新與應(yīng)用

2.1 預(yù)制艙式變電站綜合布線的改進(jìn)

取消常規(guī)預(yù)制艙式變電站艙體正下方2m高半地下電纜層與艙體底板人孔，取而代之在艙體兩邊外側(cè)設(shè)電纜溝，節(jié)省建筑投資同時(shí)避免運(yùn)行人員在半地下電纜層內(nèi)不易逃生的安全隱患；在艙體本體底座內(nèi)設(shè)200mm高電纜夾層，艙內(nèi)二次電纜在本體夾層內(nèi)敷設(shè)，各柜體間聯(lián)絡(luò)電纜從柜底座電纜層進(jìn)入電纜溝；使艙體內(nèi)二次電纜可提前在工廠內(nèi)敷設(shè)完成，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量，進(jìn)一步提升變電站建設(shè)效率。

2.2 光導(dǎo)照明系統(tǒng)應(yīng)用

預(yù)制艙體內(nèi)為滿(mǎn)足溫濕度、消防等環(huán)境要求，加上預(yù)制艙墻體結(jié)構(gòu)材料的特殊性及厚度較薄，在制造過(guò)程中制作工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)在艙體上開(kāi)窗，因此即使是白天，艙體內(nèi)也是一片漆黑，運(yùn)行人員進(jìn)入艙體時(shí)，只能啟動(dòng)交流照明系統(tǒng)來(lái)解決艙內(nèi)照明問(wèn)題。對(duì)此不足提出了新的解決方案，采用新型光導(dǎo)照明技術(shù)，系統(tǒng)主要由采光器件、導(dǎo)光柱、導(dǎo)光片、漫射器件等幾部分組成，系統(tǒng)直接利用太陽(yáng)光照，不同于太陽(yáng)能熱水器、光伏發(fā)電等光電-電光轉(zhuǎn)換再使用，只要是白天既可通過(guò)安置在預(yù)制艙艙頂?shù)墓鈱?dǎo)照明系統(tǒng)解決自然采光的問(wèn)題，艙外自然光導(dǎo)入艙體內(nèi)使艙體內(nèi)外一樣明亮。相較于常規(guī)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加節(jié)能環(huán)保，符合電網(wǎng)建設(shè)綠色發(fā)展方向，在預(yù)制艙式變電站中具有廣闊的推廣前景。

2.3 恒溫恒濕系統(tǒng)的應(yīng)用

預(yù)制艙式變電站艙體內(nèi)空間狹窄封閉，自然通風(fēng)降溫困難，常規(guī)的通風(fēng)降溫設(shè)計(jì)采用大功率風(fēng)機(jī)及大功率制冷空調(diào)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法智能精確控制運(yùn)行環(huán)境且耗能大。因此在預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置智能新風(fēng)節(jié)能裝置及機(jī)房用精密空調(diào)進(jìn)行通風(fēng)降溫，新風(fēng)和空調(diào)構(gòu)成聯(lián)動(dòng)聯(lián)控系統(tǒng)：當(dāng)艙體外溫、濕度滿(mǎn)足設(shè)定條件，同時(shí)艙內(nèi)溫、濕度達(dá)到新風(fēng)開(kāi)啟閾值時(shí)，新風(fēng)裝置啟動(dòng)高效排熱操作；當(dāng)新風(fēng)排熱效率較低的時(shí)候即艙內(nèi)溫度持續(xù)上升并升至空調(diào)開(kāi)啟點(diǎn)，則投入外部空調(diào)運(yùn)行，新風(fēng)裝置停止運(yùn)行。機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)在炎夏溫度較高時(shí)連續(xù)工作，根據(jù)設(shè)定的閾值，可以將艙體內(nèi)溫濕度控制在1℃上下浮動(dòng)以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)艙體內(nèi)恒定溫濕度，保證了所有電氣設(shè)備的工作環(huán)境正常。本動(dòng)力環(huán)境系統(tǒng)智能高效節(jié)能邏輯，一般可以節(jié)能25～80%。[3-4]

2.4 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

為進(jìn)一步減少預(yù)制艙式智能變電站的接線施工量、降低整體成本及其占用面積，適當(dāng)引入無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。節(jié)點(diǎn)采用采用低功耗無(wú)線傳感器結(jié)合領(lǐng)先領(lǐng)先企業(yè)國(guó)電光宇自主研發(fā)的監(jiān)護(hù)云平臺(tái)系統(tǒng)，借助云平臺(tái)超低功耗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，使無(wú)線傳感器平均工作電流降低到4.5mA超低功耗水平，根據(jù)變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理要求，經(jīng)分析比較測(cè)算，可達(dá)到預(yù)期10年壽命的技術(shù)指標(biāo)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式為無(wú)線，信號(hào)在傳輸方面存在不穩(wěn)定性，傳輸質(zhì)量比光纖傳輸要差很多，同時(shí)由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在時(shí)延方面包括空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延、編解碼以及modem的時(shí)延，同等傳輸距離下要比網(wǎng)線或光纖傳輸時(shí)間長(zhǎng)，因此用于保護(hù)方面的測(cè)量控制量目前不適于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，但是在智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)方面，絕大多數(shù)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)都可以放在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)上完成傳輸。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及應(yīng)用數(shù)據(jù)可以直接建立在該協(xié)議之上，不增加網(wǎng)絡(luò)傳輸層，這樣可以減少控制的環(huán)節(jié)、增大數(shù)據(jù)吞吐量減少無(wú)線傳輸時(shí)延。35kV預(yù)制艙式智能變電站艙體的長(zhǎng)度一般不大于20m，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)該通信距離很短，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)不需太復(fù)雜，一般兩層即可，無(wú)需進(jìn)行無(wú)線路由的中繼，第一層只設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即中心節(jié)點(diǎn)，完成網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)以及與遠(yuǎn)方通信管理機(jī)的通信，第二層設(shè)有多個(gè)終端單元，每個(gè)終端單元完成一個(gè)或多個(gè)傳感數(shù)據(jù)的采集與傳輸。協(xié)議數(shù)據(jù)采用2.4GHz免許可頻段作為無(wú)線通信信道。中心單元布置在綜控艙內(nèi)，終端單元緊靠需要采集數(shù)據(jù)信息的設(shè)備布置。[5-7]

2.5 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系在預(yù)制艙式變電站全面應(yīng)用

預(yù)制式35KV智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)依照變電站無(wú)人值守要求設(shè)計(jì)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一采用變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，與站內(nèi)綜保系統(tǒng)和遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃建模、統(tǒng)一組網(wǎng)、數(shù)據(jù)高度復(fù)用，實(shí)現(xiàn)站控層、間隔層和過(guò)程層三層兩網(wǎng)設(shè)備互操作。變電站內(nèi)數(shù)據(jù)具有共享和唯一性，保護(hù)動(dòng)作信息、遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)不重復(fù)采集。實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站可靠、完善、合理的檢測(cè)控制、四遙信號(hào)的遠(yuǎn)動(dòng)和SNTP GPS對(duì)時(shí)能力以及與遠(yuǎn)方調(diào)度中心信息交換的能力。[8]

2.6 智能自動(dòng)巡檢系統(tǒng)

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司變電站管理規(guī)定》、《無(wú)人值守電站管理規(guī)范（試行）》的意見(jiàn)和要求，各網(wǎng)省公司制定了運(yùn)維站巡視管理規(guī)定，但無(wú)人值班站人工巡檢及時(shí)性、可靠性差，巡視與記錄效率低下，部分地區(qū)試投放機(jī)器人巡檢，但運(yùn)用在露天作業(yè)實(shí)際運(yùn)行效果并不理想，出錯(cuò)概率大，技術(shù)不夠成熟。針對(duì)預(yù)制艙式變電站，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的就地自動(dòng)智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)多種類(lèi)型的信息進(jìn)行廣泛、深入融合，通過(guò)電子圍欄、墻體震動(dòng)傳感器、視頻監(jiān)控信息的感知與融合，實(shí)現(xiàn)高可信的無(wú)虛警、無(wú)漏警安防報(bào)警；通過(guò)感知與融合視頻監(jiān)控信息、紅外熱成像信息和煙感信息，實(shí)現(xiàn)高可信的消防報(bào)警；通過(guò)感知與融合比對(duì)同一設(shè)備不同相位、同類(lèi)設(shè)備之間的溫度差異，以及環(huán)境溫濕度信息，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的設(shè)備故障告警；通過(guò)感知與融合水浸、水位、環(huán)境溫濕度和視頻監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)高可信的變電站環(huán)境狀態(tài)告警。

2.7 基于專(zhuān)家診斷和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)判算法的無(wú)線監(jiān)護(hù)單元系統(tǒng)

該系統(tǒng)將常規(guī)變電站各自獨(dú)立的輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，通過(guò)IEC61850通信規(guī)約轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合智能化管理平臺(tái)，與設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一起構(gòu)成了變電站智能巡檢系統(tǒng)，具有自由擴(kuò)展性，可以自由覆蓋任意廠家的任意類(lèi)型智能設(shè)備，可免去人工或機(jī)器人的常規(guī)巡檢任務(wù)，遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心可利用云監(jiān)護(hù)平臺(tái)實(shí)時(shí)掌控站內(nèi)設(shè)備和輔助系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有綜自系統(tǒng)與動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)功能覆蓋的不足和對(duì)一線運(yùn)維人員需求的針對(duì)性不強(qiáng)等問(wèn)題。同時(shí)該系統(tǒng)具備專(zhuān)家診斷人工智能算法，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)做深入學(xué)習(xí)與診斷，做到系統(tǒng)運(yùn)行狀況的預(yù)判，并會(huì)自動(dòng)把定位的異常點(diǎn)以短信等方式發(fā)送給相關(guān)運(yùn)維及管理人員移動(dòng)終端上。這是在目前以狀態(tài)檢修為主的運(yùn)維模式下的一次質(zhì)的提升。

2.8 蓄電池組在線核對(duì)充放電單元系統(tǒng)

目前無(wú)論是常規(guī)變電站還自動(dòng)化變電站亦或是無(wú)人值守智能預(yù)制艙式變電站目前都未解決的一個(gè)問(wèn)題就是蓄電池組的日常自動(dòng)維護(hù)，雖然蓄電池普遍采用的是免維護(hù)型，但這里的免維護(hù)并不是指的完全意義上的不維護(hù)，國(guó)網(wǎng)最新相關(guān)規(guī)定：新安裝的閥控式蓄電池組在驗(yàn)收時(shí)應(yīng)進(jìn)行核對(duì)性放電，以后每?jī)赡赀M(jìn)行一次核對(duì)性放電，運(yùn)行了四年以后的閥控式蓄電池組，應(yīng)每年進(jìn)行一次核對(duì)性放電。但是該政策的執(zhí)行也存在著很大的難度，如：（1）蓄電池組核對(duì)性充放電試驗(yàn)耗費(fèi)大量人力資源，現(xiàn)在普遍采用人工操作，運(yùn)維成本較大。（2）蓄電池內(nèi)阻及運(yùn)行工況不能實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)挝?，日常巡檢中缺乏有效檢測(cè)手段，易造成直流電源故障。（3）根據(jù)DL/T724-2000及大部分地方政策均規(guī)定，對(duì)于只有一組蓄電池組的變電站，不能退出運(yùn)行，也不能做全核對(duì)性放電，只能用I10恒流放出額定容量的50%，但規(guī)程并沒(méi)有對(duì)50%容量測(cè)試的操作作出具體說(shuō)明。導(dǎo)致大部分放電操作人員要么大量接線外加一組蓄電池放電，要么按0.1C10電流放5小時(shí)。對(duì)此一些電源企業(yè)研制了具備內(nèi)阻測(cè)的全在線自動(dòng)核對(duì)充放電系統(tǒng)，該系統(tǒng)摒棄了常規(guī)人工利用離線放電儀經(jīng)放電電阻以熱能的方式將能量泄放到周?chē)h(huán)境中做法，而是采用有源逆變技術(shù)，放電過(guò)程中電池組不脫離系統(tǒng)同時(shí)泄放的能量回饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的同時(shí)避免了散發(fā)熱量影響到周?chē)O(shè)備的正常運(yùn)行。目前該技術(shù)較為成熟領(lǐng)先的企業(yè)國(guó)電光宇已將該系統(tǒng)投用到塔拉等750kV超高壓級(jí)電站，同時(shí)該技術(shù)也獲得了開(kāi)普實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證、國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的證書(shū)以及北京市科委高新成果轉(zhuǎn)化上榜產(chǎn)品并且該技術(shù)已在除電站之外的通信基站、服務(wù)器機(jī)房等領(lǐng)域也進(jìn)入快速推廣應(yīng)用階段。[9-10]

3 結(jié)語(yǔ)

以上綜述了預(yù)制艙式變電站現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案現(xiàn)狀，以及提供了在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與新技術(shù)應(yīng)用提升預(yù)制艙式變電站智能化水平的思路，除此之外，從互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源的角度出發(fā)，還有很多的創(chuàng)新點(diǎn)可以去思考，大量新技術(shù)的應(yīng)用必將推動(dòng)我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)向著更加智慧、高效、綠色方向邁進(jìn)。

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