黃嘉健++李鑫+馬春生+王朝明

摘 要：作為用戶供電的電源點，配電變壓器的測控、保護、電能質(zhì)量監(jiān)測有著非常關(guān)鍵的作用，而配變無功電壓協(xié)調(diào)控制則是改變當(dāng)前配網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)能力匱乏，低電壓情況嚴(yán)重的關(guān)鍵。但從目前的狀況來看，盡管有不少配電變壓器已經(jīng)安裝了TTU設(shè)備，但少有在測控、保護、電能質(zhì)量監(jiān)測功能完備的，且各設(shè)備采用的建設(shè)路線，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，相互之間無法進(jìn)行有效的銜接。對配變無功電壓協(xié)調(diào)控制則通常采用另建裝置的方式實現(xiàn)，造成配變下設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜，不利于智能配電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)建設(shè)。本文建立配電終端統(tǒng)一模型，設(shè)計配電變壓器在線監(jiān)測和運維管理全套方案，用于解決當(dāng)前配電變壓器的保護、監(jiān)測、協(xié)調(diào)控制等問題。

關(guān)鍵詞：配電變壓器；在線監(jiān)測；狀態(tài)檢修；故障診斷

中圖分類號：TM421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0176-03

1 引言

隨著我國農(nóng)村配電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，尤其是農(nóng)村電網(wǎng)的改造使得配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，極大的促進(jìn)了經(jīng)濟社會的發(fā)展。但是農(nóng)村配電設(shè)備比較落后，且功能比較單一，配變保護設(shè)備老舊情況嚴(yán)重。目前，配變一般配備了剩余電流保護，短路保護，主要由熔斷器和刀熔開關(guān)組成，不能為配電變壓器及低壓臺區(qū)提供全面有效的保護。本文將針對以上局限性，結(jié)合廣東電網(wǎng)的實際情況，研究最合適的通訊方式，實現(xiàn)配電臺區(qū)采集、存儲、監(jiān)視、控制等，構(gòu)建一套費用合理、技術(shù)完善、安全可靠性高、容易推廣的通訊方案。

2 配電變壓器智能化國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 智能化配電網(wǎng)終端技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對城市和密集負(fù)荷區(qū)主要研究和解決的問題：（1）提高可靠性和電能質(zhì)量；（2）降低運行費用；（3）研究配電網(wǎng)與分布電源的一體化；（4）研究配電網(wǎng)與用戶側(cè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)；（5）縮短停電恢復(fù)時間；（6）為用戶提供更多的用電選擇。

項目涉及內(nèi)容有：（1）設(shè)計新的智能電子設(shè)備（IED）；（2）研究低成本多功能的靜態(tài)開關(guān)設(shè)備；（3）研究傳感器和監(jiān)視系統(tǒng)；（4）研究故障預(yù)測等。

美加大停電之后，美國計劃在10～20年內(nèi)完成智能配電網(wǎng)工程IDG（Intelli-D-Grid）。智能化配電網(wǎng)（Intelli-D-Grid）將自動完成：網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；電壓與無功控制；故障定位和隔離；繼電保護再整定（RPR） 等功能；完成智能化電網(wǎng)的建立：數(shù)字化變電站、分布發(fā)電技術(shù)、電力電子技術(shù)與配電網(wǎng)互聯(lián)、燃料源與儲能、匹配的電力網(wǎng)絡(luò)、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、超級電容器、磁材料和絕緣子、儲能系統(tǒng)、低成本的智能傳感器的應(yīng)用，借助網(wǎng)絡(luò)通信、GPS同步對時構(gòu)成完整的智能化配電網(wǎng)。

隨著我國農(nóng)村配電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，尤其是農(nóng)村電網(wǎng)的改造使得配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，極大的促進(jìn)了經(jīng)濟社會的發(fā)展。但是農(nóng)村配電設(shè)備比較落后，且功能比較單一，配變保護設(shè)備老舊情況嚴(yán)重。目前，配變一般配備了剩余電流保護，短路保護，主要由熔斷器和刀熔開關(guān)組成，不能為配電變壓器提供全面有效的保護。目前在國內(nèi)許多供電公司都在應(yīng)用配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)，但是在實用過程中發(fā)現(xiàn)了很多運行問題：一方面，由于配電變壓器在布設(shè)過程中沒有進(jìn)行合理規(guī)劃，分布比較散沒有形成集中管理使得信息在傳遞過程中比較失真；另一方面由于缺乏有效的配電變壓器的分析軟件，使得收集的配電變壓器信息又得不到有效的應(yīng)用。造成的結(jié)果是，雖然有一部分配電變壓器監(jiān)控終端在現(xiàn)場投運，但取得的效果并不理想，變壓器未能得到運行狀態(tài)分析和經(jīng)濟運行分析[1]。

2.2 低壓配網(wǎng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（1）在國外，發(fā)達(dá)國家在90年代就開始對配電網(wǎng)進(jìn)行運行方式系統(tǒng)分析，得出合適的運行方式指導(dǎo)配電網(wǎng)經(jīng)濟運行，日本中等城市以上的供電系統(tǒng)都實施了配電經(jīng)濟運行的決策支持軟件，美國等西方國家也在一些城市供電網(wǎng)上實施了類似的系統(tǒng)。國外對配電低壓臺區(qū)的智能化技術(shù)研究較多。現(xiàn)在，計算機技術(shù)和通訊技術(shù)飛速發(fā)展，大量應(yīng)用于配電網(wǎng)，進(jìn)而對配電網(wǎng)低壓電器的要求是能后與后臺控制計算機進(jìn)行通信，實現(xiàn)后臺計算機對配電低壓電器的遠(yuǎn)程控制，也就是使配電網(wǎng)實現(xiàn)“三遙”功能。為了迎合配電網(wǎng)的需要，配電網(wǎng)低壓電器都加入了各種通信功能。盡管目前國外已經(jīng)開始了配變低壓臺區(qū)智能化的研究，但研究的成果還沒有突破，對所有的電氣設(shè)備進(jìn)行同時監(jiān)控的系統(tǒng)尚未研究出來，因而還不能對臺區(qū)所有電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（2）國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)介紹了國內(nèi)有電力網(wǎng)電能損耗計算與分析軟件，配電網(wǎng)自動優(yōu)化運行監(jiān)控系統(tǒng)的研究，區(qū)域分布式電壓無功監(jiān)測與優(yōu)化控制系統(tǒng)，無功優(yōu)化程序在配電網(wǎng)的應(yīng)用，基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的研究的文獻(xiàn)報道。但是，由于技術(shù)的局限性，分析計算中很多用來分析的數(shù)據(jù)都是歷史數(shù)據(jù)，不能及時地反映配電變壓器的當(dāng)前狀態(tài)量，其他的文獻(xiàn)也沒有能夠從臺區(qū)運行、決策支持的角度系統(tǒng)地分析配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。目前，國內(nèi)大部分配電系統(tǒng)中僅有少部分實行了自動化監(jiān)控，大部分采用人工監(jiān)控方式的配電系統(tǒng)中存在的故障或隱患無法被監(jiān)管控制人員及時發(fā)現(xiàn)，無法迅速加以解決。

（3）配電變壓器的過流保護主要由兩種途徑：一種是利用斷路器；另一種是利用熔斷器。熔斷器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低。斷路器對配電變壓器的過流保護的斷路器全開斷時間較長，不利于對配電變壓器進(jìn)行過流保護[2]。

3 配電變壓器在線監(jiān)測目前存在的問題

配網(wǎng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，一次、二次設(shè)備以及自動化系統(tǒng)都基本運行穩(wěn)定、成熟，但配網(wǎng)自動化主要關(guān)注饋線及站所自動化，對10kV線路下的臺區(qū)運行管理考慮較少，盡管許多臺區(qū)也安裝了一些智能設(shè)備（TTU），較少從臺區(qū)運行管理的角度實現(xiàn)負(fù)荷曲線、三相平衡度、負(fù)載率、電壓合格率等功能。因此如何利用新技術(shù)，對臺區(qū)的運行狀況實時監(jiān)控；對臺區(qū)的負(fù)載率、可靠率、平衡率、負(fù)荷增長趨勢等進(jìn)行研究；對臺區(qū)發(fā)生的故障能夠做出及時的反應(yīng)，從而以較低的成木、有效的手段、快速地提高供電企業(yè)對臺區(qū)的管理水平，加強配電臺區(qū)的電能優(yōu)化控制，提高供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)運行的可靠性，減少維護的工作量，提高效率是新一輪智能電網(wǎng)建設(shè)的一項重大任務(wù)。作為用戶供電的電源點，配電變壓器的測控、保護、電能質(zhì)量監(jiān)測有著非常關(guān)鍵的作用，而配變無功電壓協(xié)調(diào)控制則是改變當(dāng)前配網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)能力匱乏，低電壓情況嚴(yán)重的關(guān)鍵[3]。

但從目前的狀況來看，盡管有不少配電變壓器已經(jīng)安裝了TTU設(shè)備，但少有在測控、保護、電能質(zhì)量監(jiān)測功能完備的，且各設(shè)備采用的建設(shè)路線，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，相互之間無法進(jìn)行有效的銜接。對配變無功電壓協(xié)調(diào)控制則通常采用另建裝置的方式實現(xiàn)，造成配變下設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜，不利于智能配電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)建設(shè)。除此之外還存在著以下問題：

（1）缺少自動化系統(tǒng)的支持，運維人員無法及時了解缺相、失壓等情況。由于缺少自動化監(jiān)測手段，配電臺區(qū)故障信息一般靠用戶保障反映。運維人員沒法及時了解和處理缺相、失壓、相位錯誤等狀況，嚴(yán)重影響低壓配電網(wǎng)的供電可靠性，甚至危及用戶設(shè)備和人身安全。（2）不能實時監(jiān)測輕載、超載、三相不平衡狀況。工業(yè)用戶和商住小區(qū)的數(shù)量隨著經(jīng)濟的發(fā)展逐漸增多，同時人們的生活水平也在不斷的額提高，受各種因素的影響和制約，導(dǎo)致出現(xiàn)超載、輕載、三相不平衡臺區(qū)，造成一定的經(jīng)濟損失。目前計量自動化系統(tǒng)只監(jiān)測配變總出線電氣量，未監(jiān)測各分支線的信息，導(dǎo)致運維人員判別低壓線路超載、輕載、三相不平衡時無精確數(shù)據(jù)支撐。（3）配變及臺區(qū)保護功能簡單，導(dǎo)致現(xiàn)場故障查找、處理時間長。配變保護配置只有配變本體保護、低壓總出線過流保護，缺少漏電流保護、缺相保護、低壓線路故障判別等。以往的漏電流保護經(jīng)常出現(xiàn)整定值失配、越級跳閘的情況，給運維人員帶來很大的工作量。缺少缺相保護可能導(dǎo)致缺相時用戶電機燒毀。低壓線路故障判斷的缺少則會增加運維人員查找及處理故障時間。（4）臺區(qū)無功電壓無法協(xié)調(diào)控制。目前，配變臺區(qū)裝配的無功補償器、三相不平衡調(diào)節(jié)裝置，甚至是有載調(diào)壓設(shè)備，均是獨立控制。同一饋線上的不同臺區(qū)也是獨立控制。所以，同一饋線不同臺區(qū)之間、同一配變臺區(qū)各類設(shè)備之間無協(xié)調(diào)機制，可能出現(xiàn)決策沖突，影響臺區(qū)電壓質(zhì)量治理效果。（5）數(shù)據(jù)集成后無更高級的應(yīng)用，裝置功能無法擴展。一方面，目前已有的系統(tǒng)只對配電臺區(qū)數(shù)據(jù)作集成及展示，未真正作高級分析。另一方面，配電臺區(qū)的測控不足，無法滿足以后智能配電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)的發(fā)展需求。（6）配電變壓器保護設(shè)備普遍缺乏過熱保護。目前，大部分農(nóng)村地區(qū)的配電變壓器一般只配備熔絲作為過載保護。雖然過載與配變過熱存在一定相關(guān)性，但通過熔絲來保護配電過熱現(xiàn)象還有一定的局限性。目前，經(jīng)常出現(xiàn)配備熔絲的配備過熱燒毀的事件。（7）配電網(wǎng)配電變壓器保護裝置。變壓器保護裝置存在功能單一，集成程度低、自動化程度低等特點，導(dǎo)致設(shè)備不易安裝，成本高昂?，F(xiàn)階段，配電網(wǎng)運行于管理處于相對比較粗放的階段，配電站數(shù)量多，地理分散性大。

4 配電變壓器智能化在線監(jiān)測及狀態(tài)檢修

4.1 臺區(qū)配變智能化終端裝置技術(shù)研究

（1）通過裝置對配網(wǎng)臺區(qū)低壓側(cè)的數(shù)據(jù)采集，即對配電臺區(qū)電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)的監(jiān)測。本項目中考慮對此功能進(jìn)行進(jìn)一步強化；（2）強化和完善保護功能，實現(xiàn)過流過壓保護、漏電流保護、重合閘、缺相保護等功能；（3）加強對臺區(qū)無功電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的協(xié)調(diào)能力，實現(xiàn)對臺區(qū)無功電壓設(shè)備，例如無功補償、有載調(diào)壓變的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)臺區(qū)的低電壓治理功能；（4）基于智能配變終端的智能臺區(qū)運維管理軟件，用于監(jiān)控智能配電終端設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳及管理和分析功能，實現(xiàn)臺區(qū)的運維管理功能，同時實現(xiàn)了三相不平衡分析、低壓分線的有功平衡分析等功能。

4.2 配電臺區(qū)在線監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)

系統(tǒng)應(yīng)用對象主要是供電所基層管理和維護人員，因此系統(tǒng)在設(shè)計中遵循簡單、直觀、易學(xué)易用的原則。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的展示盡可能使用表格、曲線、棒圖等比較直觀的方式，系統(tǒng)同時將原始數(shù)據(jù)結(jié)合圖表上傳至云平臺，通過微信或者APP將配變運行情況反應(yīng)給手機用戶，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)對配變的在線監(jiān)測[4]。使運維人員可以實時查詢配變運行狀況，并對電網(wǎng)的運行情況給出運行決策或者為現(xiàn)場施工提供依據(jù)。

4.3 智能配變終端試點應(yīng)用

廣東電網(wǎng)某臺區(qū)安裝智能配變終端柜體，在試點供電局進(jìn)行某臺區(qū)的低壓數(shù)據(jù)采集和軟件后臺的高級應(yīng)用。通過對臺區(qū)配變低壓側(cè)總線和分支線路數(shù)據(jù)采集，上傳至監(jiān)控后臺軟件，后臺軟件將數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行可視化展示，并提供運維輔助決策參考，同時根據(jù)量測的數(shù)據(jù)和保護的動作信息，判斷臺區(qū)低壓側(cè)故障的范圍，有助于快速定位低壓故障類型和位置。

5 技術(shù)難點與措施

5.1 配變低壓總出線和分支線路保護存在配合不匹配技術(shù)難點

解決思路：總出線上的保護配置定值參考原先定值，并結(jié)合負(fù)荷預(yù)測對保護定值進(jìn)行修正；分支線路保護定值先參考原先定值進(jìn)行配置，再根據(jù)每條線路上負(fù)荷實際情況進(jìn)行修正，最終匯總每條分支線路的保護定值反饋給總線上的保護，對低壓總出線的保護進(jìn)行修正。

5.2 無功電壓協(xié)調(diào)控制數(shù)據(jù)不全面造成控制策略不完善技術(shù)難點

解決思路：在低壓分支線路末端或者終端某個地方安裝電壓采集裝置，通過無線將數(shù)據(jù)上傳至主站，由主站結(jié)合配變終端采到的首段電壓和末端電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出無功優(yōu)化控制策略。

5.3 配變低壓分支線路電流采集困難技術(shù)難點

解決思路：按照不同類型的配電柜體環(huán)境，制定改造方案。將低壓智能斷路器安裝在分支線路上，對每條分支每相的電流進(jìn)行采集，再通過智能斷路器的二次回路將數(shù)據(jù)上傳至配變終端設(shè)備上[5]。

為此本研究計劃：（1）收資調(diào)研，總結(jié)廣東電網(wǎng)典型臺區(qū)目前整體數(shù)據(jù)監(jiān)控情況；（2）在原有測控基礎(chǔ)上考慮對此功能進(jìn)行進(jìn)一步強化，第一加強對分支線路的在臺監(jiān)測，第二加強對電能質(zhì)量、諧波數(shù)據(jù)監(jiān)測的支持，第三可增加對運行環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測。（3）完善配變低壓保護功能：包括對配電變壓器低壓側(cè)的缺相保護、過流保護、漏電流保護以及重合閘功能；（4）研究對臺區(qū)無功電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，此功能是對原TTU功能的一大升華，通過對無功補償設(shè)備、分接頭設(shè)備、調(diào)壓設(shè)備、三相不平衡治理設(shè)備的協(xié)調(diào)決策，解決各設(shè)備各自為陣，互不統(tǒng)屬的問題。（5）監(jiān)控智能配電終端設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳及管理和分析功能的需求分析（6）配電變壓器智能終端、在線監(jiān)測后臺開發(fā)及測試；（7）示范工程安裝調(diào)試，現(xiàn)場應(yīng)用驗證。

6 技術(shù)經(jīng)濟效益目標(biāo)

6.1 設(shè)備（系統(tǒng)）技術(shù)指標(biāo)

基于智能配變終端裝置的工程應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾種主要功能：臺區(qū)的保護功能（包括過流過壓保護、漏電流保護、缺相保護、重合閘等），低壓在線監(jiān)控功能（不同于傳統(tǒng)TTU的以半小時左右為周期的監(jiān)測功能，智能配變終端更側(cè)重于配電變壓器的運維管理功能）、臺區(qū)無功電壓的綜合管理控制功能（實現(xiàn)臺區(qū)的低電壓治理功能），其準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、低電壓治理能力及控制算法的有效性均滿足工程應(yīng)用要求。

6.2 示范工程技術(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)

在試點應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)各種保護：過流保護、過壓保護、缺相保護、漏電流保護和重合閘功能，各類保護能夠靈活配置，適應(yīng)不同應(yīng)用場合的需要。通過基于智能配變終端的配電臺區(qū)在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，有效提升現(xiàn)場的故障處理能力。

6.3 成果應(yīng)用安全、經(jīng)濟指標(biāo)

基于智能配變終端的配電臺區(qū)在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠提升配電網(wǎng)綜合故障判斷能力，結(jié)合手機客戶端的云計算平臺的應(yīng)用，能夠大大提高現(xiàn)場配電變壓器的運維管理水平，大大減少供電所人員的工作量，產(chǎn)生直接及間接的經(jīng)濟效益。

7 結(jié)語

通過標(biāo)準(zhǔn)化的智能配變終端裝置，實現(xiàn)臺區(qū)的統(tǒng)一管理，尤其是電壓質(zhì)量治理的綜合管控。本終端裝置以配電變壓器的無載分接頭檔位優(yōu)化、無功補償裝置和有載調(diào)壓分接頭的聯(lián)合優(yōu)化控制，同時接收主站協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化指令，實現(xiàn)饋線級電壓質(zhì)量的綜合治理。為配電臺區(qū)測控、保護、電能質(zhì)量、在線監(jiān)測等一體化采集、傳輸提供終端支撐，為配電設(shè)備智能在線監(jiān)測及狀態(tài)檢修工作開展奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。完成配電設(shè)備測控、保護、電能質(zhì)量、環(huán)境和在線監(jiān)測等一體化功能。

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