周清平

(華自科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

作為輸配電網(wǎng)系統(tǒng)運行的重要開關(guān)控制設(shè)備戶外開閉所，因其分布范圍廣、位置相對稀疏，日常巡視困難、維護費用高、故障處理不及時，而現(xiàn)有的處理手段效果有限，無法從根本上有效解決，同時還將帶來新的問題。本文論述的智能運維策略[1]96，即利用當(dāng)前最先進的自動控制技術(shù)、信號監(jiān)測技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計算機技術(shù)等，對開閉所一次環(huán)網(wǎng)設(shè)備進行全方位智能監(jiān)控，并實現(xiàn)上層主站系統(tǒng)統(tǒng)一管理與調(diào)度控制，不僅提高了設(shè)備的安全運行穩(wěn)定性，并且使?jié)撛诘膯栴}得到及時預(yù)警，發(fā)生的故障得到迅速有效的處理，更從根本上解決了日常運行維護的難題。開閉所智能運維方案的實施必將給配電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展帶來良好的社會效益及經(jīng)濟效益。

1 現(xiàn)有開閉所的缺陷與不足

1.1 開閉所的作用與意義

電力系統(tǒng)中，發(fā)電端發(fā)出的電能經(jīng)輸電網(wǎng)向用戶側(cè)負載傳送，必須要經(jīng)過配電系統(tǒng)的能量傳輸、分配與控制，用戶才能最終安全、可靠及有序用電。配電環(huán)節(jié)的作用非常重要，它從上級輸電網(wǎng)接受電能，依據(jù)配電系統(tǒng)架構(gòu)及供配電方案將能量有序向下級分配，是發(fā)電側(cè)向用戶終端電能傳輸不可或缺和替代的重要部分。

配電系統(tǒng)中最主要的媒介與實現(xiàn)手段即開閉所，開閉所區(qū)別于變電站或變電所，它不進行電壓的變換，頻率、相位和相序等其他電量參數(shù)也不發(fā)生改變，開閉所僅將電流依據(jù)下級負荷的大小進行能量的配置。因為多路負荷的存在，以及供電性質(zhì)的差異，在用戶終端側(cè)也需要設(shè)置開關(guān)進行電能分配及負載分合控制的開關(guān)配電室。配電室主要應(yīng)用于終端而且接受的是上級變壓后的電能，然而開閉所應(yīng)用與管轄的區(qū)域更廣，一般涉及整個園區(qū)的幾個甚至十幾個配電室，是配電室的上一級供電設(shè)施。

1.2 現(xiàn)有開閉所存在的運維問題

開閉所是配電網(wǎng)系統(tǒng)中核心設(shè)備，是系統(tǒng)架構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，多個區(qū)域的配電與電能傳輸均需開閉所進行統(tǒng)一與集中控制。一旦系統(tǒng)中某一開閉所節(jié)點發(fā)生故障，將會引起所管轄區(qū)域整體停電及用電負荷癱瘓，或者因下級網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備原因引發(fā)上級節(jié)點開閉所跳閘，也將影響到同一區(qū)域的其他設(shè)備的斷電及正常使用。開閉所的重要性不言而喻，然而如何在區(qū)域發(fā)生故障情況下有效隔離故障區(qū)域，同時快速恢復(fù)非故障區(qū)域的正常供電一直是設(shè)備運維中的一大難題。

不同于發(fā)電側(cè)或供電側(cè)的設(shè)備，處于輸配電中間環(huán)節(jié)的開閉所一般安裝并設(shè)置在戶外并且偏遠的地方。開閉所依據(jù)所承載的負載大小，控制區(qū)域從小到幾個廠區(qū)，大到一個園區(qū)。雖然從管理制度上制訂并安排了設(shè)備運行巡檢[1]97-98，但開閉所地處偏遠環(huán)境，交通非常不便，并且開閉所相互之間分布非常疏遠，勢必給維護及管理上帶來了不小的難度。維護人員大部分的時間基本都花在路途當(dāng)中，真正停留在設(shè)備現(xiàn)場并仔細檢查的時間并不多，有時可能巡檢完還正常的設(shè)備，在巡檢離開后的巡檢途中發(fā)生事故，這種現(xiàn)象歸根結(jié)底還是有效的巡檢時間嚴(yán)重不足造成的。

為減少電能的傳輸損耗，發(fā)電端需要將電能電壓升高，使用高電壓等級進行電網(wǎng)傳送，到用戶端再進行降壓。處于傳輸環(huán)節(jié)的開閉所的系統(tǒng)電壓主要為10 kV或35 kV，它從上級接受電能，向下級分配電能，具有開關(guān)分合與電能分配功能，但不進行變壓等其他任何電量參數(shù)的改變。開閉所內(nèi)無用于設(shè)備操作控制的低壓操作與監(jiān)控電源，回路操控設(shè)備只能采用手動操作的負荷開關(guān)，負荷監(jiān)測的儀表也只能采用指針式的表計實現(xiàn)，給設(shè)備實時運行監(jiān)控及負荷的監(jiān)測帶來相當(dāng)大的麻煩。

2 開閉所運維常規(guī)解決方案

因開閉所處于配電系統(tǒng)中重要節(jié)點環(huán)節(jié)，控制及管轄很大一片用電負載區(qū)域，其因所轄區(qū)域內(nèi)因某一設(shè)備或線路原因，將引起開閉所對應(yīng)控制開關(guān)跳閘，從而造成大面積停電。因故障區(qū)域或某一點設(shè)備原因影響到其他正常運行的負載或設(shè)備，并且在故障點或區(qū)域在未有效排除或處理的情況下，是無法正常供電和恢復(fù)送電的，因此帶來的社會影響和經(jīng)濟損失是無法衡量的。為做到有效隔離故障區(qū)域，保障正常運行區(qū)域，或者引起正常區(qū)域停電能迅速恢復(fù)該區(qū)域供電，目前大部分供電企業(yè)的做法主要有兩種：一是在開閉所的主回路控制開關(guān)使用不自動跳閘的負荷開關(guān)，在所轄區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時，開閉所節(jié)點開關(guān)不跳閘，從而不對正常運行設(shè)備造成影響；二是使用帶跳閘保護功能的真空斷路器，開閉所內(nèi)斷路器與下級斷路器開關(guān)在故障跳閘級別進行分級，下級發(fā)生短路等故障時，下級開關(guān)提前主動跳閘，不影響到上級的節(jié)點斷路器跳閘，從而有效隔離了故障，保護了正常使用負載。

為兼顧下接的所有負荷，開閉所位置的設(shè)立不會靠近某一個廠區(qū)，而是偏離廠區(qū)選擇在相互之間的中間位置，這勢必給開閉所的管理及日常維護帶來諸多不便。為解決這個問題，使開閉所的運維能更加便捷，大多數(shù)供電公司將開閉所設(shè)立在靠近交通方便，施工條件便利的廠區(qū)附近，或者直接將開閉所與某一園區(qū)的大負荷控制中心在空間設(shè)置上合并，進行統(tǒng)一的設(shè)備管理?；蛘咴陂_閉所的位置選擇上人為或有意地靠近交通便利的地方，并且在開閉所的設(shè)施配置上也盡量考慮到運行維護的方便。

開閉所內(nèi)手動操作的負荷開關(guān)、隔離開關(guān)因操作強度大，一般操作人員很難順利進行到位，有時需要經(jīng)過多次反復(fù)操作，不但給日?？刂凭S護添加麻煩，而且因人為操作力度無法準(zhǔn)確把控的情況下操作機構(gòu)在多次人為操作后很容易損壞。為解決如此突出的問題，大部分企業(yè)的做法就是采用電動形式的負荷開關(guān)，或?qū)ΜF(xiàn)有手動負荷開關(guān)進行電動操作的改造。開關(guān)使用電動操作，大大方便了日常的操作與控制，同時開關(guān)的操作靈敏度，使用壽命和可控性等方面得到改善。

3 開閉所智能運維策略

現(xiàn)有的開閉所處理辦法雖然在一定程度上能解決當(dāng)前急需解決的困難，但卻從另一方面帶來了新的問題。使用不跳閘的負荷開關(guān)，下級負荷發(fā)生故障時，可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。使用動作參數(shù)配合的斷路器，實際運行中卻無法做到上下級開關(guān)精準(zhǔn)配合。人為考慮開閉所位置便捷，勢必增加線路長度，增加線損。電動負荷的采用，因其動作時間長，根本無法滿足保護控制精度的要求。

開閉所的智能運維策略能從根本上使以上問題得到解決。開閉所的智能運維即開閉所的智能化，采用遠方智能終端和主站控制系統(tǒng)架構(gòu)，通過對配電一次設(shè)備的全方位智能化監(jiān)控，能夠做到24小時不間斷在線監(jiān)測，故障自診斷及自愈恢復(fù)，多途徑及方式實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制及在線維護，大大提高設(shè)備運行的安全性及穩(wěn)定性。

3.1 主站控制系統(tǒng)

如圖1所示主站控制系統(tǒng)即配電網(wǎng)開閉所等配電設(shè)備的自動化[2]系統(tǒng)中心站，主要實現(xiàn)配電網(wǎng)及設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等基本功能及電網(wǎng)分析應(yīng)用等擴展功能，從而為配電網(wǎng)調(diào)度服務(wù)，功能包括公共平臺服務(wù)、配電SCADA功能[3]2、饋線故障處理、配電網(wǎng)分析應(yīng)用、智能化功能及公共平臺服務(wù)。

主站系統(tǒng)一般位于城市調(diào)度中心，它將智能遠方監(jiān)控終端上傳的數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲，實現(xiàn)各種高級應(yīng)用，也可與外部系統(tǒng)進行互動，是人機交互的接口。

圖1 主站控制系統(tǒng)

3.2 一次環(huán)網(wǎng)設(shè)備

因SF6氣體良好的電氣絕緣性能及密封后的免維護性，開閉所內(nèi)一次設(shè)備基本使用SF6全絕緣充氣式環(huán)網(wǎng)柜，隔離/接地開關(guān)、負荷開關(guān)和真空斷路器等主元件全密封在SF6氣箱內(nèi)。各開關(guān)和斷路器通過外部機構(gòu)進行屏柜本地操作，操作機構(gòu)配置彈操或永磁操動裝置，可實現(xiàn)遠程遙控。

系統(tǒng)方案上配置兩臺可環(huán)網(wǎng)電源供電的進線柜，終端時僅配置一臺電源進線柜，作為一次系統(tǒng)的電源控制與保護；一套系統(tǒng)電壓互感器柜，用于對母線系統(tǒng)電壓的采樣及監(jiān)測；饋線柜的數(shù)量依據(jù)需要進行配置，可以一到多臺不受限制，對下級配電網(wǎng)或線路起到集中控制作用。如圖2所示。

圖2 一次系統(tǒng)圖

3.3 智能遠方監(jiān)控終端

智能開閉所內(nèi)配置智能遠方監(jiān)控終端[3]2，實現(xiàn)對環(huán)網(wǎng)設(shè)備G01～G04隔離接地開關(guān)、F01負荷開關(guān)、及Z01～Z04真空斷路器的分/合、現(xiàn)地/遠程控制、閉鎖/解鎖控制；完成對開關(guān)設(shè)備的位置信號、動作狀態(tài)信號的監(jiān)測；并通過H01～H04電流互感器、L01～L04零序互感器、Y01～Y03電壓互感器實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和電能等電量數(shù)據(jù)的采集與計算；實現(xiàn)對饋線開關(guān)的故障識別、自動隔離故障區(qū)、快速恢復(fù)非故障區(qū)間供電；同時具備各種通信功能，能夠?qū)崟r將采集的數(shù)據(jù)上傳主站，從而實現(xiàn)10 kV環(huán)網(wǎng)設(shè)備遠方測控自動化[3]3-4功能。

監(jiān)控終端依據(jù)被監(jiān)控對象的性質(zhì)，主要的監(jiān)控內(nèi)容及相互之間的組合關(guān)系，采取最佳的監(jiān)控作策略和控制手段。對于含有隔離開關(guān)、真空斷路器和接地開關(guān)的雙電源進線柜，監(jiān)控終端先進行主/備電源的判斷，正常情況下主電源供電，主電源異常時備用電源供電。1#主電源投入時，先監(jiān)測檢修室門是否安全開閉，然后判斷G01的接地刀是否分開且隔離刀是否閉合，同時監(jiān)測權(quán)限控制開關(guān)是否允許遠控操作，滿足條件時才向真空斷路器發(fā)出合閘信號，從而完成送電過程，如圖3所示。

3.4 開閉所智能運維功效

開閉所智能化監(jiān)控后，日常運維變成無人或少人值守，設(shè)備安裝位置已不再重要，經(jīng)對饋出線路綜合考慮后，達到整體線路短、線損能耗低的性能要求。

智能開閉所配置帶儲能機構(gòu)的真空斷路器，因操作回路使用了能量儲存機構(gòu)，使得分合閘不僅操作電流小，動作靈敏度高，而且轉(zhuǎn)換速度快，到達毫秒級別，完全滿足保護精度的要求。并且真空斷路器具有故障高分?jǐn)嗄芰Α⒈Ｗo動作速度快、靈敏度高及易控制等特點。

圖3 智能遠方監(jiān)控框圖

智能開閉所在原有基礎(chǔ)上進行升級，將PT變壓后二次交流電壓進行直流轉(zhuǎn)換，并配置后備電池系統(tǒng)，開閉所內(nèi)開關(guān)及其他儀表等采用直流電源，在系統(tǒng)停電或其他原因失電情況下，直流電源仍能繼續(xù)供電，從而保證了開關(guān)仍能可靠電氣操作、儀表和其他裝置的參數(shù)及定值仍能可靠存儲。設(shè)備的遠程通信及控制不會有絲毫影響，由此極大地提高設(shè)備的可維護性。

4 結(jié)束語

本論文從實際工作角度出發(fā)，闡述了開閉所在配電領(lǐng)域的重要性以及現(xiàn)有開閉所在日常運維中普遍存在的問題，提出了開閉所的智能運維策略，從根本上解決了開閉所普遍存在的運維困難，維護成本高和問題處理不及時等問題。但因研究的深入程度問題，未能進一步分析與說明開閉所整休智能方案與配電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)及上層應(yīng)用的關(guān)系與解決策略，希望在以后的工作中隨著研究的深入而得到解決。