牛田野 張 利 劉亞林 石生智 張 華 朱紅艷 焦 澎

（國網(wǎng)河南省電力公司 檢修公司，河南 鄭州450000）

SF6 氣體是一種人造惰性氣體，具有強(qiáng)電負(fù)性，在均勻電場中，其絕緣強(qiáng)度可達(dá)到空氣的2.5 倍，其滅弧能力約為空氣的100 倍[1-2]。正因?yàn)榫邆鋬?yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，SF6 氣體通常作為一種絕緣介質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備[3]。氣體泄漏將會(huì)導(dǎo)致斷路器發(fā)生故障，引起電力設(shè)備事故，從而導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失[4]。因此，保證組合電器中SF6 氣體壓力、密度和溫度等在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)是確保設(shè)備安全運(yùn)行的重要指標(biāo)[5]。而實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)無疑將會(huì)提高電氣設(shè)備工作的可靠性。

1 現(xiàn)狀分析

變電站組合電器監(jiān)測的智能化程度尚未達(dá)到智能電網(wǎng)的要求，其中對(duì)于SF6 氣體的監(jiān)測手段還在使用較為傳統(tǒng)的手工記錄數(shù)據(jù)的方法。而監(jiān)測氣體的設(shè)備也是采用指針式壓力表，并不具備數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能如圖1。

圖1 六氟化硫氣體壓力表

這種工作方式存在著以下幾點(diǎn)需要改進(jìn)：

1.1 工作人員手工抄錄效率低，導(dǎo)致時(shí)間消耗大，多點(diǎn)作業(yè)相對(duì)所需員工也增加，同時(shí)人工作業(yè)容易產(chǎn)生遺漏、偏差，耗費(fèi)人力物力。

1.2 手工抄錄數(shù)據(jù)不利于數(shù)據(jù)的共享和保存，導(dǎo)致瀏覽數(shù)據(jù)、分析檢測設(shè)備狀態(tài)效率降低，且在設(shè)施編程、數(shù)據(jù)的格式上沒有統(tǒng)一要求，形成了數(shù)據(jù)孤島，對(duì)數(shù)據(jù)的共享形成了制約。

1.3 可能導(dǎo)致對(duì)突發(fā)情況處理不及時(shí)。無法實(shí)時(shí)監(jiān)測，不能實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障，從發(fā)現(xiàn)到分析再到處理，浪費(fèi)了很多寶貴時(shí)間，在故障和事故處理方面尤為被動(dòng)。

2 項(xiàng)目主要研究內(nèi)容

項(xiàng)目的系統(tǒng)框架包括四個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理以及信息反饋。其中數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸屬于硬件設(shè)備部分，數(shù)據(jù)處理和信息反饋屬于技術(shù)人員部分（如圖2）。

圖2 系統(tǒng)框架

2.1 數(shù)據(jù)采集，包括溫度、濕度、壓力等。具體實(shí)施方案為：將組合電器的傳統(tǒng)SF6 壓力表更換為高精度的無線密度繼電器，連接到開發(fā)板且配置狀態(tài)采集傳感器，包括壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器等，目的是為了實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的SF6 氣體氣密狀態(tài)的遠(yuǎn)程感知。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸，可通過無線傳輸、GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸、5G 傳輸?shù)冗_(dá)到在線監(jiān)測，部署網(wǎng)絡(luò)通訊網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)變電站組合電器氣室的SF6 氣體壓力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。該模式具有延遲低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，能保證檢測及傳輸系統(tǒng)的精度及可靠性，避免了人工抄錄數(shù)據(jù)所帶來的精確性差、不易長期保存等弊端。

2.3 數(shù)據(jù)處理，包括了數(shù)據(jù)的預(yù)處理、記錄變化量以及統(tǒng)計(jì)累積量。針對(duì)監(jiān)測結(jié)果得到的數(shù)據(jù)搭建并不斷完善數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎(chǔ)制作可視化的圖形、列表界面或者梯形模式，可以方便快捷地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

2.4 信息反饋，則是由技術(shù)人員在獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，通過數(shù)據(jù)的積累和處理制作出一個(gè)數(shù)據(jù)變化量的監(jiān)測報(bào)表，在對(duì)比分析后還應(yīng)撰寫評(píng)估，再根據(jù)評(píng)估結(jié)果來決定是否需要維護(hù)以及確定維護(hù)方案。

通過數(shù)據(jù)積累以及數(shù)據(jù)處理，并搭建出可靠的用戶平臺(tái)，具備觀看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等功能，在發(fā)現(xiàn)故障并制定維護(hù)、處理決策的同時(shí)，也提高了對(duì)故障發(fā)生預(yù)知的能力。

3 工作原理和設(shè)計(jì)

SF6 氣體監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)值為：在額定溫度為20℃時(shí)，電氣設(shè)備中SF6 氣體的密度值。在電氣設(shè)備工作時(shí)，SF6 氣體壓力不是一成不變的，會(huì)根據(jù)外界溫度的變化而做出相應(yīng)的改變，但如果采用密封性能良好的SF6 斷路器，電氣設(shè)備中SF6 氣體的密度值應(yīng)維持不變。所以，為了準(zhǔn)確地判斷SF6 氣體密度值變化的原因，電氣設(shè)備中SF6 氣體應(yīng)該經(jīng)過溫度補(bǔ)償后，在溫度為20℃的條件下，通過壓力檢測，并以壓力值表示出來。

為使無線密度繼電器正常運(yùn)行，必須確保工作在額定壓力下進(jìn)行。當(dāng)作業(yè)環(huán)境的溫度發(fā)生改變時(shí)，電氣設(shè)備中SF6 氣體的壓力隨之改變，這時(shí)繼電器內(nèi)部所包含的溫度補(bǔ)償單元將會(huì)對(duì)變化的壓力不斷修正，使其額定壓力示值不變，遠(yuǎn)傳部分把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變RS485 差模信號(hào)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。在控制室內(nèi)即可監(jiān)測到SF6 的壓力狀態(tài)。繼電器還有保護(hù)和控制功能，當(dāng)SF6 氣體發(fā)生意外泄漏事故，壓力下降，到達(dá)報(bào)警閾值時(shí)，繼電器將會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，提醒監(jiān)督人員及時(shí)維護(hù)；而當(dāng)事故加劇，到達(dá)閉鎖閾值時(shí)，繼電器將直接閉鎖整套系統(tǒng)，停止電氣設(shè)備運(yùn)行，為設(shè)備的安全運(yùn)行做出保障。

SF6 密度繼電器無線監(jiān)測的通訊原理圖如圖3 所示。

圖3 SF6 密度繼電器無線監(jiān)測原理圖

無線型SF6 密度繼電器是具有無線通訊功能的密度繼電器，該產(chǎn)品采用433MHZ 頻段通訊，穿透性強(qiáng)、傳輸距離長，適用于變電站內(nèi)的無線數(shù)據(jù)采集。無線信號(hào)由無線集中器（Wireless Hub）集中，并轉(zhuǎn)換成基于RS485 總線的ModBus RTU 協(xié)議。可直接接入WELCAP 在線監(jiān)測系統(tǒng)，也可接入到智能IED 中。為后續(xù)的SF6 氣體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。無線集中器采集數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)直接接入站內(nèi)的狀態(tài)檢測IED 中，由狀態(tài)檢測系統(tǒng)作為人機(jī)界面，完成各個(gè)SF6 密度繼電器的數(shù)據(jù)采集、顯示、統(tǒng)計(jì)等功能。

無線網(wǎng)關(guān)數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的無線型密度繼電器的數(shù)量和分布情況而定，建議每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)采集50 至100 只密度繼電器。

這是國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的智能化變電站的改造。要求符合IEC61850協(xié)議的規(guī)定，變電站設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)包括SF6 氣體在線監(jiān)測、變壓器油色譜在線監(jiān)測、局放在線監(jiān)測、避雷器在線監(jiān)測、機(jī)械特性在線監(jiān)測等。

4 技術(shù)難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 技術(shù)難點(diǎn)。第一，實(shí)現(xiàn)組合電器SF6 氣體壓力值的實(shí)時(shí)無線遠(yuǎn)傳監(jiān)測。使SF6 氣體壓力值具備無線遠(yuǎn)傳功能，首先要做到傳感器與監(jiān)控模塊之間的無線通信，這樣才能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及有效性。第二，針對(duì)監(jiān)測結(jié)果搭建完善的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中起到數(shù)據(jù)匯總和轉(zhuǎn)發(fā)的作用，負(fù)責(zé)接收監(jiān)控模塊上傳的數(shù)據(jù)，也可以由客戶端直接調(diào)取數(shù)據(jù)，從而使技術(shù)人員可以方便快捷的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。第三，客戶端的搭建。建立可視化圖形、列表界面或梯形模式，還應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如將組合電器SF6 氣體壓力值換算為年泄漏率等關(guān)鍵指標(biāo)，設(shè)置預(yù)警閾值和區(qū)間等。

4.2 創(chuàng)新點(diǎn)。第一，實(shí)現(xiàn)壓力值監(jiān)測結(jié)果的無線遠(yuǎn)傳。目前在運(yùn)的組合電器，均通過傳統(tǒng)SF6 壓力表顯示壓力值，僅能通過人工進(jìn)行抄錄，不具有SF6 氣體壓力值實(shí)時(shí)信號(hào)輸出功能。第二，基于數(shù)據(jù)庫的用戶平臺(tái)開發(fā)。以往人工抄錄的組合電器SF6氣體壓力值是由后臺(tái)分析人員進(jìn)行查看并分析的，這種方式效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且分析過程和結(jié)果容易出現(xiàn)紕漏，依賴工作經(jīng)驗(yàn)程度，不具有客觀性和科學(xué)性。用戶平臺(tái)則可以全面地、真實(shí)地得到監(jiān)測壓力值，不僅有助于減少手工抄錄信息的二次處理工作量，還可以減少人為錯(cuò)誤的發(fā)生，從而進(jìn)行科學(xué)地分析，最終得出科學(xué)結(jié)果。數(shù)據(jù)的透明化和可靠性還利于電器設(shè)備的規(guī)范化檢查管理，避免錯(cuò)檢、漏檢，及時(shí)有效的做出設(shè)備維護(hù)檢修方案。

5 效益分析

從經(jīng)濟(jì)效益看，該項(xiàng)目實(shí)施后，數(shù)據(jù)抄錄、分析、運(yùn)維等多個(gè)環(huán)節(jié)相應(yīng)的工作人員減少，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效益，增加間接經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)庫的建立，方便對(duì)電氣設(shè)備健康狀況的診斷，能極大地提升在線監(jiān)測及分析的自動(dòng)化、智能化程度，提升工作效率，節(jié)省人力資源，創(chuàng)建長久的組合電器在線監(jiān)測及預(yù)知維護(hù)體系。

從社會(huì)效益看，該項(xiàng)目可以有效地提高對(duì)在運(yùn)組合電器SF6氣體泄漏等缺陷、隱患的發(fā)現(xiàn)能力，從而可以減少事故的發(fā)生，增加安全效益。數(shù)據(jù)的對(duì)比分析還可以優(yōu)化組合電器設(shè)備的布局設(shè)置，延長電器的使用壽命，提高安全性，節(jié)省社會(huì)資源。在萌芽期及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，快速做出處理方案，為施工搶修提供時(shí)間保障，降低搶修成本，減小故障造成的損失，保證供電任務(wù)。

6 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)SF6 氣體壓力值的實(shí)時(shí)監(jiān)測及無線傳輸，可以遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)掌握組合電器SF6 氣體壓力值的狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)檢測評(píng)估各類感知設(shè)備的可行度及傳輸數(shù)據(jù)的精確度，并完成數(shù)據(jù)采集、處理、評(píng)估及維護(hù)，從而加速推進(jìn)無人值守，加快變電站智能化布局。