國網(wǎng)河南省電力公司超高壓公司 古明珠 康建準 劉艷紅 申曉春 王靈貴

1 引言

干式電抗器絕緣出現(xiàn)老化或外絕緣被破壞時，易出現(xiàn)匝間絕緣擊穿或整體絕緣損壞，會產(chǎn)生嚴重的局部溫升現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)局部過熱引發(fā)著火事故[1]。AVC 系統(tǒng)是在線模式運行的電網(wǎng)電壓無功控制系統(tǒng)，在電抗器故障時具備自動閉鎖功能。但只有在電抗器保護動作時才能夠閉鎖AVC 系統(tǒng)，避免故障電抗器再次投入[2]。干式電抗器一般配置過流保護，在匝間絕緣破壞時，內(nèi)部的故障電流不流經(jīng)支路電流互感器，因此在電抗器局部故障甚至著火初期，電抗器保護不能及時動作。因此只存在局部絕緣損壞的電抗器在保護未啟動的情況下具備再次被AVC 系統(tǒng)投入運行的可能，有加劇火災發(fā)生的風險[3]。

為實時監(jiān)測電抗器數(shù)據(jù)，可以選用的傳輸方式中，光纖具有傳輸距離遠、傳輸容量大等特點，但不利于跨區(qū)域信號傳輸。而5G技術傳輸距離遠、傳輸速度高、傳輸質(zhì)量好，可以用于跨區(qū)域信號傳輸。告警信號及實時數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)測平臺，為了電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)信息的安全性、可靠性，在外網(wǎng)設備接入電力系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元時，應當采取可靠的物理隔離措施[4]。

2 故障監(jiān)測系統(tǒng)分層設計

電抗器故障監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三個信息處理層和兩個通信系統(tǒng)。三個信息層分別為前端采集層、區(qū)域控制層和遠端集控層；兩個通信系統(tǒng)指前端采集和區(qū)域控制層間通信以及區(qū)域控制層和遠端集控層間通信。其數(shù)據(jù)處理主要邏輯為發(fā)現(xiàn)-處理-隔離，前端采集層主要實現(xiàn)溫度實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)故障后進行區(qū)域信息處理，區(qū)域控制層可以將溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡上傳至遠端集控層，實現(xiàn)故障隔離功能，告警信息傳輸方式通過該網(wǎng)絡分層架構(gòu)實現(xiàn)，能夠達到系統(tǒng)性處置故障的目的。

2.1 信息處理層設計

2.1.1 前端采集層

熱點溫度法可以采集電抗器內(nèi)部小范圍內(nèi)最高點溫度，測量時需要測量電抗器的徑向或軸向的某一區(qū)域，該方法能夠反映電抗器各包封運行溫度，可以測量包封內(nèi)部的溫升分布情況以及比較包封內(nèi)外的溫度變化。因此實際測溫區(qū)域為同軸線圈包封組成的圓環(huán)形區(qū)域，根據(jù)紅外攝像頭實際可照射范圍，選擇安裝攝像頭位置及個數(shù)以滿足所有部位均可被照射的條件。電抗器可以承受的最高溫度與其使用的絕緣材料密切相關，根據(jù)歷史溫度與絕緣材料，計算出高溫升預警值和超高溫升預警值。電抗器異常溫升預警值表如表1所示。

表1 電抗器異常溫升預警值表

2.1.2 區(qū)域控制層

采集裝置需要通過報警主機進行信息處理，信息處理內(nèi)容包括區(qū)域控制站管轄各站告警信息。在區(qū)域控制層所在變電站保護小室中裝設收集無人值守站現(xiàn)場紅外測溫攝像頭采集到數(shù)據(jù)的分點報警主機，報出相關報文供運維人員分析處理。

2.1.3 遠端集控層

省調(diào)通過主站自動化系統(tǒng)采集各站遠動裝置發(fā)來的數(shù)據(jù)，對變電站的運行方式和設備狀態(tài)進行監(jiān)視[5]。AVC 裝置通過接收省調(diào)AVC 主站下發(fā)的電壓控制值進行調(diào)節(jié)，分為遠方控制和就地控制兩種方式。遠方控制就是實時接收省調(diào)下發(fā)的母線電壓命令值，AVC 系統(tǒng)根據(jù)命令值進行實時的調(diào)節(jié)。當遠方調(diào)解時，AVC 系統(tǒng)長時間收不到主站命令會發(fā)出報警信號，并閉鎖AVC，自動轉(zhuǎn)為開環(huán)控制。

系統(tǒng)遠端集控層設置在AVC主站，當收到區(qū)域控制層發(fā)出的報警信息后，系統(tǒng)可以自動切除溫度異常電抗器，并閉鎖對應的AVC控制，防止電抗器再次加入運行，避免電抗器火災的發(fā)生。

2.2 通信系統(tǒng)設計

2.2.1 前端采集和區(qū)域控制層間通信

多路紅外攝像頭采集的視頻信號數(shù)據(jù)傳輸容量較大，攝像頭安裝位置與監(jiān)控主機安裝位置距離較遠，且對視頻信號質(zhì)量要求較高。因此視頻信號在前端使用交換機網(wǎng)絡匯聚信號，通過對光電轉(zhuǎn)換器采用光纖將信號高速、可靠地傳輸至平臺報警主機。

針對各變電站監(jiān)控主機的報警信息的上送，涉及跨站點之間的通信。結(jié)合先進的無線通信技術，采用最新的5G路由器，完成各站至區(qū)域控制中心之間的信息傳輸。

2.2.2 區(qū)域控制層和遠端集控層間通信

本文通過無源接點的物理隔離方式將告警信號接入遠端的主站自動化系統(tǒng)，通過I/O 接口模塊進行處理，區(qū)域控制層提供連接點至主站自動化系統(tǒng)遠動終端RTU。信息子站交換機將RTU采集到的信號通過電力通信專用網(wǎng)SPTnet 傳輸至集中監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)報警信息的類型，可以遠方切除溫度異常電抗器，手動閉鎖AVC 或自動觸發(fā)AVC閉鎖邏輯，避免電抗器再次加入運行。

2.3 故障監(jiān)測網(wǎng)絡

通過區(qū)域控制中心將各個子站電抗器采集設備采集的信息進行匯聚和輸出。

3 監(jiān)測系統(tǒng)模塊化設計及裝置選擇

電抗器溫度監(jiān)測裝置信息處理裝置采用模塊化設計，即將系統(tǒng)中的裝置組合成特定功能的各個模塊，具有通用性和重組性，各個模塊之間應相互獨立，并且模塊之間耦合度最小。

根據(jù)溫度監(jiān)測裝置各個信息處理單元的功能組合成以下幾個模塊。

3.1 信息采集-監(jiān)視模塊

溫度及視頻信息采集設備采用?？低旸S-2TD2BDZ-YT 型雙光譜筒形攝像機。為滿足攝像頭雙成像及報警功能具備全覆蓋、高可靠、冗余配置的要求，在每相干式電抗器正下方設置3 臺雙光譜筒形攝像機并成120°環(huán)形等分配置。分點報警設備采用?？低旸S-19A08-F/K1G 分點報警主機，每相電抗器設置一個分點報警主機負責采集攝像機報警信號。為實現(xiàn)前端設備配置管理、可見光及熱成像視頻信號實時監(jiān)視、溫度曲線監(jiān)視及歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，在現(xiàn)地主控室配置一臺視頻監(jiān)控報警主機，安裝?？低昳vms4200客戶端。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

中心報警數(shù)據(jù)處理模塊由平臺報警主機和中心報警主機兩部分組成。平臺報警主機采用基于Linux系統(tǒng)開發(fā)的?？低旸S-PCM1-IP主機，該主機平臺報警系統(tǒng)主機可以滿足各子站電抗器報警信息的匯總、各子站設備運行狀態(tài)監(jiān)視、各子站事件信息記錄等要求。中心報警主機采用?？低旸S-19A08-01BN 主機，該主機能夠?qū)⑵脚_報警主機通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送的報警信息進行單個報警接點配置并通過485總線或繼電器聯(lián)動輸出。

3.3 前端采集與區(qū)域控制層間通信模塊

現(xiàn)地交換機與主控室距離較遠，為保證視頻及報警信號能高速、可靠、低時延傳輸至主控室，采用一對海康威視DS-3D201T（R）光纖收發(fā)器進行網(wǎng)絡信號遠距離傳輸。在主控室端配置5G工業(yè)路由器，將視頻及報警信號上送至本地視頻監(jiān)控報警主機，同時為了節(jié)約運營成本僅將報警信號通過5G信號上送至區(qū)域控制中心，用于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的信號報警及AVC閉鎖。

3.4 區(qū)域控制和遠端集控層間通信模塊

在中心報警主機設置總線擴展模塊（型號：DS-19M32-NO）?？偩€擴展模塊能提供36V 有源節(jié)點，中心報警主機與總線擴展模塊間使用485 總線進行通信。搭接的繼電器模塊完成有源接點到無源接點轉(zhuǎn)換?？偩€擴展模塊輸出的36V 有源接點，通過固態(tài)繼電器以及接觸器完成無源干節(jié)點的轉(zhuǎn)換。

在接觸器干接點模塊中，9路報警干接點并聯(lián)形成邏輯或的關系，9路預警干接點同理，報警干接點或預警干接點中任一接點有報警信號，均能夠可靠地向監(jiān)控系統(tǒng)上傳溫度高或溫度超高總報警信號。接觸器干接點模塊中干接點回路的并聯(lián)處理，僅需要兩路總報警接點信號上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，有效節(jié)省監(jiān)控系統(tǒng)DI節(jié)點數(shù)量并且降低監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理壓力。

3.5 接收報警-AVC閉鎖模塊

AVC 通過調(diào)度自動化SCADA 系統(tǒng)采集各變電站的母線電壓，對其進行集中監(jiān)視和分析計算，實現(xiàn)對無功裝置進行協(xié)調(diào)優(yōu)化自動閉環(huán)控制。在其監(jiān)控系統(tǒng)上增加兩個報警點位，并進行光字報警、事件描述、監(jiān)控畫面配置，進而實現(xiàn)電抗器相關溫度報警自動彈出監(jiān)控事件信息、點亮相關報警光字牌，同時將報警點位變量加入AVC 監(jiān)控閉鎖邏輯代碼段，實現(xiàn)溫度高報警時自動閉鎖AVC 功能。

4 現(xiàn)場實例

4.1 監(jiān)測和信息處理功能

4.1.1 24h無間斷監(jiān)視功能

攝像頭應能夠24h 監(jiān)測設備溫度，實時顯示現(xiàn)場圖像及最高溫度。ivms4200連接攝像頭后，對視頻效果進行檢測，可以顯示現(xiàn)場圖像及最高溫度，并每隔1h查看畫面是否正常，連續(xù)觀察24h。

4.1.2 現(xiàn)地傳輸及告警功能驗證

為檢測本文所述現(xiàn)地傳輸及告警功能，進行模擬試驗，試驗期間將攝像頭預警及報警值改為40℃和80℃，使用熱水模擬熱源，以檢驗報警情況。

4.2 遠端接收功能

站內(nèi)后臺監(jiān)控機光字牌上，增加電抗器本體溫度高和本體溫度超高兩項，每當電抗器溫度到達所設置的報警值，光字牌亮，及時提醒值班人員進行相關處理。

除了在本地監(jiān)控機上發(fā)出報警信號，在集中監(jiān)控中心的監(jiān)控機上實時告警窗口可以顯示電抗器溫度報警信息。

5 結(jié)語

本文提供了一種基于5G通信技術的變電站干式電抗器火災預警裝置，通過研究及現(xiàn)地驗證可以得出以下幾點。

一是通過利用紅外熱成像智能設備，能夠?qū)崟r監(jiān)測設備的溫度，并發(fā)出溫度告警，包括溫度高和溫度超高的報警信號。

二是區(qū)域監(jiān)控中心利用5G技術實現(xiàn)不同變電站跨區(qū)域的實時高效監(jiān)控。

三是采用無源干接點信號的隔離措施，進行有效隔離，安全地通過內(nèi)網(wǎng)傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)控中心實現(xiàn)AVC的閉鎖和切除裝置的功能。

在實際工作中，可進一步提升設備感知能力，使得區(qū)域管控中心可以實現(xiàn)更多的管控功能，實現(xiàn)自動跳閘和自動閉鎖等功能。