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淺談農網6.0kV變電所自動化升級改造設計與實現

發布日期:2019-09-25   來源:《變頻器世界》19-08期   作者:殷志輝 郭金恒 段錦鋼 于春峰 郭宗華   瀏覽次數:1524
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【摘   要】:電力綜合自動化是集保護、測量、控制、報警、通信、數據采集及處理、故障錄波及分析、調度等功能一體電力監控系統,廣泛應用于舊系統升級改造和新項目開發設計,萊鋼為周邊農村供電的6.0kV變電所高壓系統升級改造由工業供電過渡到農網歷經方案論證、設備選型、安裝調試、動態分段過渡切換、應急措施等過程,全部實現智能化,對運維和二次開發等關鍵技術應用提出構想,為類似項目升級改造提供借鑒。


  關鍵詞:操作員站;智能監控單元;數字變電站;智能+;巡檢機器人

 

1  引言

萊鋼35kV廠用變電所6.0kV系統為周邊農村分布供電易地升級改造為農網獨立供電,實現了分散控制、集中管理、遠程監控和運維無人值守構想。

 

2  設備狀況

1)高壓設備:雙電源單母線母聯分段供電,一次設備由GG-1A型開關柜、母線、少油斷路器、上/下隔離刀、電流/電壓互感器等組成。

2)控制設備:主控室中央信號屏、交直流電源柜、燈光和光字牌及音響裝置;繼保等繼電器為電磁式;分合閘回路由防跳和保護出口繼電器、分合閘接觸器、分合閘線圈、斷路器輔助觸點、選擇開關和按鈕等。

3)計測設備:電量、電流、電壓等表計均為機械式,通過TA和TV二次接線完成各回路電參數測量和監視。

 

3 存在問題

變電所設備已轉型升級,備件采購困難,保護定值需每年調校,斷路器觸頭和油更換及油位保持困難,全所停電儲能電容器僅供兩臺斷路器跳閘;斷路器噴油、人工巡視抄表、交直流絕緣降低及接地、無電氣“五防” 和帶電顯示器及事故照明、刀閘閉合卡澀、斷路器燒分合閘線圈等各種事故頻發,難以準確判別和查詢雖歷經升級,但仍處低水平,再無高層次拓展改造實現計算機智能監控的空間。

 

4  改造策劃

鑒于供電設備能力不足和無法進行計算機全數字監控及聯網管控等現狀,經對同行業設備改造應用情況考察論證,決定進行適應性擴容升級改造,實現智能化數字監控。

(1)改造方案:采用計算機監控系統“無人值守”或“少人值守”模式設計,按照分層、分布式原則,構成中心控制層、通訊層、站級層架構,系統配置如圖1所示

 

 

 

 

                                                                        圖1 系統架構配置

2)軟硬件選型:后臺監控系統硬件由Dell CPU:Intel四核/3.0GHz,RAM:8GB DDR3,1T硬盤主機、GPS同步時鐘、通訊層網線及網絡附件、站級層各開關柜智能保護測控裝置等組成;功能軟件Windows7 操作系統和數據庫、后臺監控軟件和多媒體語音報警系統實現對本站設備監控和管理等功能,預留與上級控制中心遠動通訊和第三方設備及硬件升級擴展接口。

3)設備選型:主回路采用中置柜、過壓保護器、電流/電壓互感器、真空斷路器、消弧柜等;操作監控由“五防”閉鎖、在線測溫預警、小電流接地選線、微機綜保、其他智能型組合電器、多功能綜合智能電表、直流智能高頻操作電源兼事故照明等。

 

5  監控功能

變電站以計算機監控為中心,實現對全部一次設備進行監視、測量、控制記錄和報警功能,中心控制層收集通訊層有效信息,并在監控主站進行數據處理和顯示,與分布式各智能監控單元采用CAN總線通訊,構成一個易于監控,支持多通信協議,功能組態靈活等特點綜合自動化系統,監控主接線如圖2所示。
                                                  

2  配電系統主接線

 

1)后臺監控系統:操作員站對實時采集模擬量、開關量、脈沖量以及各類保護信息與數據處理、電參量及各種功能報表統計計算;具有事故順序記錄報表和追憶,遙控變位、保護動作等信息,對設備故障、誤操作、保護事故告警等進行處理和存儲,操作員根據音響語音報警窗口彈出畫面背景顏色區分故障類型,具有信息收集、記錄、上傳、各種圖形畫面顯示,波形分析及打印等功能;實現對各類繼保裝置、安全自動裝置及故障錄波器定值和配置參數管理、設備實時運行狀態監視和信息顯示、用戶權限管理、主畫面遙控操作、圖形及組態等功能。

2)微機饋線綜保裝置:具有線路保護、測量、監控、故障記錄和通信等功能,其瞬時/限時電流速斷、定時限過流、過負荷、單相接地等報警/跳閘保護設置投退,修改保護定值和系統參數、設置模塊通信地址等,均可在面板“保護配置”選擇菜單軟切換完成;分組顯示測量和監控模擬量三相電流/電壓等電參量以及計算出三相有功/無功、功率因數等實時值和對電流/電壓等測量值進行越限監視等;即時監視和記錄顯示斷路器和隔離刀閘位置等開關量變位情況,通過CAN總線上傳監控機,并接受監控機和遠方調度下達對斷路器當地/遠方操作命令,操作權限由當地/遠方切換開關選擇;操作員通過面板查看保證配置、各主要電氣量實時值,整定值和壓板位置,系統時鐘和歷史記錄等;正常運行時,面板顯示被保護線路實時主接線和運行參數、信號指示燈、運行/設定切換開關,單元主接線如圖3所示。

 

 

3 單元主接線

 

3)微機小電流接地選線裝置:接地母線判斷是根據每段母線電壓互感器開口電壓決定,故障線路接地判斷是控制器采集零序TA電流信號經計算選出,給出指示信號,并打印和報警,克服小電流接地故障選線難,故障特性不明顯諧振接地,提高選線準確率。

4)微機分段保護裝置:本裝置和進線保護裝置基本功能與饋線類似,不在贅述。

5)微機消諧裝置:消弧柜控制器控制3個分相控制高壓真空接觸器處于分斷狀態,通過采集TV零序電壓判斷出接地故障相別及接地屬性,當弧光接地出現后,控制器發出指令裝置內接觸器合閘直接把故障相變成金屬性接地,消除弧光過電壓,同時向操作員站發出報警信號。

二次消諧實時監測TV開口三角處電壓和頻率,當發生單相接地時,瞬時啟動諧振元件產生強大阻尼消除諧振過電壓,并給出報警信號和保持相關信息。

(6)微機PT檢測裝置:實現過/低電壓和接地保護、TV自動并列和斷線告警,故障錄波等測控功能。

 

6  系統維護

裝置投運后應結合現場情況制定運維指南和點檢措施,設備正常運行工況異常,按相應運行規程處理;裝置關鍵部位異常,立即停機檢修;軟件故障或死機,則重啟動。在運行中禁止一切更改操作;定期更換開關電源和清除裝置內記錄數據;對系統數據庫和保護定值、功能模塊進行維護;對系統存儲器出錯和CPU故障、A/D采集和輸出回路出錯等I類硬件致命告警故障,立即停用保護裝置分析處理;對輸入回路異常、母線TV斷線和損壞、交流電壓輸入回路監視出現異常、熔絲熔斷等II類非致命告警故障,通過采集菜單查看裝置故障種類和部位來處理;系統硬件升級通過更換插件、改變跳線及修改程序等方式解決;裝置測量或執行回路燒壞若有備用回路,通過改變接線和修改程序解決。

 

7  二次開發

隨著農網轉型升級,按照數字化變電站和智能+模式構想充分利用網絡、無人機、巡檢機器人等智能技術進行軟硬件二次開發,實現電力系統“兩化”融合,消除自動化孤島現象,滿足云計算和大數據等要求。

1)遠程聯網監控:為探索無人值守模式和集中遠控,利用系統軟硬件接口和GPRS的4G/5G無線網絡開發出遠程重啟和保護投退、修改設置、軟件升級及維護等功能,將智能設備通過規約轉換為以太網,構成C/S或B/S架構,支持Web瀏覽和網絡發布,顯示界面自由切換、分類匯總統計和報表、斷路器分合次數累計、柜內溫濕度及高壓帶電顯示和閉鎖、各電力參數測量、故障檢測等綜合功能數據共享,通過手機客戶端隨時瀏覽設備運行狀況和短信報警故障信息自保持和當地/遠方復歸等;系統規模較小監控主機和操作員站可以是一臺工控機;系統規模較大時,增加服務器、通訊管理機等設備,組成多臺工控機冗余配置或采用雙服務器、雙前置、多個操作員站及工程師站等構架;通過操作員權限實現變電站過程監視、各種控制調節命令、系統故障緊急處理和時鐘統一硬件GPS和網絡雙重對時、根據站號集中修改定值參數等功能,根據需要設置多媒體支撐,直接輸入音視頻信號,控制錄像機和其他音視頻設備,全面實現自動化。

2)視頻安防監控:為確保有效監控設備運行狀況,在重要部位增加視頻輔助監控,作為“四遙”功能補充,實現遙控云臺上下、左右和鏡頭變倍、聚焦及預置位調整跟蹤控制和畫面異動報警等功能,減少運行人員靠近高壓帶電設備和火災事故發生。

3)小電流接地選線:農網為分布輻射架空線和電纜混合級聯供電,干支線級聯T分支節點多,每分支饋線為多臺變壓器公用,饋線方案選擇要慎之又慎,采用微機小電流接地選線裝置能迅速準確查找單相接地線路及母線接地,由通信口將瞬間接地故障報警信號上傳操作員站查詢;發生接地故障時,通過網絡互聯共享信息,根據饋線保護裝置內置小電流接地選線模塊上送的各條線路零序基波分量集中判斷接地間隔,或采用零序互感器TA輸出、饋線裝置、小電流接地選線電流回路串聯實現雙判別,接地間隔無法判別報警不消除按原始方法由網絡下達接地選線試跳命令進一步確定接地線路,減少誤判率,根據需要還可在監控系統中配置接地保護自動跳閘五防工作站配合,實現遠方操控。

4)綜保功能選擇:各廠家綜保可選功能有:調整時間若有上位機支持的可由上位機定時校時,同步信號是接受GPS還是內部產生,由跳線選擇;接口類型由軟件控制選擇;內嵌手動分合閘功能代替操作面板和柜面脫機操作;具有變送器功能可輸出4~20mA電流信號;內置小電流接地選線功能模塊實現接地判別和跳閘,不設零序TA的可能出現系統不平衡電流影響被淹沒使判斷不準確;本身具有計量功能或轉接電度表脈沖信號,在主站進行電量在線統計生成報表,滿足運行監視和遠程抄表所有功能,選擇時靈活配置

TA選擇時若測量與保護共用,必須滿足保護線性特性和測量精度要求;為確保動作可靠,避免每一開關操作切換回路遙信輸入信號抖動,在程序上對應設一個防抖時限,或采用觸點并聯方式雙位置采集;為防斷路器合閘因機構原因未能合上或合上后輔助接點未可靠切換,采用軟件延時或觸點串聯方式斷開合閘回路以防燒合閘線圈。

5)微機防誤閉鎖:目前多數變電所“五防”采用機械閉鎖,由機械編碼鎖對斷路器之外的隔離、接地刀閘、柜門等閉鎖,對可靠性要求較高變電所采用獨立于監控系統“五防”主機運行或與監控系統同機運行,也可連接模擬屏,五防主機和監控主機通過以太網交互數據,實現由監控主機完成五防在線準確自動對位,對斷路器、隔離開關、接地刀閘等與控制電磁鎖高壓帶電顯示裝置共同實現強制閉鎖,由電編碼鎖和電腦鑰匙將現場信息和操作命令傳給主機完成設備遙控操作。

6)監控功能整合:目前變配電自動化應用尚處在保護和測控層次,第三方設備未融入控制網絡,應按照“智能+”模式,升級開發跨平臺軟硬件支持平臺化、多應用、多用戶裝置運維需求,融入無人機和智能機器人技術實現復雜環境人機協作,采用保護、測量、控制、通信等技術,將智能電表、直流屏、小電流接地選線、防誤閉鎖等智能設備接入控制系統,用網絡技術代替傳統串口通信及與Modem連接靈活組網,采用硬對時、軟對時或軟硬對時組合方式,實現全系統“五遙”功能及無人值守和遠程維護等

隨著低壓開關電器逐步智能化,其內置通訊接口可通過通訊服務器實現規約轉換成以太網,與數據庫服務器、監控機、結合基礎自動化PLC等控制系統衍生出典型配置方案:即:高壓系統專業服務器作為數據庫服務器高配置方案;高壓系統監控機即作為服務器也可作為客戶機使用低配置方案;高壓部分10(6)kV選用多功能綜合保護器,400V低壓部分選用多功能測控裝置及電度計量的高低壓一體化方案,實現與其他管理計算機無縫鏈接監控和計量管控。

7)網絡備選方案:對大型區域變電所監控網絡采用總線方式已不能滿足高可靠性多功能監控要求,采用網絡控制是最佳選擇,可供連接方式:總線方式升級為網絡連接;雙網冗余連結,當其中一網故障時,無縫切換為單網運行;網絡節點較多采用雙網分段;站點擴展升級通過交換機、光纖集線器、光纖級聯等組合靈活配置

8)遠程無線監控:農網供電變壓器為箱變、柱上等場所安裝,高壓側控制為柱上SF6斷路器、隔離開關、跌落式開關,電量為高壓計量,安裝地域最復雜無法準確實時監控,當發生異常故障時,會大面積影響村莊及鄉鎮村中微企事業單位用電,應選用帶有無線收發功能設備結合電信GPRS和手機客戶端等手段實現變壓器和線路故障遠程無線監控。

 

8  結論

該變電所各裝置分散安裝在開關柜上,功能相互獨立,通過站內通訊網互聯信息共享,具有完善的遠方/就地操作及遠程監視和維護功能,能適應有人或無人值守混合管理模式,具有很好的安全性和實時性。

 


 
 

 
 
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