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厦门电力勘察设计院有限公司的研究人员郭国太，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文，结合厦门10kV智能开关站技术应用的实例，分析了10kV智能开关站的关键技术和系统结构，介绍了实施10kV智能开关站的设计方案，并对10kV智能开关站技术应用研究工作提出了建议。 随着我国国民经济快速发展，城市用电量增长迅猛，配电网络规模迅速扩大，电力用户对电力供应的可靠性和电力服务的要求越来越高，对配电网运行的稳定性和可靠性提出更高的要求。传统配电网络和运维管理模式已不满足电网发展需要，加快智能配电网的建设和提升配电网智能化水平，已经迫在眉睫。 10kV开关站作为配电网络一级站房应首率先智能化，智能技术实现开关站设备的状态预估和无人值守，提高开关站的安全可靠性，提高生产效率降低不良成本。 1 10kV智能开关站的关键技术 1.1 嵌入式无线射频测温技术 测温模块采用嵌入式的设计方式，使得该部分完全装于触臂的绝缘层内，同时在安装时采取了隔热、抗震等措施，使得原有的绝缘距离不受影响，保障了原有的绝缘水平。无线射频测温技术的原理是通过温度传感器的单片微处理器控制将测量设备温度转换成数字信号，再通过无线发射接收模块传递至接收器，通过微处理器将采集到的温度信息，然后上传到后台显示。 1.2 Ekey技术 每个TR测温模块均具有全球唯一的ID号，智能监控单元能自动搜索各监测点的温度。同时，配合eKey的技术设计，为了防止柜间的频率冲突，使用编码开关将相邻和相近的开关柜设置成不同频段，保证无线信号传输正常。 1.3 开关柜温度状态预估技术 智能管理系统可以内嵌开关柜的温升数学建模公式。系统可以根据保护或自动化装置上传的电流值计算出开关柜的理论温升情况，在加上智能监控单元上实际测量的开关室环境温度，就可以计算出测温点的理论计算温度。 再对比智能监控单元实际测量的温度，系统就可以判断出当前开关柜的温度状态情况。这样的温度状态预估系统就可以准确的依照当前的运行工况判断开关柜的运行状态，从而做到开关柜的状态预估，将开关柜故障消灭在萌芽状态。 1.4智能程序化一键操作技术 智能操控技术配合智能管理系统可以实现开关设备的一键式或全站程序化操作，预先依据操作票定义好操作序列，使用远方遥控技术、遥信监视技术、程序分析技术、系统处理技术等将原来由现场复杂的多个单步操作由远方一键操作实现。 1.5 IEC 61850/GOOSE弧光保护技术 利用IEC 61850/ GOOSE网络技术以极小的成本实现电弧故障保护，大大降低了电弧故障对开关设备损伤并实现了母线保护的时效性。 2 10kV智能开关站的系统结构 10kV智能开站系统结构按逻辑可分为过程层（设备层）、间隔层、站控层。过程层包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合并单元和智能终端。间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置等二次设备。站控层包含自动化系统、站域控制、通信系统、对时系统等子系统。 10kV智能开站系统结构按物理可分为智能化的一次设备和网络化的二次设备。开关柜的断路器、断路器手车（隔离开关）和接地刀等一次开关设备的电动操作技术是智能开关站的必要条件，适应了无人职守智能开关站的需求。开关柜的在线监测装置、智能监控单元、多功能微机装置、智能管理系统是实现开关站智能化的核心。 3 10kV智能开关站实例 厦门10kV保生堂开关站采用单母线分段接线方式，采用厦门ABB开关有限公司生产Unigear ZS1型铠装式金属封闭开关柜，开关柜配置电动操作的真空断路器手车和接地刀，与REF620、REF615智能保护装置相配合，使用COM600变电站管理系统作为通讯网关和就地管理系统，实现了整个开关站的智能化。 3.1开关柜智能设备 Unigear ZS1型铠装式金属封闭开关柜配备性能优良的VD4真空断路器、在线监测装置和控制保护单元，见图1。 图1 开关柜断面图 3.2 COM600管理系统 COM600管理系统，作为通讯网关和就地管理系统，对全站设备进行就地在线监测和控制，并作为SNTP网络对时服务器，完成对保护装置的同步对时。保护装置与COM600系统之间使用网络连接方式，并遵循IEC61850标准，同时为了接入直流屏、电度表等必须可以支持多种通讯协议（如：Modbus，103等）。COM600与上级调度系统使用光纤通讯方式，采用标准的IEC60870-5-104通讯规约。COM600系统网络结构见图2。 图2 COM600系统网络结构图 3.3 开关柜在线监测预警系统 开关柜在线监测预警系统，以底层按照IEC61850通讯协议开发的开关柜管理系统COM600为基础，以MDC4作为开关柜状态检测装置，支持TR温升实时在线监测及判断；断路器状态参数监测；断路器电寿命及机械寿命在线监测等的整体解决方案。 1）温升实时在线监测及判断 在开关柜一次回路中，对于母排和电缆头关键搭接部位，以及断路器触指与开关柜静触头插入接触部位，容易温度急升高，导致绝缘放电等故障的发生。因此，在上述部位的测温，为开关柜运行工况提供判据，并在发热缺陷初期就发出预警，以便进行必要的消缺处理。 测温模块采用无线射频测温技术嵌入智能触触臂内，每个TR测温模块具有全球唯一的ID号，MDC4智能监控单元能自动搜索各监测点的温度。同时，配合eKey技术，既便是在现场更换备用断路器或智能触臂，保证历史数据的可追溯及监测数据的边续性。 COM600管理系统会根据保护装置测量实时运行电流，根据开关柜的柜型的阻抗值计算出理论运行温度，做分析计算处理的工作。 2）断路器状态参数监测 根据真空断路器多年的运行经验统计，真空断路器中的二次元器件（包括储能电机、分合闸脱扣器等）现场出现的故障率，相对于其它关键部件较高。因此，对断路器二次器件实时进行状态监视，对早期潜在的故障做出诊断。 MDC4智能在线装置通过霍尔（HALL）电压和电流传感器，分别采集储能电机、分闸线圈、合闸线圈的工作时的电压电流信号，通过一系列的算法，可以获得储能电机的储能时间和电机电流，根据显示出的电压电流曲线，来判断被监测的二次元器件是否存在潜在的风险，图3、图4为断路储能电机在不同状态时的电流波形图： 图3 齿轮组状态良好时电流波形 图4 齿轮组磨损后电流波形 3）电动手车、电动地刀、储能电机保护模块 MDC4智能在线装置内置对与电动手车、电动地刀、储能电机保护模块。通过对于电动手车、电动地刀、储能电机的实时工作电流监视，以达到保护作用。当手车在运行过程中发生堵转现象时，MDC4即会监视到电流突变，为了保护电动手车MDC4会切断电流并倒转500毫秒同时发出报警。 4）IEC61850/GOOSE网络技术应用 GOOSE 是IEC 61850中定义的一种通用变电站事件模型，它以高速网络通讯为基础，为整个变电站装置间的通讯提供了快速且高效可靠的方法。通过GOOSE技术实现开关站母线弧光保护，在进线柜与出线均配置保护装置REF620、REF615，在三个高压分隔室分别装设传感器检测电弧信号。 采用REF620、REF615装置自带的弧光保护功能，可通过GOOSE以太网实现的母线弧光保护，GOOSE以太网弧光保护动作时间：<23 ms，及时消除弧光故障。 3.4 智能程序化一键操作 智能操控技术配合COM600管理系统可以实现开关设备的一键式或全站程序化操作，大大简化变电站操作步骤，提高远程操作效率，并有效防止误操作的发生，保证操作人员安全。 程序化操作分12组命令，即：运行转热备、运行转冷备、运行转检修、热备转运行、热备转冷备、热备转检修、冷备转运行、冷备转热备、冷备转检修、检修转运行、检修转热备、检修转冷备。 例如：操作员对进线柜H902进行“运行转检修”操作时，首先选择H902柜号按钮，屏幕右下角将出现H902柜当前状态，即“运行位”，然后选择命令组按钮“运行转检修”，确认无误后，开始“执行”，此时COM600发“运行转检修”的遥控命令到H902柜的REF620保护装置，保护装置即开始“分”断路器。 当确定断路器处于分闸位置后，断路器手车就开始从工作位移到试验位，经过一定时间后，确定手车到达试验位后，接地刀闸开始从断开位置合上，则结束本次操作，并将“程序化操作成功”信息反馈到COM600系统。操作程序图见图5。 图5 线路运行转检操作修流程图 多柜程序化和母线程序化是在线路程序化的技术基础上，由监控主站下发的对多个开关柜的程序化操作命令或者整条母线开关柜的程序化操作命令。COM600系统在接收到监控主站下发的遥控命令后，根据实际的运行工况进行分析判断，批次处理遥控命令。 在执行过程中实时监视每一步的程序化操作步骤，智能的对于操作过程中的问题进行判断处理，并上报给监控人员。多柜程序化和母线程序化可以在最大程度上提升开关站的智能化程度。 4 存在问题 厦门配电自动化主站系统采用DMS1000E系统，主要实现了配电SCADA、馈线自动化、网络拓扑、配电仿真、统计分析等功能，因此，开关柜在线预警的信号无法发送到主站分析处理，主站现只能实现智能程序化一键操作及传统三遥功能。 COM600管理系统可遵循IEC61850协议标准，但由于厦门配电自动化主站系统的通信协议采用IEC-60870-5-104，因此，10kV智能开关站COM600只能实现底层对保护等装置采用IEC61850标准，与配电自动化主站IEC-60870-5-104协议，未能真正实现全网采用IEC61850协议标准。 智能开关站设备厂家由于自身知识产权的意志，未能向供电部分或用户提供在线监测数据建模及原始数据，现阶段仅提供处理后结果，为今天主站在线监测建模分析处理增加困难。 5 结语 线监测预警、程序化一键操作等技术在10kV智能开关站的应用，实现对配电设备可观、可控。10kV智能开关站只是智能配电网中一部分，只有对现有配电自动化主站功能和通信协议升级协同，才直正实现对配电网络的实时分析和决策、自适应和自愈的智能化，满足未来配电系统集成、互动、自愈、兼容、优化的要求。 |
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