0引言

隨著變電站數(shù)量的不斷增多,運維人員的工作量在不斷增加,而傳統(tǒng)的管理模式難以滿足精益化管理要求,為此,提出一鍵順控新型操作模式。根據(jù)國家電網(wǎng)公司2021年初發(fā)布的《變電站一鍵順控改造技術規(guī)范》中給出的標準定義,一鍵順控是一種變電站倒閘操作模式,具備操作項目軟件預制^[1]、操作任務模塊式搭建、設備狀態(tài)自動判別、防誤聯(lián)鎖智能校核、操作步驟一鍵啟動、操作過程自動順序執(zhí)行等功能^[2]。其中設備狀態(tài)自動判別,即分合閘位置“雙確認”,要求變電站刀閘在滿足遠方遙控操作要求的同時,還至少有兩個非同樣原理或非同源指示發(fā)生對應變化^[3],且所有這些指示均已同時發(fā)生,才能確認刀閘已操作到位^[4],從而確保無人在現(xiàn)場觀察的情況下刀閘狀態(tài)能被正確判斷,防止刀閘分合不到位的情況發(fā)生。

1 改造原則及方案

1.1改造原則

隔離開關應具備遙控操作功能,應滿足位置“雙確認”條件,當隔離開關不具備遙控操作功能時,應先對隔離開關進行改造。

隔離開關位置信號的采集應采用“輔助開關接點位置遙信+姿態(tài)傳感器”或“輔助開關接點位置遙信+微動開關”或“輔助開關接點位置遙信+視頻聯(lián)

動”的判斷方式,輔助開關接點位置的遙信功能被視為主判斷依據(jù),姿態(tài)傳感器、微動開關或視頻聯(lián)動的位置遙信則作為輔助判斷標準。輔助開關接點位置遙信判斷邏輯應采用分/合雙位置開關接點,如圖1所示。

遙信裝置由安裝在分相隔離開關上的傳感器和安裝在現(xiàn)場的接收裝置組成,姿態(tài)傳感器與接收裝置之間通過標準通信方式進行通信。姿態(tài)傳感器測量三相隔離開關觸臂旋轉(zhuǎn)角度,根據(jù)觸臂分合時旋轉(zhuǎn)角度判斷隔離開關的分合狀態(tài)。三相隔離開關姿態(tài)遙信量全部為分位狀態(tài)時,接收裝置判定隔離開關為分狀態(tài);三相隔離開關姿態(tài)遙信量全部為合位狀態(tài)時,接收裝置判定隔離開關為合狀態(tài)。

微動開關安裝在隔離開關機構(gòu)箱內(nèi)或相應的傳動拐臂上,實現(xiàn)分合閘到位信號的檢測。微動開關直接輸出無源節(jié)點信號。

視頻聯(lián)動通過視頻聯(lián)動及智能分析技術實現(xiàn)隔離開關位置的輔助判斷,視頻聯(lián)動系統(tǒng)以采集到的隔離開關的導電臂夾角數(shù)據(jù)為依據(jù)判斷隔離開關狀態(tài)^[5]。

通過姿態(tài)傳感器、微動開關或視頻聯(lián)動對隔離開關分合閘狀態(tài)進行監(jiān)測,其判斷邏輯如圖2所示。

確認隔離開關分閘的依據(jù)為隔離開關位置遙信由合變分,且姿態(tài)(微動開關或視頻聯(lián)動)遙信為分位狀態(tài)^[6];反之,確認隔離開關合閘的依據(jù)為隔離開關位置遙信由分變合,且姿態(tài)(微動開關或視頻聯(lián)動)遙信為合位狀態(tài)。隔離開關雙確認邏輯如圖3所示。

1.2改造方案

隔離開關分合閘位置雙確認監(jiān)測系統(tǒng)應優(yōu)先采用有線通信的方式,避免監(jiān)測信息傳輸至一鍵順控主機系統(tǒng)時帶來干擾。隔離開關分合閘位置雙確認判據(jù)分為主要判據(jù)和輔助判據(jù),主要判據(jù)由輔助接點信號提供,輔助判據(jù)由姿態(tài)傳感器、微動開關或視頻聯(lián)動系統(tǒng)信號提供。系統(tǒng)架構(gòu)可分為有線傳輸和無線傳輸兩種,具體架構(gòu)方式如下:

1.2.1有線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

1)姿態(tài)傳感器:姿態(tài)傳感器獲取的隔離開關位置信息可通過工業(yè)總線方式傳送至附近的接收裝置,接收裝置經(jīng)過分合閘位置判別后,輸出無源節(jié)點至測控裝置(常規(guī)站)或智能組件(智能站)。接收裝置可將詳細信息(分合閘角度、分合閘時間、判別結(jié)論、傳感器工作狀態(tài)等)通過IEC 61850制造報文規(guī)范(ManufacturingMessageSpecification,MMS)上傳至Ⅲ區(qū)的后臺系統(tǒng)中,后臺系統(tǒng)可單獨部署也可接入變電站現(xiàn)有的輔控系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)隔離開關“雙確認”狀態(tài)的實時監(jiān)測^[7]。

2)微動開關:采用電纜通信方式將隔離開關微動開關位置信號傳輸至就地控制柜,在就地控制柜內(nèi),將微動開關無源節(jié)點信號三相之間直接串聯(lián)后接入變電站測控裝置。

3)視頻聯(lián)動系統(tǒng):由一體化數(shù)字云臺攝像機、順控視頻站端主機、順控視頻主站等部分組成。視頻聯(lián)動系統(tǒng)的實現(xiàn)有站端視頻聯(lián)動或調(diào)度端視頻聯(lián)動兩種方式。

(1)站端視頻聯(lián)動:站端監(jiān)控主機(順控主機)下發(fā)順控預置信令經(jīng)正向隔離裝置傳送至順控視頻站端主機,順控視頻站端主機自動調(diào)取對應的隔離開關視頻監(jiān)控數(shù)據(jù),并啟動視頻智能分析功能,順控視頻站端主機全程監(jiān)控隔離開關操作畫面,并以無源節(jié)點形式輸出隔離開關分合閘狀態(tài)信號至接收信號的測控裝置,完成站端視頻聯(lián)動的一鍵順控操作。

(2)調(diào)度端視頻聯(lián)動:調(diào)度主站下發(fā)順控預置信令經(jīng)正向隔離裝置經(jīng)Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)采集與集中監(jiān)控(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)事項服務器傳送至順控視頻主站系統(tǒng),順控視頻主站系統(tǒng)調(diào)取站端對應的一次設備視頻監(jiān)控數(shù)據(jù),并啟動視頻智能分析功能,順控視頻主站系統(tǒng)全程監(jiān)控隔離開關操作畫面,并將對應的隔離開關分合閘狀態(tài)信號經(jīng)SCADA事項服務器傳輸至調(diào)度主站,支撐調(diào)度完成一鍵順控操作。

有線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示,虛線框內(nèi)為隔離開關分合閘位置“雙確認”改造范圍。

1.2.2無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

隔離開關分合閘位置無線采集系統(tǒng)由低功耗或微功率傳感器(含姿態(tài)傳感器、微動開關及視頻采集終端)、匯聚節(jié)點、接入節(jié)點、電力專網(wǎng)、接入控制器 及接入網(wǎng)關等部分組成。位置信號采集終端采用低功耗或微功率無線傳感器,并通過接入認證、安全芯片、算法加密、傳輸數(shù)據(jù)加密等技術措施保障信息傳輸安全。匯聚節(jié)點及接入節(jié)點建立全覆蓋的傳感器網(wǎng)絡,實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的隔離開關分合閘狀態(tài)信號匯集、邊緣計算(分合閘狀態(tài)判別及故障信息分析等)、數(shù)據(jù)上傳及節(jié)點控制。

無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示,點劃線框內(nèi)為隔離開關分合閘位置“雙確認”改造范圍。

2 技術路線

2.1 姿態(tài)傳感器

基于姿態(tài)傳感器的隔離開關位置“雙確認”判別原理:監(jiān)測傳感器本體所處部件的位置角度情況,通過一定的解算算法,計算出傳感器的旋轉(zhuǎn)角度和變化情況^[8],從而判斷隔離開關分合閘狀態(tài),輸出判別結(jié)論至上層網(wǎng)絡,輔助完成一鍵順控操作。

姿態(tài)傳感系統(tǒng)在隔離開關動作時應準確判別分合閘狀態(tài),并給出分閘到位、合閘到位、分閘異?；蚝祥l異常的遙信信號。姿態(tài)傳感器在隔離開關上安裝后應進行標定,具體如下:標定分閘到位為0°,操作隔離開關n次(n≥3),測量分閘到位與合閘到位之間的角度值θi,求平均取得分合閘之間角度值,稱為額定值θ,θ=1/nΣθi;設置分閘到位判別閾值α,合閘到位判別閾值β。標定后,姿態(tài)傳感器進入正常工作狀態(tài),姿態(tài)傳感系統(tǒng)應滿足如下要求:

1)隔離開關分閘操作時,若分閘實際角度為γ,則無論何時,姿態(tài)傳感系統(tǒng)應給出如下判別:當—α≤γ≤α時,姿態(tài)傳感系統(tǒng)應輸出分閘到位信號;當γ<—α或γ>α時,姿態(tài)傳感系統(tǒng)應可靠輸出分閘異常信號。

2)隔離開關合閘操作時,若合閘實際角度為γ,則無論何時,姿態(tài)傳感系統(tǒng)應給出如下判別:當(θ—β)≤γ≤(θ十β)時,姿態(tài)傳感系統(tǒng)輸出分閘到位信號;當γ<(θ—β)或γ>(θ十β)時,姿態(tài)傳感系統(tǒng)輸出合閘異常信號。

2.2微動開關

隔離開關開合情況通常由分到位微動開關和合到位微動開關一同判斷。分到位微動開關常開觸點閉合表示分閘到位,合到位微動開關常開觸點閉合表示合閘到位;如兩個微動開關均未閉合則表示隔離開關正在操作過程中,或動作未到位,如表1所示。

注:O為微動開關常開觸點閉合,×為微動開關常開觸點未閉合。

2.3視頻聯(lián)動系統(tǒng)

一鍵順控操作過程中,視頻聯(lián)動系統(tǒng)以采集到的隔離開關的導電臂夾角數(shù)據(jù)為依據(jù)判斷隔離開關狀態(tài),通過視頻聯(lián)動及智能分析技術實現(xiàn)隔離開關位置的輔助判斷。設置合閘到位判別閾值為α,分閘到位判別閾值為β,實際測得隔離開關導電臂夾角為γ,則視頻聯(lián)動系統(tǒng)的判別原則如下:

1)當180°-α<γ<180°+α時,系統(tǒng)判別隔離開關位置為合閘到位;

2)當0°<γ<β時,系統(tǒng)判別隔離開關位置為分閘到位;

3)當β<γ<180°-α時,系統(tǒng)判別隔離開關位置為分合閘異常。

3 技術關鍵點

3.1 姿態(tài)傳感器技術關鍵點

姿態(tài)傳感器通常安裝于隔離開關的運動部件上,利用陀螺儀原理,通過測量隔離開關運動部件的旋轉(zhuǎn)角度及運行距離來判斷隔離開關的位置情況。姿態(tài)傳感器測得的位置信號需要配置接收裝置進行處理和傳輸,一般通過無源節(jié)點信號傳輸至測控裝置或智能終端,然后傳輸至站控層網(wǎng)絡進行應用。

3.2微動開關技術關鍵點

微動開關傳感器一般在隔離開關的運動部件和 固定部件之間安裝,當隔離開關開合閘到位后,運動部件動作于彈簧片,使動、靜觸點信號接通從而得到開關的位置信號。一般通過無源節(jié)點信號傳輸至測控裝置或智能終端,再送至站控層網(wǎng)絡。

3.3視頻聯(lián)動系統(tǒng)技術關鍵點

視頻聯(lián)動系統(tǒng)是通過變電站的視頻主機采集隔離開關分合閘狀態(tài)圖像,并通過圖像智能識別位置、準確判斷狀態(tài),通過無源節(jié)點形式或反向隔離裝置輸出位置狀態(tài)識別結(jié)果和圖像信息,主要有就地圖像識別、站控層集中分析識別(無源節(jié)點輸出)、站控層集中分析識別(反向隔離裝置輸出)三種。

3.3.1就地圖像識別

在每個間隔配置就地圖像識別裝置,接入本間隔高清攝像機,負責本間隔所有隔離開關的視頻雙確認,裝置內(nèi)置視頻智能分析算法, 自動識別隔離開關分合閘位置,輸出無源節(jié)點信號至測控裝置或智能終端,作為隔離開關狀態(tài)的輔助判據(jù)。同時,視頻監(jiān)控主機自動推送被操作隔離開關的現(xiàn)場視頻畫面,監(jiān)視整個動作過程,并啟動錄像,便于追溯。

3.3.2站控層集中分析識別(無源節(jié)點輸出)

在每個間隔配置專用高清攝像機,站控層配置智能分析服務器,內(nèi)置視頻智能分析算法, 自動識別隔離開關分合閘位置,識別結(jié)果通過DL/T860或 DL/T634.5104協(xié)議控制智能開出裝置的繼電器出口輸出至測控裝置,作為隔離開關狀態(tài)的輔助判據(jù)。同時,視頻監(jiān)控主機自動推送被操作隔離開關的現(xiàn)場視頻畫面,監(jiān)視整個動作過程,并啟動錄像,便于追溯。

3.3.3 站控層集中分析識別(反向隔離裝置輸出)

在每個間隔配置專用高清攝像機,站控層配置智能分析服務器,內(nèi)置視頻智能分析算法, 自動識別隔離開關分合閘位置,識別結(jié)果通過反向隔離裝置輸出至一鍵順控主機,作為隔離開關狀態(tài)的輔助判據(jù)。同時,視頻監(jiān)控主機自動推送被操作隔離開關的現(xiàn)場視頻畫面,監(jiān)視整個動作過程,并啟動錄像,便于追溯。

4 安裝方案

4.1姿態(tài)傳感器安裝方案

本方案以110kV氣體絕緣開關設備(Gas Insulated Switchgear,GIS)為例進行分析。若根據(jù)本體結(jié)構(gòu)特點來分,110 kVGIS隔離開關一般可分為隔離開關以及三工位隔離—接地組合開關兩種;若根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)特點來分,可分為無拐臂型及有拐臂型兩種,以前的 GIS隔離開關一般為有拐臂型,因為技術的發(fā)展進步以及GIS隔離開關小型化的要求, 目前無拐臂型三工位隔離—接地組合開關的使用已成為主流。以下介紹此類開關安裝姿態(tài)傳感器的方式。

無拐臂型三工位隔離—接地組合開關一般分為兩種:用于母線的機構(gòu)水平布置的隔離開關和用于出線的機構(gòu)豎直布置的隔離開關。以ZF12B—126(L)型GIS為例,此開關的傳動軸是直接插入機構(gòu)中的,所以只能在機構(gòu)內(nèi)部安裝姿態(tài)傳感器。

如圖6所示,姿態(tài)傳感器與傳動軸的聯(lián)動使用了工裝,姿態(tài)傳感器通過螺栓固定在工裝上,工裝下部也有螺栓,擰入傳動軸頂部的螺孔與傳動軸固定。為防止轉(zhuǎn)動過程中螺紋松動,增加彈簧墊圈。為防止安裝過程中螺紋咬死破壞螺紋結(jié)構(gòu),增加力矩工裝。

針對機構(gòu)內(nèi)部空間較小,傳感器安裝困難的情況,提供以下兩種解決方案:

方案一:改機構(gòu)箱上蓋,增加一個專用的觀察窗,如圖7所示。

方案二:將姿態(tài)傳感器設計為分體結(jié)構(gòu),減小測量部分的厚度,如圖8所示。

傳感器罩的設計方便了清晰辨別哪些機構(gòu)箱裝有姿態(tài)傳感器,同時避免了機構(gòu)箱外殼對無線數(shù)據(jù)的屏蔽效應,保證了數(shù)據(jù)可靠性;使用相同尺寸的傳感器罩,可以解決各種機構(gòu)內(nèi)部空間小的問題,通用性較強。

4.2微動開關安裝方案

微動開關在隔離開關的安裝位置應考慮不對隔離開關的正常運作造成阻礙,作為“第二判據(jù)”使用的微動開關一般和“啟停電機”用微動開關的安裝位置相同,但兩者間沒有電氣聯(lián)系;同時,微動開關在機構(gòu)上的安裝位置應固定,以保證微動開關維護或更換時其相對位置、角度等參數(shù)不變。

本方案以GIS隔離開關改造中微動開關安裝方式為例進行分析。目前,主流組合電器的隔離開關產(chǎn)品均采用微動開關作為產(chǎn)品分合閘是否到位的判斷依據(jù),運動到位后微動開關被壓后跳閘,經(jīng)過其他元器件給電機斷電。微動開關安裝方式如圖9所示。

內(nèi)部的微動開關安裝示意圖如圖10所示。

目前隔離開關分合閘位置信號均由輔助開關引 出,輔助開關接點信號可作為主要判據(jù);依目前主流的隔離開關機構(gòu)的傳動方式,在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎上額外增加一組微動開關,作為輔助判據(jù),即可達到“雙確認”的 目的。將新增的行程開關觸點的開斷信號引出至智能組件(或測控裝置),用作分合閘位置的“雙確認”,如圖11所示。

4.3視頻聯(lián)動系統(tǒng)安裝方案

攝像機的安裝位置和方式必須考慮不對一次設備正常運行、操作、檢修和巡視造成影響,并且攝像機安裝位置必須符合與帶電設備的安全距離要求,還應能拍攝到隔離開關動作的全部過程及位置狀態(tài)。同時,攝像機的安裝位置應固定,從而保證在攝像機維護或更換時其與隔離開關的相對位置、角度等參數(shù)不變。

4.3.1攝像頭安裝方案

對于AIS變電站,每組隔離開關設備需保證有4 臺區(qū)域云臺攝像機能同時監(jiān)控,按“全景十A相十B相十 C相”模式,確保全順控操作隔離開關智能研判分析數(shù)據(jù)準確。

根據(jù)變電站隔離開關監(jiān)控要求,每個間隔(500kv 及以上按每個斷路器配置)配置3臺白光燈網(wǎng)絡高速高清一體化云臺攝像機,首要用于全遙控操作時監(jiān)視隔離開關分合情況并兼顧隔離開關全景;每臺主變配置2臺攝像機,首要監(jiān)視主變中性點隔離開關分合情況并兼顧設備全景。AIS隔離開關的三相監(jiān)控畫面中,要求在分合閘操作時可以完整拍攝到隔離開關導電臂的全景,并且在畫面中隔離開關傾斜角度應不大于45°,如圖12所示。

4.3.2順控視頻站端主機安裝方案

1)站端順控操作模式:變電站部署一臺順控視頻站端主機,根據(jù)一鍵順控操作原則,同一變電站同時僅操作一組隔離開關。根據(jù)系統(tǒng)通用性原則,一臺順控視頻站端主機可同時分析6路隔離開關視頻,視頻分辨率大于720P,分析幀率大于15幀;隔離開關智能研判采用實時視頻實時分析模式進行,對于一個隔離開關采用A、B、C三相獨立并行分析模式,同時參考三相全景,綜合分析得到每一相隔離開關分合狀態(tài)。狀態(tài)分析結(jié)果清晰易懂,并直接在視頻畫面中展示。

2)調(diào)度端順控操作模式:變電站在站端部署一臺順控視頻主機,地區(qū)與站端網(wǎng)絡帶寬大于100M;站端系統(tǒng)需符合Q/GDW1517.1—2014《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口 第1部分:技術要求》規(guī)范建設要求,接入順控地區(qū)主站。

5雙確認裝置調(diào)試驗收

現(xiàn)場調(diào)試包括雙確認裝置單獨調(diào)試、雙確認裝置與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試兩部分。

5.1 單獨調(diào)試

1)姿態(tài)傳感器調(diào)試主要包括傳感器的標定、地址設置、通信狀態(tài)檢查等。

2)微動開關調(diào)試主要是操作機構(gòu)動作時間與其接點觸發(fā)時間的一致性調(diào)試。

3)視頻聯(lián)動系統(tǒng)調(diào)試包括但不限于攝像機與視頻監(jiān)控主機、視頻監(jiān)控主機與一鍵順控主機的單個功能調(diào)試及其之間的通信調(diào)試。

5.2 聯(lián)合調(diào)試

1)姿態(tài)傳感器的聯(lián)合調(diào)試主要包括確認接收裝置與測控裝置或智能終端的接點信號是否正確, RS-485或DL/T860通信是否正常,遙信數(shù)據(jù)是否正常上傳至站控層網(wǎng)絡,雙確認時間是否滿足要求。

2)微動開關的聯(lián)合調(diào)試主要是確認微動開關本體與測控裝置或智能終端的接點信號是否正確,遙信數(shù)據(jù)是否正常上傳至站控層網(wǎng)絡,雙確認時間是否滿足要求。

3)視頻聯(lián)動系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試主要是視頻監(jiān)控主機與變電站一鍵順控主機之間的信號傳輸調(diào)試,并確認遙信數(shù)據(jù)是否正常上傳至站控層網(wǎng)絡,雙確認時間是否滿足一鍵順控主機順控操作的時間要求。

6 結(jié)束語

本文通過改造實現(xiàn)了一種新的隔離開關設備分合閘位置監(jiān)測方式,與傳統(tǒng)輔助開關接點實現(xiàn)隔離開關設備分合閘位置判斷的方式形成非同源的分合閘位置指示,從而可以作為隔離開關分閘或合閘位置“雙確認”的判斷依據(jù),可在變電站一鍵順控操作時極大地提高隔離開關分合閘狀態(tài)切換的安全性。

[參考文獻]

[1]鄭小革,高超,周凡,等.變電站一鍵順控改造方案研究及實施[J].電網(wǎng)與清潔能源,2019,35(12):37-42.

[2]楊帆,袁維,高鵬飛,等.順控技術在跨變電站操作中的方案及應用研究[J].水電與新能源,2021,35(8):14-16.

[3]徐慧偉,劉佳敏,馬磊,等.關于變電運維倒閘操作中檢查電氣指示位置的探討[J].電子質(zhì)量,2022(2):127-129.

[4]錢海,邱金輝,賈松江,等.基于D5000平臺的繼電保護遠方操作雙確認技術研究與應用 [J].電網(wǎng)與清潔能源,2017,33(7):19-24.

[5]杜非,王廣真,張賀軍,等.用于隔離開關位置“雙確認”技術的姿態(tài)傳感器系統(tǒng)檢測平臺 [J].中國電力,2019,52(11):153-158.

[6] 羅雨霖,王光,王舶仲.基于微動開關技術的智能隔離開關分合閘位置判別方法 [J]. 電工技術,2021 (13):129-130.

[7] 陳富國,楊愛軍,馬慧珍,等.高壓隔離開關狀態(tài)智能感知系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 自動化技術與應用,2021,40 (8):131-135.

[8]毛文奇,王舶仲,蔣毅舟,等.高壓隔離開關分合閘位置監(jiān)測技術的研究綜述及展望[J].智慧電力,2019,47 (8):112-119.

2024年第23期第1篇