关键词：操作员站；智能监控单元；数字变电站；智能+；巡检机器人

1  引言

莱钢35kV厂用变电所6.0kV系统为周边农村分布供电易地升级改造为农网独立供电，实现了分散控制、集中管理、远程监控和运维无人值守构想。

2  设备状况

（1）高压设备：双电源单母线母联分段供电，一次设备由GG-1A型开关柜、母线、少油断路器、上/下隔离刀、电流/电压互感器等组成。

（2）控制设备：主控室中央信号屏、交直流电源柜、灯光和光字牌及音响装置；继保等继电器为电磁式；分合闸回路由防跳和保护出口继电器、分合闸接触器、分合闸线圈、断路器辅助触点、选择开关和按钮等。

（3）计测设备：电量、电流、电压等表计均为机械式，通过TA和TV二次接线完成各回路电参数测量和监视。

3 存在问题

变电所设备已转型升级，备件采购困难，保护定值需每年调校，断路器触头和油更换及油位保持困难，全所停电储能电容器仅供两台断路器跳闸；断路器喷油、人工巡视抄表、交直流绝缘降低及接地、无电气“五防” 和带电显示器及事故照明、刀闸闭合卡涩、断路器烧分合闸线圈等各种事故频发，难以准确判别和查询，虽历经升级，但仍处低水平，再无高层次拓展改造实现计算机智能监控的空间。

4  改造策划

鉴于供电设备能力不足和无法进行计算机全数字监控及联网管控等现状，经对同行业设备改造应用情况考察论证，决定进行适应性扩容升级改造，实现智能化数字监控。

（1）改造方案：采用计算机监控系统“无人值守”或“少人值守”模式设计，按照分层、分布式原则，构成中心控制层、通讯层、站级层架构，系统配置如图1所示

                                                                        图1 系统架构配置

（2）软硬件选型：后台监控系统硬件由Dell CPU：Intel四核/3.0GHz，RAM：8GB DDR3，1T硬盘主机、GPS同步时钟、通讯层网线及网络附件、站级层各开关柜智能保护测控装置等组成；功能软件Windows7 操作系统和数据库、后台监控软件和多媒体语音报警系统实现对本站设备监控和管理等功能，预留与上级控制中心远动通讯和第三方设备及硬件升级扩展接口。

（3）设备选型：主回路采用中置柜、过压保护器、电流/电压互感器、真空断路器、消弧柜等；操作监控由“五防”闭锁、在线测温预警、小电流接地选线、微机综保、其他智能型组合电器、多功能综合智能电表、直流智能高频操作电源兼事故照明等。

5  监控功能

变电站以计算机监控为中心，实现对全部一次设备进行监视、测量、控制记录和报警功能，中心控制层收集通讯层有效信息，并在监控主站进行数据处理和显示，与分布式各智能监控单元采用CAN总线通讯，构成一个易于监控，支持多通信协议，功能组态灵活等特点综合自动化系统，监控主接线如图2所示。
                                                  

图2  配电系统主接线

（1）后台监控系统：操作员站对实时采集模拟量、开关量、脉冲量以及各类保护信息与数据处理、电参量及各种功能报表统计计算；具有事故顺序记录报表和追忆，遥控变位、保护动作等信息，对设备故障、误操作、保护事故告警等进行处理和存储，操作员根据音响语音报警窗口弹出画面背景颜色区分故障类型，具有信息收集、记录、上传、各种图形画面显示，波形分析及打印等功能；实现对各类继保装置、安全自动装置及故障录波器定值和配置参数管理、设备实时运行状态监视和信息显示、用户权限管理、主画面遥控操作、图形及组态等功能。

（2）微机馈线综保装置：具有线路保护、测量、监控、故障记录和通信等功能，其瞬时/限时电流速断、定时限过流、过负荷、单相接地等报警/跳闸保护设置投退，修改保护定值和系统参数、设置模块通信地址等，均可在面板“保护配置”选择菜单软切换完成；分组显示测量和监控模拟量三相电流/电压等电参量以及计算出三相有功/无功、功率因数等实时值和对电流/电压等测量值进行越限监视等；即时监视和记录显示断路器和隔离刀闸位置等开关量变位情况，通过CAN总线上传监控机，并接受监控机和远方调度下达对断路器当地/远方操作命令，操作权限由当地/远方切换开关选择；操作员通过面板查看保证配置、各主要电气量实时值，整定值和压板位置，系统时钟和历史记录等；正常运行时，面板显示被保护线路实时主接线和运行参数、信号指示灯、运行/设定切换开关，单元主接线如图3所示。

图3 单元主接线

（3）微机小电流接地选线装置：接地母线判断是根据每段母线电压互感器开口电压决定，故障线路接地判断是控制器采集零序TA电流信号经计算选出，给出指示信号，并打印和报警，克服小电流接地故障选线难，故障特性不明显谐振接地，提高选线准确率。

（4）微机分段保护装置：本装置和进线保护装置基本功能与馈线类似，不在赘述。

（5）微机消谐装置：消弧柜控制器控制3个分相控制高压真空接触器处于分断状态，通过采集TV零序电压判断出接地故障相别及接地属性，当弧光接地出现后，控制器发出指令装置内接触器合闸直接把故障相变成金属性接地，消除弧光过电压，同时向操作员站发出报警信号。

二次消谐实时监测TV开口三角处电压和频率，当发生单相接地时，瞬时启动谐振元件产生强大阻尼消除谐振过电压，并给出报警信号和保持相关信息。

（6）微机PT检测装置：实现过/低电压和接地保护、TV自动并列和断线告警，故障录波等测控功能。

6  系统维护

装置投运后应结合现场情况制定运维指南和点检措施，设备正常运行工况异常，按相应运行规程处理；装置关键部位异常，立即停机检修；软件故障或死机，则重启动。在运行中禁止一切更改操作；定期更换开关电源和清除装置内记录数据；对系统数据库和保护定值、功能模块进行维护；对系统存储器出错和CPU故障、A/D采集和输出回路出错等I类硬件致命告警故障，立即停用保护装置分析处理；对输入回路异常、母线TV断线和损坏、交流电压输入回路监视出现异常、熔丝熔断等II类非致命告警故障，通过采集菜单查看装置故障种类和部位来处理；系统硬件升级通过更换插件、改变跳线及修改程序等方式解决；装置测量或执行回路烧坏若有备用回路，通过改变接线和修改程序解决。

7  二次开发

随着农网转型升级，按照数字化变电站和“智能+”模式构想，充分利用网络、无人机、巡检机器人等智能技术进行软硬件二次开发，实现电力系统“两化”融合，消除自动化孤岛现象，满足云计算和大数据等要求。

（1）远程联网监控：为探索无人值守模式和集中远控，利用系统软硬件接口和GPRS的4G/5G无线网络开发出远程重启和保护投退、修改设置、软件升级及维护等功能，将智能设备通过规约转换为以太网，构成C/S或B/S架构，支持Web浏览和网络发布，多显示界面自由切换、分类汇总统计和报表、断路器分合次数累计、柜内温湿度及高压带电显示和闭锁、各电力参数测量、故障检测等综合功能数据共享，通过手机客户端随时浏览设备运行状况和短信报警，故障信息自保持和当地/远方复归等；系统规模较小监控主机和操作员站可以是一台工控机；系统规模较大时，增加服务器、通讯管理机等设备，组成多台工控机冗余配置或采用双服务器、双前置、多个操作员站及工程师站等构架；通过操作员权限实现变电站过程监视、各种控制调节命令、系统故障紧急处理和时钟统一硬件GPS和网络双重对时、根据站号集中修改定值参数等功能，还可根据需要设置多媒体支撑，直接输入音视频信号，控制录像机和其他音视频设备，全面实现自动化。

（2）视频安防监控：为确保有效监控设备运行状况，在重要部位增加视频辅助监控，作为“四遥”功能补充，实现遥控云台上下、左右和镜头变倍、聚焦及预置位调整跟踪控制和画面异动报警等功能，减少运行人员靠近高压带电设备和火灾事故发生。

（3）小电流接地选线：农网为分布辐射架空线和电缆混合级联供电，干支线级联T及╋分支节点多，每分支馈线为多台变压器公用，馈线方案选择要慎之又慎，采用微机小电流接地选线装置能迅速准确查找单相接地线路及母线接地，由通信口将瞬间接地故障报警信号上传操作员站查询；发生接地故障时，通过网络互联共享信息，根据馈线保护装置内置小电流接地选线模块上送的各条线路零序基波分量集中判断接地间隔，或采用零序互感器TA输出、馈线装置、小电流接地选线电流回路串联实现双判别，接地间隔无法判别报警不消除按原始方法由网络下达接地选线试跳命令进一步确定接地线路，减少误判率，根据需要还可在监控系统中配置接地保护自动跳闸与五防工作站配合，实现远方操控。

（4）综保功能选择：各厂家综保可选功能有：调整时间若有上位机支持的可由上位机定时校时，同步信号是接受GPS还是内部产生，由跳线选择；接口类型由软件控制选择；内嵌手动分合闸功能代替操作面板和柜面脱机操作；具有变送器功能可输出4~20mA电流信号；内置小电流接地选线功能模块实现接地判别和跳闸，不设零序TA的可能出现系统不平衡电流影响被淹没使判断不准确；本身具有计量功能或转接电度表脉冲信号，在主站进行电量在线统计生成报表，满足运行监视和远程抄表所有功能，选择时灵活配置。

TA选择时若测量与保护共用，必须满足保护线性特性和测量精度要求；为确保动作可靠，避免每一开关操作切换回路遥信输入信号抖动，在程序上对应设一个防抖时限，或采用触点并联方式双位置采集；为防断路器合闸因机构原因未能合上或合上后辅助接点未可靠切换，采用软件延时或触点串联方式断开合闸回路以防烧合闸线圈。

（5）微机防误闭锁：目前多数变电所“五防”采用机械闭锁，由机械编码锁对断路器之外的隔离、接地刀闸、柜门等闭锁，对可靠性要求较高变电所采用独立于监控系统“五防”主机运行或与监控系统同机运行，也可连接模拟屏，五防主机和监控主机通过以太网交互数据，实现由监控主机完成五防在线准确自动对位，对断路器、隔离开关、接地刀闸等与控制电磁锁高压带电显示装置共同实现强制闭锁，由电编码锁和电脑钥匙将现场信息和操作命令传给主机完成设备遥控操作。

（6）监控功能整合：目前变配电自动化应用尚处在保护和测控层次，第三方设备未融入控制网络，应按照“智能+”模式，升级开发跨平台软硬件支持平台化、多应用、多用户装置运维需求，融入无人机和智能机器人技术实现复杂环境人机协作，采用保护、测量、控制、通信等技术，将智能电表、直流屏、小电流接地选线、防误闭锁等智能设备接入控制系统，用网络技术代替传统串口通信及与Modem连接灵活组网，采用硬对时、软对时或软硬对时组合方式，实现全系统“五遥”功能及无人值守和远程维护等。

随着低压开关电器逐步智能化，其内置通讯接口可通过通讯服务器实现规约转换成以太网，与数据库服务器、监控机、结合基础自动化PLC等控制系统衍生出典型配置方案：即：高压系统专业服务器作为数据库服务器高配置方案；高压系统监控机即作为服务器也可作为客户机使用低配置方案；高压部分10（6）kV选用多功能综合保护器，400V低压部分选用多功能测控装置及电度计量的高低压一体化方案，实现与其他管理计算机无缝链接监控和计量管控。

（7）网络备选方案：对大型区域变电所监控网络采用总线方式已不能满足高可靠性多功能监控要求，采用网络控制是最佳选择，可供连接方式：总线方式升级为网络连接；双网冗余连结，当其中一网故障时，无缝切换为单网运行；网络节点较多采用双网分段；站点扩展升级通过交换机、光纤集线器、光纤级联等组合灵活配置。

（8）远程无线监控：农网供电变压器为箱变、柱上等场所安装，高压侧控制为柱上SF6断路器、隔离开关、跌落式开关，电量为高压计量，安装地域最复杂无法准确实时监控，当发生异常故障时，会大面积影响村庄及乡镇村中微企事业单位用电，应选用带有无线收发功能设备结合电信GPRS和手机客户端等手段实现变压器和线路故障远程无线监控。

8  结论

该变电所各装置分散安装在开关柜上，功能相互独立，通过站内通讯网互联信息共享，具有完善的远方/就地操作及远程监视和维护功能，能适应有人或无人值守混合管理模式，具有很好的安全性和实时性。