基于物联网的变电站双电源备自投状态监测方法

梁毅辉

（国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

变电站是一种能够接收电能，并对电能做出快速分配的场所，根据电力系统的供电需求与特性，变换电压与电流[1]。变电站根据规模和功能可以分为四类，均能在满足经济的前提下高效实现不间断供电[2]。变电站在运行过程中受运行环境、条件等复杂因素的影响，存在一定的安全风险隐患[3]。变电站备自投装置即备用电源自动投入装置，当系统运行的主供电源发生故障时，该装置能够判定变电站的启动条件，向变电站失压母线供电，规避停电事故[4]。一般情况下，变电站备自投装置多数与断路器保护装置分开设置，在断开断路器后，方可投入备用电源[5]。备自投装置投入运行后，一旦闭锁动作错误，会导致变电站双电源备自投状态异常，需要根据备自投状态的动态变化，立即切除故障。因此寻求科学合理的备自投状态监测方法至关重要。现阶段，传统的备自投状态监测方法以文献[1]和文献[4]提出的方法为主，但在变电站规模较大的情况下，监测时效性较差，备自投状态监测误差较大，监测精度较低。

文章通过引入物联网技术，开展基于物联网的变电站双电源备自投状态监测方法研究，为实现变电站备自投状态的高精度监测做出贡献。

1 变电站双电源备自投状态监测方法设计

1.1 变电站双电源备自投蓄电池巡检设计

设计的监测方法选用JK0603BA-1型号的电池巡检仪，实时采集双电源备自投装置蓄电池参数。电池巡检仪的技术指标设置如表1所示。

表1 电池巡检仪的技术指标设置

通过ZigBee无线通信技术，将采集的参数上传至巡检仪控制器。通过蓄电池温度补偿，对采集的蓄电池电压进行修正，避免备自投装置蓄电池的浮充电压受到外界环境条件的影响而发生变化。电压修正公式为

式中：Utc表示经过温度补偿后的备自投装置蓄电池浮充电压；Un表示未经过温度补偿的备自投装置蓄电池浮充电压；Tc表示蓄电池温度补偿系数；N表示变电站双电源备自投装置蓄电池组中的蓄电池数量；T表示通过温度传感器检测到的备自投装置蓄电池的温度。蓄电池电压修正后，上位机通过RS-485实时接收电池参数，对备自投装置的蓄电池进行实时监控。

1.2 基于物联网的备自投绝缘状态监测

利用物联网技术，对双电源备自投绝缘状态进行实时监测。变电站双电源备自投装置在运行过程中出现接地故障，可能引起变电站电气设备误动作、信号回路等问题，严重情况下还会对电力系统造成危害。基于物联网的备自投绝缘状态监测流程如图1所示。

图1 基于物联网的备自投绝缘状态监测流程

首先，将变电站的基础系统划分为过程处理层、间隔层以及变电站层等基本结构。其次，通过树型多层分布式监测，采集双电源备自投绝缘状态信号。基于物联网的转化与实时传输作用，先将采集的绝缘状态物理信号转化为电信号，并传输至在线监测装置，存储并诊断处理信号数据。最后，将全部监测数据汇总至数据库，传输至物联网云平台中，通过云平台的大数据处理技术，对监测数据进行多维度的分析与诊断，生成变电站双电源备自投状态监测结果。若变电站双电源备自投绝缘状态异常，则此时备自投装置母线上注入的频率不同、幅值相同的电压信号存在交替出现的现象；若变电站双电源备自投绝缘状态正常，则频率相同、幅值相同的电压信号不会出现交替现象。将监测结果发送给变电站相关负责人，负责人根据监测结果制定相应的操作指令，规避变电站双电源备自投状态异常问题。

1.3 备自投状态监测数据库建模设计

文章设计的变电站双电源备自投状态监测数据库包括4个组成区域，对应的内容如表2所示。

表2 备自投状态监测数据库表分区

按照表2所示的变电站双电源备自投状态监测数据库表分区，建立监测数据库，存储、调取并管理细分的备自投状态检测数据。通过数据库表之间存在的约束关系，辅助Power Designer建模工具详细描述各实体之间的对应关系，实现复杂的变电站双电源备自投状态监测数据表间查询功能，为下一次状态监测提供数据支持。

2 实验分析

2.1 实验准备

选取S地区供电网络作为此次实验的研究对象，供电网络所在地区地貌以冲积平原为主。该地区范围内，供电网络有5个500 kV变电站、35个220 kV变电站、160个110 kV变电站，对应的线路分别为18回500 kV线路、111回220 kV线路、525回110 kV线路。S地区的电厂不具备黑启动条件，存在潜在的危险因素。此外，由于S地区的供电网络较多，为避免增加此次实验的复杂度，选择110 kV变电站作为研究对象。变电站高压侧进线的接线方式较多，数量统计如表3所示。

表3 110 kV变电站高压侧进线接线方式的数量统计

通过表3的数量统计，获取110 kV变电站高压侧进线对应的各种接线方式及数量，为后续的试验提供数据支持。根据S地区的地形地貌特征，大多数110 kV变电站采用的接线方式为线变组方式。该接线方式更加直观、清晰，能够满足该地区未来电网规划的标准。但是，在长期运行下，一旦110 kV变电站线路发生故障，线路连接变压器所供给的母线会出现无压情况，此时需要变电站双电源备自投装置帮助其恢复电力供应。然而，该变电站双电源备自投装置在运行过程中存在一定的缺陷，具体如下。

第一，备自投装置逻辑状态异常。变电站部分备自投装置未进行过传动试验，逻辑不够完善。第二，备自投装置开入接点状态异常。部分备自投装置采用跳闸位置继电器（Trip Position Junction，TWJ）接点作为跳位开入，不能实时采集变电站断路器位置的动态变化数据，导致备自投装置运行过程中可能出现动作中断问题，影响备自投状态判别。第三，备自投装置定值异常。部分备自投装置没有与其他装置产生良好的互动配合，整定定值时容易出现误整定，导致装置定值计算不合理。第四，备自投装置接线状态异常。多数出现在备自投装置投入使用前，由于断路器分合产生振动，导致接线不稳，严重时甚至会出现脱落，引发接线状态异常问题。第五，备自投装置外部运行状态异常。当变电站运行年限较长时，双电源备自投装置中的各类插件容易出现老化，如中央处理器（Central Processing Unit，CPU）插件、操作插件、电源插件以及通信插件等，会引发备自投装置误动，造成运行状态异常。

对上述5种变电站双电源备自投装置异常状态进行编号，分别编号为BZT-01#、BZT-02#、BZT-03#、BZT-04#、BZT-05#。开展备自投状态监测实验，检验所提监测方法的可行性。

2.2 结果分析

在此次实验中，分别设置一个实验组与两个对照组，通过对比分析的方法检验监测效果。其中，实验组为文章所提监测方法，对照组分别为文献[1]提出的基于自适应策略的备自投状态监测方法、文献[4]提出的基于平衡异动分析的备自投状态监测方法。分别利用3种方法实时监测上述5种变电站双电源备自投状态的动态变化，使用MATLAB模拟分析软件模拟整个监测流程。设定监测次数为10次，选取变电站双电源备自投状态监测定量误差作为此次实验的评价指标，取10次实验监测定量误差的平均值，备自投状态监测的定量误差结果如图2所示。

图2 变电站双电源备自投状态监测的定量误差对比结果

通过图2可以看出，3种监测方法在监测性能方面存在一定的差异。其中，文章提出的监测方法的监测定量误差始终小于另外2种方法，说明提出方法的监测精度较高，能够更加准确地反映变电站双电源备自投状态的实时变化，具有较高的可行性和推广价值。

3 结 论

为改善传统变电站双电源备自投状态监测定量误差较大、监测精度较低的问题，开展基于物联网的变电站双电源备自投状态监测方法研究。所提方法能有效减小了备自投状态监测定量误差，提高监测精度，对于准确地反映变电站双电源备自投状态的实时工况变化具有重要的研究意义。