变/配电所智能化改造与应用

焦 松，于佳良，延俊磊

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000）

1 改造的必要性

目前，传统的变/配电所内运行管理大多停留在抄表值班的运行管理状态，存在如下弊端：①无法实时掌握用电的负荷情况及电能质量情况，且存在人为因素（如无法检查到位、检查人员错误判断等）导致判断失误的情况；②无法实施有效的能耗控制和管理；③随着运行人员人力成本不断上升，传统的变、配电所的运行成本越来越高；④用户对电能质量的要求越来越高，不仅要确保供电稳定可靠，还要保证供电质量。在以上背景下，对传统变、配电所进行智能化改造必然是大势所趋。

2 设备的安装（更新）及功能

2.1 多功能仪表

多功能仪表安装（更新）在开关柜的每个断路器，能够精确稳定地测量电网中的所有常用电力参数，包括电流、电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电能等。多功能仪表具有精度高、稳定性好、抗振动能力强等优点，可直接替代原有指针式仪表，作为一种先进的智能化、数字化的电网前端采集单元，已广泛应用于各种控制系统、SCADA 系统和能源管理系统中，可应用于变电自动化、配电网自动化、小区电力监控、工业自动化、智能楼宇中等场合，具有安装方便、接线简单、维护方便、工程量小等特点，可现场编程、设置输入参数，能够实现与PLC、变频器、工业控制计算机的组网通信，将多功能仪表采集的数据传输到后台系统，供其调配使用。

2.2 微机保护装置

微机保护装置安装（更新）在高压开关柜的每个断路器，具有测量全电力参数包括电压U、电流I、有功功率P、无功功率Q、视在功率S、功率因数PF、电压与电流的相角度Φ、电压不平衡度、电流不平衡度、频率F、分次谐波、奇偶次总谐波含量及总谐波含量等。能计量当前组合有功电能、正向有功电能、反向有功电能、感性无功电能、容性无功电能、视在电能。微机保护装置具有两套时段表，一年可以分为4 个时区，每套时段表可设12 个日时段、4 个费率（即尖峰平谷）。

分时计费的基本思想就是把电能作为一种商品，利用经济杠杆，用电高峰期电价高、低谷期电价低，以便削峰填谷，改善用电质量，提高综合经济效益。

微机保护装置能够提供历史电能数据统计，具有分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和继电器输出功能，可实现遥信和遥控功能，并具备报警输出，广泛应用于多种控制系统、SCADA 系统和能源管理系统中。微机保护装置具有通用标准的通信接口，可以与后台系统实现数据传输。

2.3 无线测温与局放测试装置

无线测温装置安装在开关柜开关触头位置。温度传感器为免维护无源设备，设备损坏也不影响开关柜的正常使用。温度传感器具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜的高压，可以直接安装到开关柜内的高压触头上或电缆接头位置，能准确测量检测位置的实时温度，实现开关柜运行温度的在线检测。温度传感器与无线测温主机实现无线数据传输。

高压开关柜的绝缘内部若有水汽、灰尘等杂质，将在强电场作用下使得开关柜内部的电场分布不均匀，在杂质部位的电场强度会增大，容易导致该部位发生未贯穿整个绝缘的放电，即局部放电。局部放电一般是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中引起的。

局放即电力设备绝缘体在足够强的电场作用下发生的局部放电，这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短接而不形成导电通道为限。每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢，而强烈的局部放电则会使绝缘强度快速下降，是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。因此，设计高压电力设备绝缘时要考虑在长期高电压的工作状态下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对运行中的设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。

对电气设备的局部放电进行监检测是评估设备绝缘状况的重要手段，能够发现设备潜伏性故障，是实现故障预警，避免故障发生的有效措施之一。局放检测传感器可以通过检测伴随局部放电产生的电磁波辐射，自动确定现场局部放电的实际检测频率，并将检测到的局部放电次数和放电频次上传至服务器。局放传感器安装在高压开关柜电缆室内，可以与主机实现无线数据传输。

装置的具体配置情况是1 台主机通过无线传输统一采集变、配电所内的所有温度传感器和局放检测传感器所获取的温度数据和局放数据。信息采集主机带有显示屏可在本地监控、配置温度和局放实时数据，主机同时具有通用标准的通信功能。可将采集到的数据实时传输到后台监控系统，供其调配使用。

2.4 变压器温控器安装（更新）

在变压器上安装（更新）温控器，实现检测变压器绕组温度的监控功能。温度控制器内部采用单片机控制，利用预埋在变压器绕组测温孔中的PT100 铂热电阻来测量绕组的温度并进行数字显示，提供绕组超温跳闸、绕组超温报警以及传感器故障显示报警功能，温控器可以根据设定温度自动启停风机对绕组进行风冷，能有效提高变压器运行的安全性、可靠性及使用寿命。温控器还有标准的通信功能，可与后台系统进行实时数据的通信传输。

2.5 变压器红外测温器安装

红外测温器通过磁吸方式安装于干式变压器内部，实时检测变压器内部线缆接头状态及温度。可实现可见光、热成像双通道实时画面预览，并对温度告警或其他预警事件产生的告警联动进行录像、抓图、声音告警等。可根据实际需要在视频画面内添加分析对象、冷热点追踪，设置对应的告警联动时间以及配置属性，支持智能分析等事件进行告警，对各种告警联动的录像以及抓图进行回放查看，并标记相应的告警源。支持实时温度曲线分析、图像融合查看、报表查看与导出功能，并具有标准的通信功能。

2.6 环境监测改造

环境改造包含增加温湿度计、烟火报警系统、水浸检测装置，进行温湿度、火灾报警，保证配电所运行环境。各环境参数与微机保护系统相连，当设备异常时可通过微机保护系统内部继电器动作，进而通过微机保护系统的通信功能与整体后台系统实现环境监控功能。

2.7 后台监控及视频监控系统

后台监控系统包含工控机、软件以及通信管理机和综合测控装置，实现后台系统与各智能设备的连接，实现遥测、遥信、遥控等远动功能。实现变、配电所实时数据监控，电气设备运行监视，控制操作，检测保护设备状态等功能。

视频监控系统包含摄像头、硬盘录像机、监控大屏。摄像头可监控每个开关柜道闸或断路器指示灯状态，变/配电所内各摄像头信息通过硬盘录像机汇总在一起，并通过监控大屏展示。

3 智能变/配电所的实现

3.1 后台监控系统

多功能仪表、微机保护装置（烟火、水浸、变压器温控器等装置的信号通过非电量接入微机保护装置）、无线测温与局放测试装置主机通等智能设备通过通信线（如RS-485 接口）与通信管理机或综合测控装置连接，再通过通信管理和综合测控装置与后台监控系统的工控机的软件相连，通过软件配置相关开关柜遥测、遥信、遥控各项数据实现从而实现了以下功能：①对各个变/配电所开关柜每个断路器开关的电压、电流、电量远程的实时监控；②对变压器温度实时监控及高温跳闸保护功能；③对变压器内部线缆温度状态的实时监控；④远程操作开关柜的投入、断开；⑤变/配电所内温湿度实时监控，以及烟火、水浸报警功能的预警；⑥对断路器等设备各信号的开关量实时监控。

3.2 视频监控系统

摄像头、变压器的红外测温器通过通信线（如网线、光纤）一起接入硬盘管理机，硬盘管理机再通过视频线接到视频监控屏进行显示从而实现了以下功能：①实时监控各开关柜指示灯、刀闸外观、动作及状态；②实时监控变压器内部线缆的实时温度及外观状态，采集各变、配电所相关实时数据和视频监控，通过后台软、硬件系统实现变、配电所实时数据的采集，具备电气设备运行监视、控制操作、远程通信、监控保护设备状态等功能；③视频监控智能分析功能，通过采集到的画面状态，增加智能分析系统对画面中的设备指示灯颜色、温度状态、现场人员穿戴等进行分析。具有画面回放、警报联动抓拍等功能，全面监控整改变、配电所现场的状态。

3.3 通信连接方式

整体系统各硬件的通信连接方式如图1 所示。

4 变/配电所改造后的应用效果

（1）由原来由人员对各个配电所每天按计划进行现场巡检，改变为人员通过后台系统24 h 远程监控。监控过程中，通过仪表、传感器采集的数值与各个传感器报警阈值进行比较，及时获知设备的实时状态，可通过各个设置需要监控的报警信息自动形成报表，监控人员仅需定时查看报表信息就可掌握设备运行状态，并及时做出应对措施。视频监控可以查看设备现场实时的外观状态，配置的红外摄像头可监控相关设备的温度状态。当发生异常时，对比设备采集的数据状态及视频监控状态可实现互相印证。

（2）对于设备倒闸操作，由原来操作人员现场操作，两个操作人员互相确认的方法改变为通过遥控信号后台远控操作。在后台系统中自动设置相应的互锁逻辑，并按照流程要求双人确认制，同时从程序和软件上杜绝了误操作的发生。在倒闸操作作业时，操作人员可通过后台系统软件显示的情况以及视频监控到的机械位置情况来确认操作作业是否正常，确保设备闭合状态正常。

（3）实现全部变配电系统电压、电流、电量、温湿度、水浸、视频监控等数据的采集与监控，通过对各项数据采集、分析，可依使用单位的实际情况与需求编制应对模型来应对不同场景的应用，并通过电压、电流、电量的数据分析对电力系统电量分析出具有效性的分析。

5 结束语

通过改造变/配电所的开关柜、变压器等电力设备，使其实现了如下功能：①实时监控各开关柜的电压、电流状态，并对其使用情况进行数据分析，为后续电能的管控提供可靠依据；②变/配电所内增加温湿度传感器、局放检测装置等，实时监控变、配电所内环境状态，减少人员的日常巡检次数；③增加远程控制功能，减少人员现场倒闸操作。

变/配电所智能化改造增加了设备数据采集和操作的实时性和有效性，扩展了供电系统的参数采集范围，通过持续的预测、分析实现异常的自动检测和响应，并实现故障预警，防患于未然。传感器远程监控代替了人工日常巡检，远程操作控制代替了现场操作，可以大幅减少人力资源投入，降低运营成本。