智能箱式变电站的设计与应用

2012-03-29宋敏

电力与能源 2012年4期

宋敏

（上海市南电力工程有限公司，上海 201100）

0 引言

箱式变电站（以下简称箱变）的电压等级：低压为220／380 V，高压为6～35 k V，额定容量为30 k VA至1.6 MVA，三相交流电频率为50 Hz。箱变可以作为环网型和终端型变配电装置，是一个无人看守的小型变电站。

随着上海城市配电网的不断深化改造，箱变得到了广泛地应用，尤其是随着国内配电网自动化技术的不断成熟、客户对供电质量要求的不断提高、智能小区的崛起，箱变通过传统的站前操作来完成监测、读表任务的测控模式，已经难以满足现代电力设备的管理和运行需求，而配电装置自动化程度的水准，主要体现在箱变自动化水平的高低，必须满足四遥（遥测、遥信、遥控、遥调）［1］、在线统计、馈线自动化（FA）、微耗、备自投、故障定位和及时报告、无功补偿等基本功能，还应具有安全防护和视频监控功能。这是为了创办上海智慧城市配电网，加快自动化和智能化步伐，保证电网对箱变的指挥控制，实现变电站可靠安全运行的要求。

1 智能箱变的控制功能

智能化箱式变电站（以下简称智能箱变）必须具有实时故障处理功能。当常规箱变进线、出线采用负荷开关的时候，控制器需要具备自动检测开关处电压和电流的功能，并记录故障电流脉冲，同时向管理人员发出指示和警告。

对于箱变中的断路器开关，控制器应配置重合闸和继电保护功能，通过内部通信网络，实现箱变内断路器间保护的快速配合，箱变间网络式保护的配合，使距故障点最近的开关快速跳闸。

由于智能箱变是全天候为终端客户供电，要求具有较高的可靠性，因此智能箱变采取双电源备用工作方式，减少电源故障带来的断电和供电不稳定。该功能主要通过智能箱变控制器的电源备自投功能来实现，即当一侧电源发生故障或失电时，箱变控制器能自动隔离故障，并投入备用电源。该功能的实现原理可简单描述为：S1为备用电源，正常情况下处于断开状态，当S2发生外部故障或电源失压时，S2自动断开，同时S1自动合闸，投入使用。

另外，智能箱变的监控装置完全依照馈线终端设备（FTU）功能设计，可以完成在配网自动化系统（SCADA）中具有由主站实现配电自动化、远方四遥的功能。控制终端首先将本地开关状态、测量数据、故障信息等通过全球移动通信系统（GSM）或其他通信方式发送给主站，主站收到相关信息和数据后，对监控系统的状态进行综合分析，并在线路发生故障的时候，综合系统的整体状况，给出更加精准的处理方案。

较大的灵活性是智能箱变系统的网络自动重构功能的优势，客户可以自由选择投入或退出，或者仅仅将其作为主站故障处理的一个备用方案。

2 箱变自动化装置的设计

箱变实现控制功能的核心是箱变自动化模块［2］，包括主控模块、测量模块、显示模块、通信模块和开关控制模块。对于测量模块，要求先将输入信号控制在±5 V或±10 V以内，以便能够通过模拟量或数字量（A／D）的输入端，要实现该功能可选用互感器，在经过输入通道进入中央控制模块之前，需要隔离A／D一次。其目的：一是，隔离模拟通道的供电电源与中央控制模块电源，提高中央处理器的抗干扰能力；二是，隔离一次元件节点所获得的信号和监控单元的电路，保证监控单元的安全运行。这些隔离器件因体积小、电路设计简单，可以使用光电隔离或者集成隔离运算放大器。

在测量模块中，采用准同步算法可以提高电参量测量及谐波分析精度。准同步算法的基本原理在于，实际采样周期不要求与信号周期完全同步，通过等间隔采样和周期迭代，获得“理想同步采样”的测量精度。在数据处理时增加迭代次数，进行迭代运算，可以大大提高测量精度。在主控模块中，系统采用16位的80C196KC单片集成电路，该芯片在数据采集系统、自动控制系统和高级智能仪器中被广泛应用，有着灵活的编程操作能力和丰富的硬件资源，有利于电路结构的简化，有助于编译相对复杂的控制程序，有益于降低产品的开发周期。

开关量输入模块是依光电隔离电路、滤波电路和消颤除噪电路连接而成的。断路器和隔离开关的位置状态信息，均取自辅助的触电回路，触电回路中的电压要比一般回路中的电压高，主要是防止辅助触电不良造成差错。

由以往的RS-232协议来完成通信的单片机系统，在很大程度上已经很难满足设计的要求，主要是难以克服传输速度慢、传输距离短、传输信号易受外界干扰等缺点。在智能箱变中可采取一种性能优越的RS-485接口芯片，实现单片机与个人电脑间的远程通信以及PC机管理单片机阵列的功能。

该芯片不同于普通RS型收发器的一个特点是，片内A、B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，可以承受峰值为400 W的瞬变过压。瞬变过压常是雷电、静电放电、电源系统开关的干扰。RS-485收发器中的保护装置，能够提高防雷电损坏期间的可靠性。在一些环境恶劣的场合，可以将其直接与传输线相接，不需要任何外加保护元件。

3 箱变在配电网的应用

为积极响应国家电网公司建设坚强智能电网的战略部署，浦东供电公司结合自身的业务需求和配电网的实际情况，选择了国际航运中心临港新城作为配电自动化试点区域。本次试点项目共包含其中4个变电站、23个开关站，292个箱变。试点项目完成后，将有近3／5用电区域纳入分布式FA的范围。

智能化箱变的应用，使得配电终端智能化大为提高，从而配电网运行状态信息得以全面监测，实现故障快速定位和供电恢复，提高调控人员对配电网的运行监控能力。另外，箱变应用在临港新城区，可装在路边绿化区、道路交叉口、生活小区、生产厂地、高层建筑等处。同容量箱变的占地面积仅为配电房所占面积的1／5～1／10，同时大大减少了工程施工量，做到投资少、见效快。

4 箱变应用中的常见问题及对策

通过对安装于不同地区、不同地点的箱变的检查和对比，不难发现放置于通风条件好、日照强烈位置的箱变和放置于通风条件差、阴暗潮湿的位置的箱变，其内部电气设备的运行情况和控制条件不完全相同［3］。然而，维持电气设备正常运行条件的温湿控制器和变压器温度控制器的启停条件都是固化的默认值，没有办法随着箱变所在位置的环境条件进行改变，不能起到改善电气设备运行环境的作用，也不能直观显示实际运行环境的监视情况。

为了防止雨水灌入箱体内部，箱变常放置于高于室外地坪的槽型混凝土基础上。由于混凝土基础大多埋于地下，基槽内容易积水，使得箱变内部空气湿度过高，影响电气设备功能的正常发挥。在基础旁增设大于基槽深度的集水井，或在基槽底开一孔洞，用排水管于集水井连通，使得积于基槽的水可以顺利排入基槽外的集水井中，从而可以大大降低基槽内积水的可能性。虽然箱变高压环网柜内装有温湿度控制器，在湿度较大和相对温差变化较大的环境条件下，柜体内部容易产生结露现象。若加热装置不工作，很容易造成设备因受潮或结露引起闪络、爬电事故。对于此类问题，可以通过将湿度传感器置于环网柜内湿度较大的中上部来解决。