智能低压变配电系统在铁路站房中的应用

刘广军

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

1 引言

汉中车站位于陕西省汉中市，为2008年汶川地震灾后重建重点建设项目，也是西安至成都铁路客运专线一座重要的车站，车站站房建筑面积12000m2，设有1座10／0.4kV双变压器的室内变电所。为了方便和实时地监控低压配电系统的运行状态，对用电设备进行统一管理，免去值班人员到现场进行合分闸的繁琐工作，减少工作人员劳动强度，提高工作效率，该变电所采用了低压变配电系统智能化技术。

低压变配电系统智能化是当今电力系统发展变革的最新动向潮流，是电力科技的重大创新和趋势。它利用现代电子技术、通讯技术、计算机及网络技术，将低压变配电系统在线数据和离线数据、用户数据、网络结构、地理位置等进行信息集成，实现对系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制、用电和配电管理的自动化，并具有部分状态预测和故障诊断功能，是一个涵盖所有系统管理和控制、状态预测与故障诊断功能的信息系统。

2 传统低压变配电系统存在的问题和技术缺陷

2.1 传统低压变配电系统

如图1所示为典型的低压变配电系统结构示意图。其对电能的分配、控制、监视、测量一般由装有各种低压元器件的低压电气柜来实现。这些低压元器件包括：断路器本体（裸开关）及各种保护附件（热磁、电子或智能脱扣等）；各种测量仪表（电流表、电压表、有功功率表、无功功率表、电能表及配套互感器或网络仪表）；控制／联锁元件（继电器、按钮、开关）；信号元件（灯、光字牌、报警器）等。

图1 用户（企业）变配电站中的低压系统

2.2 传统低压变配电系统存在的主要问题和技术缺陷

2.2.1 保护性能的缺陷

低压变配电系统的保护性能取决于断路器本身所携带的脱扣器。这些常规脱扣器可实现的保护内容较少（电流速断保护、过电流保护、接地或漏电保护、失压（欠压）保护）；保护功能内容的增减、变更的灵活性差，均需更换不同的保护附件；保护的准确度低，分散性大，例如常规塑壳断路器使用的热磁脱扣器，其双金属簧片材质的稳定性、环境温度、双金属簧片热膨胀的重复性差、热磁材料的老化程度、机械安装可靠性等因素直接影响着保护的准确性；保护定值的现场整定和校验困难，尤其对于容量较大的断路器现场甚至无法整定和校验，只能在出厂前由制造厂整定或校验需返厂进行处理。

2.2.2 测量性能的缺陷

低压变配电系统常用的电磁式仪表、多功能数显表或网络仪表可以测量 Ua、Ub、Uc0、Ia、Ib、Ic、cosαt、Pt、Qt、SRMS 等电参量，无法测量与电能质量有关的参数，如谐波含量、波形畸变系数等；抄表方式，除网络外表可遥测外，其余均需现场抄表读数。

2.2.3 控制性能的缺陷

塑壳断路器和常规框架断路器需人工就地直接操作，安全性差；低压柜数量较多且分散布置时，人员操作劳动强度大，极易误操作。智能框架断路器只有加配通讯附件时才可后台遥控。

2.2.4 遥信性能缺陷

塑壳断路器和传统框架断路器的开合状态无法上传；断路器工作位置、储能位置等其他硬接点信号无法监视；仅有就地状态与报警指示，无SOE记录。

2.2.5 通讯性能缺陷

只有配用网络仪表和断路器通讯附件的低压柜才具备通讯功能，但两者通讯口可能不统一，占用至少两个通讯地址。

3 智能化低压变配电系统的优点

3.1 保护性能方面

不再依赖于断路器自身携带的各种脱扣器，而是一种经过具有预测、预估功能的卡尔曼滤波算法处理的全数字保护。其准确度、灵敏度高，重复性、稳定性好，响应速度快、使用寿命长，受其他因素影响极小。保护功能强大，可实现I段过电流保护、Ⅱ段过电流保护、瞬时电流、零流（接地或漏电）保护、电压过低保护、合相过负荷保护、不平衡保护、频差保护、电压过高保护、电压错序或缺相保护、工艺1保护、工艺2保护等。保护功能内容的增减用软件完成。

3.2 测量性能方面

基于24位高速微处理器芯片及高精度数模转换芯片平台，采用瞬时无功功率理论（亦称做pq理论）和软测量理论的检测方法，分析在瞬时条件下三相电路的特性，可获得到包含的高达21次谐波的信息的各项电参数电参量；能测量谐波含量、波形畸变系数等与电能质量有关的参数，实时性好，精度高。

可实现配电系统的“四遥”及无人值守和远程监控。具有SOE事件记录、硬遥信量、软遥信量等；自带统一的通讯口，通讯地址唯一，通讯信道多样，通讯功能强大。

实现区域配电联锁时，不需大量联锁布线，节省了电缆，符合国家节能少耗之政策。

增加对电网质量监控与管理、故障检测和诊断功能。可查看各回路各控制单元（子站）的电量参数，对各子站远程储能（框架断路器）、合闸、分闸、启动、停车（电机控制回路）等操作；查询系统各种信息、故障记录、日记报表等，决速、准确地掌握供、配电设备的运行情况，提高工作效率。

4 智能化低压变配电系统的总体方案

4.1 管理层

后台机服务器通过数据接口收集全网实时数据，保存全网参数、计算结果、历史信息、图形文件。

配置系统维护子系统用户界面，允许自动化或其它电网参数维护人员对电网参数、系统参数进行远程维护。

4.2 现场总线层

通信接口：全隔离RS485、RS232或CAN；通信协议选用标准协议；通信介质为屏蔽双色双绞线电缆、通信光缆。

4.3 执行层

由系统所需的底层智能物理单元组成。

（1）受电智能测控装置用于低压电源进线柜，用于完成进线断路器的控制并对该进线回路进行监视、保护、全电量测量及数据记录、统计、分析。

（2）馈电智能测控装置用于低压馈线柜，用于完成对各条馈线回路的监视、电量测量及数据记录、统计、分析。

（3）联络智能测控装置用于低压母线联络柜或其它联络柜，用于完成联络断路器的控制、保护和对联络回路的监视、电量测量及数据记录、统计、分析。

图2 智能化低压变配电系统拓扑图

（4）切换智能测控装置用于低压切换柜、油机切换柜、备自投切换柜。用于完成两组供电电源［市电（主）－市电或发电机（备）］之间的切换。

（5）无功补偿智能测控装置可根据实际工况选择不同的控制策略用于完成对低压系统无功的补偿控制。

（6）电动机智能测控装置用于低压电动机馈线柜，用于完成对低压电动机的控制、监视、保护、电量测量及数据记录、统计、分析。

图2所示为智能化低压变配电系统拓扑图。

5 结束语

智能型低压配电系统可以方便和实时地监控低压配电系统的运行状态，对用电设备进行统一管理，免去值班人员到现场进行合分闸的繁琐工作。系统对各种用电设备的历史数据和状态进行管理分析，便于维护人员明确设备状况，制定详细的设备维护计划，减少工作人员，提高效率。随着信息技术的不断发展，以及企业对自动化和输配电系统相结合的需求的增长，低压配电系统的智能化是一种必然的发展趋势。

［1］包 革，朱守云.带现场总线的智能低压配电装置［J］.低压电器，2000，（1）.

［2］刘一锋.低压配电系统智能化设计［J］.通信电源技术，2004，（1）.

［3］许先灶.智能化低压配电系统的发展与应用［J］.低压电器，2004，（2）.

［4］朱忠民.智能化低压配电系统的特点及典型应用［J］.电气应用，2006，（11）.

［5］朱 兵.智能型低压配电监控系统的研究［J］.铁道勘测与设计，2002，（1）.

［6］朱允生.智能化低压配电系统的应用［J］.经济技术协作信息，2007，（17）.

［7］迟 岩，郑为民.低压配电监控系统的研制［J］.集美大学学报（自然科学版），2003，（2）.