一种实现前维护的智能馈线采集模块

国网甘肃省电力公司经济技术研究院 王 鑫 李惠庸深圳市泰昂能源科技股份有限公司绩溪分公司 崔晓军 邓先富



一种实现前维护的智能馈线采集模块

国网甘肃省电力公司经济技术研究院 王 鑫 李惠庸
深圳市泰昂能源科技股份有限公司绩溪分公司 崔晓军 邓先富

【摘要】随着国家对电网智能化变电站及数据中心机房（IDC）建设的需求，低压电源供电系统正朝着标准化、模块化、智能化和前维护方向发展。目前市场上能实现前维护的设备，都因不同厂家有不同的结构形式，仅是局部功能实现了前维护，其通用性不高。为了改变这一现状，现研发一种可以实现前维护的智能馈线模块，可实现馈线回路模块化预生产、固定式开关带电可在线更换及可调相功能，回路智能检测功能完整、可靠，在成本上比同类产品有大幅下降。

【关键词】前维护；模块化；低成本

0　引言

近几年，随着电力系统标准配送式变电站的试点和推广及绿色数据中心机房配电模块化的发展，对低压交直流电源系统的操作、维护、接线提出更高要求。要求柜前正面操作进线和出线断路器、ATS开关、防雷器开关、采样熔断器保险、电流电压信号端子等元件，柜前正面更换维护易损件，如防雷器开关和馈线开关、熔断器保险等。二次电源柜和数据机房列头柜要解决以下问题：（1）采用可在线更换开关方式的精密配电柜支路数据采集和处理部分难以维护的问题；（2）采用普通开关配电柜无法实现支路开关可在线更换功能的问题；（4）用户需求大同小异，主要是回路数和开关选择不同，导致无法规模化生产，产品质量参差不齐的问题。通常国内企业解决以上问题，大部分采用ABB插拔式微断开关或维纳尔可在线更换方案，与竞争对手相比较没有明显优势。笔者基于对终端配电的研究和实践经验，现开发新的可实现前维护的智能模块化单元。该产品能实现核心组件模块化生产、固定式开关带电可在线更换及可调相、监控部分完全自主知识产权，可以完全取代进口或合资同类产品。

1　馈线采集模块前维护方法

为了保证变电站的正常平稳运行，变电站的馈线柜中一般会安装馈线采集模块来检索各馈线回路的状态。现有的常规馈线采集模块，通常安装在柜内上部，以采集馈线柜中对应馈线回路的断路器（OF/SD）、漏电流等信息。其采集方式主要是通过二次电缆将馈线回路连接到馈线采集模块，以便馈线采集模块采集相关信息。由于变电站馈线柜中设置的馈线回路数较多，且在柜子中分布安装，而需要使用二次线缆将各馈线回路分别连接至馈线采集模块，因而会存在一系列的问题：

（1）常规的馈线采集模块在电气联接上，馈线采集模块为二次电缆的一个总结点，为保证二次电缆走线顺畅，常规馈线采集模块占用独立空间，会造成馈线柜内空间紧张，同时二次电缆走线距离较长，难以将馈线采集模块上的元器件在馈线柜的前端进行直接拆换维护，维修不便。

（2）由于馈线采集模块安装在馈线柜顶部，而馈线回路在馈线柜中分布安装，导致两者之间的二次电缆（数量为几十根）长度都不相同，非常复杂冗繁，造成安装时二次电缆的连接走线和固定十分繁琐，接线时会耗费大量的时间和人力，后续维护检修也十分不方便。

（3）常规馈线采集模块上馈线指示灯更换维护时，需要先松开馈线柜中断路器（开关）的出线端子，这样势必要先将负载断电后，才可进行接线，从而影响负载的运行。

（4）常规馈线采集模块上馈线指示灯是通过旋紧固定圈，将指示灯卡在馈线柜（箱）体的面板或支架的对应开孔上，这样指示灯的安装固定要求占用较大的独立空间。

使馈线采集模块实现前维护的方法主要结构设计上改变，采集模块装置包括呈长条状设置的主板、保护主板的保护罩和若干用于采集并指示变电站馈线柜中各馈线回路状态信息的指示模块，若干所述指示模块沿主板长度方向依次设置，且各所述指示模块可插拔安装于主板上，主板上对应于各所述馈线回路的位置设有连接端口，保护罩上对应于连接端口的位置开设有露出该连接端口的开口，保护罩上对应于各指示模块的位置开设有开孔。

通过在主板上设置与变电站馈线柜中各馈线回路位置相对就的连接端口，馈线采集模块在安装时，可以直接固定在变电站馈线柜的各组馈线回路的侧边，在使用二次电缆将各连接端口与相应的馈线回路连接时，可以使各二次电缆的长度相同或相近，同时也方便走线与连接，占用空间小；并且设置可插拔的指示模块来采集并指示各馈线回路的状态信息，在维护时，可以直接从变电站馈线柜的前端将指示模块插拔更换，实现前维护，维护方便，也不会影响负载运行，而指示模块可插拔安装在主板上，无需单独安排安装空间，占用空间小。

2　馈线模块简述

2.1结构组件

单个馈线模块由级联底座（底座），进线单元、出线单元、采集单元及断路器组成。级联底座包含底座、汇流排、通讯板；进线单元包括可调相进线接插件、可拔插调相部分、导向柱、相序显示区域、固定卡扣；出线单元包括出线端口、传感器、指示灯及标牌；采集单元包括IPM-S采集单元、SD/OF采集接口，各部分的分解示意见下图1和图2。级联底座主要功能是接受电能、提供采集单元电源及数椐传输作用；进线单元主要功能是支路电源的接入、支路换相及相序显示；出线单元主要功能分配电能，实现支路电流的采集、开关状态指示、断路器状态信号的接入等作用；采集单元的作用是采集回路的状态量和模拟量实现A/D转换。

图1

图2

2.2智能组件

智能组件即为采集单元，是智能馈线模块的运算中心，承担支路馈线的各种电参量采集工作。出线采集组件包括采集电压、电流、开关状态、温度数据的模块，设有用户接线端口；采集监控模块包括计算电流、电压、电度、有功无功、功率因数、谐波数据的模块，设有对外提供通讯接口。并通过底座的通讯底板和后台进行信息交互，实现系统的远程管理。智能组件的设计实现了馈线支路的智能化管理，对供电电源的安全、可靠、稳定、节能运行提供了良好的基础。

2.3实现柜前操作

进线、出线、采集单元及开关本体均为级联底座板前接线，各单元之间实现相互的机械连接组成一个本体模块，模块又通过卡接的方式和级联底座相连，这样，整个前维护智能馈线模块具有不同功能区域，各区域之间相互做机械连接，同时各功能区域具有独立更换、独立生产功能。所有通讯线都采用底座级联方式，对外看不到任何通讯线缆，工艺美观且提高安全性能。整个模块实现安装、接线、操作、维护和检修都在柜前进行，适用于各种靠墙安装的交直流电源馈线开关设备。

3　前维护智能馈线模块在电源系统中的功能

前维护智能馈线模块应用于变电站交直流电源系统，各模块和上位机进行通讯，由上位机进行管理，可实现以下功能：

3.1健康状况分析功能

检查各开关负荷电流、电压、功率因数、母线频率、温度等数值的变化状况，对系统的运行数据做综合诊断分析，分析系统的健康度，判断系统是否存在隐患。

根据标准电量参数的数值进行设置，通过报表或者实时曲线的方式记录电压、电流、频率等参数的波动范围，实时监测电能质量，当电压、电流波动变化教大，触摸屏进行预警提示，比如：标准相电压为220V，允许波动范围为±5V，若A相实际电压为223V左右时提出预警，“1#支路A相电压波动范围过大”。

示意图：

3.2事故预警、告警

（1）事故告警：回路欠压、过压、失电、开关跳闸、防雷故障、变压器温升等信息进行告警。

（2）负荷预警：设定重要负荷的定值范围，对超过范围的负荷进行预警。

（3）负荷平衡度检测：系统具有相间负荷不平衡预警功能：根据馈线负荷的大小，对相间负荷不平衡进行预警，并给出调相建议。

（4）系统具有支路谐波检测功能：可对重要负荷进行谐波检测并进行预警。

（5）负荷管理功能：设定重要负荷的定值范围，对超过范围的负荷进行预警。

（6）故障录波功能：事故追忆、事故反演等。（7）系统可选短信告警功能。

3.3专家诊断功能

（1）具备故障分析功能，分析故障的关联性。

相关故障开关的级差配合分析，提出维护建议。如：监测到上下级开关同时跳闸，提示两级开关之间存在选择性问题，给出解决措施：调整脱扣电流或短路延时定值。

（2）开关容量关联调整。

将开关容量与柜内温度进行关联，温度超过40度时，自动调整开关容量。

3.4能耗管理（绿色节能）

（1）能耗分析

检测各个回路的能耗，并能按日、月、年生成能耗报表及实时趋势曲线、历史趋势曲线，分析回路能耗，对能耗异常进行提示。

（2）系统具有节能调相及自动识别相序功能

监测母线各相负荷大小，通过对比三相负荷之间的实际负荷，对比出相间不平衡度，达到预设值时提出相负荷不平衡预警，并相应的作出调整相位的操作建议。

3.5数据管理

（1）可以导出系统运行状况报表，如日报表、周报表、月报表等。

（2）曲线报表。

（3）系统具有自动汇总输出用户要求的曲线、报表功能：系统能够根据馈线的负荷电流、电压、零地电压、电度等输出趋势图。

3.6运行维护管理

（1）巡检管理

设备到巡检期时，提示用户联系供应商进行巡检。

（2）寿命管理

系统具有元器件寿命管理功能：开关等元器件使用寿命及分合次数管理，对超过使用寿命的元件进行预警。通过对开关OF或SD状态的监测，计算出开关的分合次数以及开关工作运行的时间，然后根据塑壳开关、微断开关最大使用年限及最大分合次数的设置值进行比较，（必须有相关依据，参考相关参数进行设定）比如：1#开关的使用年限最大为8年，从1#开关合闸工作开始计算，7年6个月的时候触摸屏预警提示“1#开关使用7年6个月，使用寿命接近最大极限，请进行维护……”。

（3）值班管理

系统设置权限级别管理，并对生产交接班进行管理。

3.7兼容多种通讯协议

系统支持多种通信协议，如RS485的MODBUS、TCP/IP、SNMP等；

SNMP协议拓扑结构图：

4　经济价值成本分析

以下以某项目馈线前维护模块作为分析对象。

项目柜体成本构成（直流馈线模块举例说明）馈线支路开关　漏电流霍尔　指示灯　一次线　二次线常规结构　48回　48只　48只　340米　200米前维护模块结构　60回　60只　采用LED灯　160米　80米成本降低　860　200　384　460　 240成本降低率　15%　4%　200%　42%　60%

以常规项目柜体结构与前维护模块柜体结构进行比较，每面屏支路数量可以多安装12回馈线，减少屏柜数量；每个支路指示灯采用LED灯代替，60回指示灯的成本直接节约下来；减少屏柜内一次和二次走线，一次线和二次线的长度明显缩短，制造成本和人工工时也能减少。

5　结论

目前市场上适用于单极断路器前维护，可在线更换、可调相的智能馈线模块，使用ABB SMISSLINE方案成本较高，而APC 3P模块不能调相，采用维纳尔方案实现调相功能，但维纳尔方案没有实现模块化，二次线工艺复杂。该前维护智能馈线模块，完全可以代替同类国外进口产品，并广泛应用于电力系统，尤其是变电站交直流电源屏、数据机房交直流电源屏、控制柜、配电柜、配电箱等电力配电领域。为各类设备提供电力分配及进行数据分析，进行能源有效管理，确保供电质量和合理用电。

参考文献

［1］王慎.江苏省兴化市供电公司全预制装配式变电站［J］.农村电气化，2008年第11期总第258期.

［2］国家电网公司.220kV和110kV变电站典型设计推荐方案，2005.