开闭所智能化运维的研究与应用

周清平

(华自科技股份有限公司，湖南 长沙 410205)

0 引 言

作为输配电网系统运行的重要开关控制设备户外开闭所，因其分布范围广、位置相对稀疏，日常巡视困难、维护费用高、故障处理不及时，而现有的处理手段效果有限，无法从根本上有效解决，同时还将带来新的问题。本文论述的智能运维策略[1]96，即利用当前最先进的自动控制技术、信号监测技术、通信网络技术及计算机技术等，对开闭所一次环网设备进行全方位智能监控，并实现上层主站系统统一管理与调度控制，不仅提高了设备的安全运行稳定性，并且使潜在的问题得到及时预警，发生的故障得到迅速有效的处理，更从根本上解决了日常运行维护的难题。开闭所智能运维方案的实施必将给配电网建设与发展带来良好的社会效益及经济效益。

1 现有开闭所的缺陷与不足

1.1 开闭所的作用与意义

电力系统中，发电端发出的电能经输电网向用户侧负载传送，必须要经过配电系统的能量传输、分配与控制，用户才能最终安全、可靠及有序用电。配电环节的作用非常重要，它从上级输电网接受电能，依据配电系统架构及供配电方案将能量有序向下级分配，是发电侧向用户终端电能传输不可或缺和替代的重要部分。

配电系统中最主要的媒介与实现手段即开闭所，开闭所区别于变电站或变电所，它不进行电压的变换，频率、相位和相序等其他电量参数也不发生改变，开闭所仅将电流依据下级负荷的大小进行能量的配置。因为多路负荷的存在，以及供电性质的差异，在用户终端侧也需要设置开关进行电能分配及负载分合控制的开关配电室。配电室主要应用于终端而且接受的是上级变压后的电能，然而开闭所应用与管辖的区域更广，一般涉及整个园区的几个甚至十几个配电室，是配电室的上一级供电设施。

1.2 现有开闭所存在的运维问题

开闭所是配电网系统中核心设备，是系统架构中的关键环节，多个区域的配电与电能传输均需开闭所进行统一与集中控制。一旦系统中某一开闭所节点发生故障，将会引起所管辖区域整体停电及用电负荷瘫痪，或者因下级网络或设备原因引发上级节点开闭所跳闸，也将影响到同一区域的其他设备的断电及正常使用。开闭所的重要性不言而喻，然而如何在区域发生故障情况下有效隔离故障区域，同时快速恢复非故障区域的正常供电一直是设备运维中的一大难题。

不同于发电侧或供电侧的设备，处于输配电中间环节的开闭所一般安装并设置在户外并且偏远的地方。开闭所依据所承载的负载大小，控制区域从小到几个厂区，大到一个园区。虽然从管理制度上制订并安排了设备运行巡检[1]97-98，但开闭所地处偏远环境，交通非常不便，并且开闭所相互之间分布非常疏远，势必给维护及管理上带来了不小的难度。维护人员大部分的时间基本都花在路途当中，真正停留在设备现场并仔细检查的时间并不多，有时可能巡检完还正常的设备，在巡检离开后的巡检途中发生事故，这种现象归根结底还是有效的巡检时间严重不足造成的。

为减少电能的传输损耗，发电端需要将电能电压升高，使用高电压等级进行电网传送，到用户端再进行降压。处于传输环节的开闭所的系统电压主要为10 kV或35 kV，它从上级接受电能，向下级分配电能，具有开关分合与电能分配功能，但不进行变压等其他任何电量参数的改变。开闭所内无用于设备操作控制的低压操作与监控电源，回路操控设备只能采用手动操作的负荷开关，负荷监测的仪表也只能采用指针式的表计实现，给设备实时运行监控及负荷的监测带来相当大的麻烦。

2 开闭所运维常规解决方案

因开闭所处于配电系统中重要节点环节，控制及管辖很大一片用电负载区域，其因所辖区域内因某一设备或线路原因，将引起开闭所对应控制开关跳闸，从而造成大面积停电。因故障区域或某一点设备原因影响到其他正常运行的负载或设备，并且在故障点或区域在未有效排除或处理的情况下，是无法正常供电和恢复送电的，因此带来的社会影响和经济损失是无法衡量的。为做到有效隔离故障区域，保障正常运行区域，或者引起正常区域停电能迅速恢复该区域供电，目前大部分供电企业的做法主要有两种：一是在开闭所的主回路控制开关使用不自动跳闸的负荷开关，在所辖区域内发生故障时，开闭所节点开关不跳闸，从而不对正常运行设备造成影响；二是使用带跳闸保护功能的真空断路器，开闭所内断路器与下级断路器开关在故障跳闸级别进行分级，下级发生短路等故障时，下级开关提前主动跳闸，不影响到上级的节点断路器跳闸，从而有效隔离了故障，保护了正常使用负载。

为兼顾下接的所有负荷，开闭所位置的设立不会靠近某一个厂区，而是偏离厂区选择在相互之间的中间位置，这势必给开闭所的管理及日常维护带来诸多不便。为解决这个问题，使开闭所的运维能更加便捷，大多数供电公司将开闭所设立在靠近交通方便，施工条件便利的厂区附近，或者直接将开闭所与某一园区的大负荷控制中心在空间设置上合并，进行统一的设备管理。或者在开闭所的位置选择上人为或有意地靠近交通便利的地方，并且在开闭所的设施配置上也尽量考虑到运行维护的方便。

开闭所内手动操作的负荷开关、隔离开关因操作强度大，一般操作人员很难顺利进行到位，有时需要经过多次反复操作，不但给日常控制维护添加麻烦，而且因人为操作力度无法准确把控的情况下操作机构在多次人为操作后很容易损坏。为解决如此突出的问题，大部分企业的做法就是采用电动形式的负荷开关，或对现有手动负荷开关进行电动操作的改造。开关使用电动操作，大大方便了日常的操作与控制，同时开关的操作灵敏度，使用寿命和可控性等方面得到改善。

3 开闭所智能运维策略

现有的开闭所处理办法虽然在一定程度上能解决当前急需解决的困难，但却从另一方面带来了新的问题。使用不跳闸的负荷开关，下级负荷发生故障时，可能会导致整个系统的崩溃。使用动作参数配合的断路器，实际运行中却无法做到上下级开关精准配合。人为考虑开闭所位置便捷，势必增加线路长度，增加线损。电动负荷的采用，因其动作时间长，根本无法满足保护控制精度的要求。

开闭所的智能运维策略能从根本上使以上问题得到解决。开闭所的智能运维即开闭所的智能化，采用远方智能终端和主站控制系统架构，通过对配电一次设备的全方位智能化监控，能够做到24小时不间断在线监测，故障自诊断及自愈恢复，多途径及方式实现设备的远程控制及在线维护，大大提高设备运行的安全性及稳定性。

3.1 主站控制系统

如图1所示主站控制系统即配电网开闭所等配电设备的自动化[2]系统中心站，主要实现配电网及设备的数据采集与监控等基本功能及电网分析应用等扩展功能，从而为配电网调度服务，功能包括公共平台服务、配电SCADA功能[3]2、馈线故障处理、配电网分析应用、智能化功能及公共平台服务。

主站系统一般位于城市调度中心，它将智能远方监控终端上传的数据进行分析、处理、存储，实现各种高级应用，也可与外部系统进行互动，是人机交互的接口。

图1 主站控制系统

3.2 一次环网设备

因SF6气体良好的电气绝缘性能及密封后的免维护性，开闭所内一次设备基本使用SF6全绝缘充气式环网柜，隔离/接地开关、负荷开关和真空断路器等主元件全密封在SF6气箱内。各开关和断路器通过外部机构进行屏柜本地操作，操作机构配置弹操或永磁操动装置，可实现远程遥控。

系统方案上配置两台可环网电源供电的进线柜，终端时仅配置一台电源进线柜，作为一次系统的电源控制与保护；一套系统电压互感器柜，用于对母线系统电压的采样及监测；馈线柜的数量依据需要进行配置，可以一到多台不受限制，对下级配电网或线路起到集中控制作用。如图2所示。

图2 一次系统图

3.3 智能远方监控终端

智能开闭所内配置智能远方监控终端[3]2，实现对环网设备G01～G04隔离接地开关、F01负荷开关、及Z01～Z04真空断路器的分/合、现地/远程控制、闭锁/解锁控制；完成对开关设备的位置信号、动作状态信号的监测；并通过H01～H04电流互感器、L01～L04零序互感器、Y01～Y03电压互感器实现对系统电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和电能等电量数据的采集与计算；实现对馈线开关的故障识别、自动隔离故障区、快速恢复非故障区间供电；同时具备各种通信功能，能够实时将采集的数据上传主站，从而实现10 kV环网设备远方测控自动化[3]3-4功能。

监控终端依据被监控对象的性质，主要的监控内容及相互之间的组合关系，采取最佳的监控作策略和控制手段。对于含有隔离开关、真空断路器和接地开关的双电源进线柜，监控终端先进行主/备电源的判断，正常情况下主电源供电，主电源异常时备用电源供电。1#主电源投入时，先监测检修室门是否安全开闭，然后判断G01的接地刀是否分开且隔离刀是否闭合，同时监测权限控制开关是否允许远控操作，满足条件时才向真空断路器发出合闸信号，从而完成送电过程，如图3所示。

3.4 开闭所智能运维功效

开闭所智能化监控后，日常运维变成无人或少人值守，设备安装位置已不再重要，经对馈出线路综合考虑后，达到整体线路短、线损能耗低的性能要求。

智能开闭所配置带储能机构的真空断路器，因操作回路使用了能量储存机构，使得分合闸不仅操作电流小，动作灵敏度高，而且转换速度快，到达毫秒级别，完全满足保护精度的要求。并且真空断路器具有故障高分断能力、保护动作速度快、灵敏度高及易控制等特点。

图3 智能远方监控框图

智能开闭所在原有基础上进行升级，将PT变压后二次交流电压进行直流转换，并配置后备电池系统，开闭所内开关及其他仪表等采用直流电源，在系统停电或其他原因失电情况下，直流电源仍能继续供电，从而保证了开关仍能可靠电气操作、仪表和其他装置的参数及定值仍能可靠存储。设备的远程通信及控制不会有丝毫影响，由此极大地提高设备的可维护性。

4 结束语

本论文从实际工作角度出发，阐述了开闭所在配电领域的重要性以及现有开闭所在日常运维中普遍存在的问题，提出了开闭所的智能运维策略，从根本上解决了开闭所普遍存在的运维困难，维护成本高和问题处理不及时等问题。但因研究的深入程度问题，未能进一步分析与说明开闭所整休智能方案与配电网智能控制系统及上层应用的关系与解决策略，希望在以后的工作中随着研究的深入而得到解决。