110 kV变电站一次设备监测系统研究与设计

王 健

(西山煤电(集团)有限责任公司 电力公司 ，山西 太原 030053)

0 引言

移动变电站一次设备主要包括电力变压器、避雷器、高压开关、中压开关、监测和保护装置等，它可以根据煤矿生产的需要，迅速替代原有的变电站，向生产提供电力供应，保证抢修或者生产的正常进行[1]。移动变电站一般设计成结构紧凑、移动灵活方便的产品，当载有移动变电站电力设备的车辆到达指定地点后，经过专业人员的组装和调试，可以在数小时使得室内恢复可靠供电，因此，具有体积小、一次设备智能化、全站信息数字化接入电网迅速等特点[2]。在移动变电站一次设备监测系统的设计过程中，应该考虑系统结构的紧凑和移动过程中的震动性能。本文主要对移动变电站一次设备监测系统进行研究设计，介绍变压器、断路器监测装置的工作原理；以太阳能发电和直流电源模块为核心的双电源供电系统以及通讯协议的选择。

1 系统整体设计

智能移动变电站的一次侧监控系统结构如图1所示，包括过程层、间隔层、站控层三个层面。移动变电站的设计以全站信息化作为基本的要求，过程层包括相关监测终端和智能设备，在重要一次设备中增加了智能监控功能，对设备的运行状态进行实时监测，可以实现一次设备测量和监控、电能计量、继电保护等功能；在间隔层利用液晶显示模块实现数据可视化，利用相关按键进行参数的调整；间隔层和站控层之间通过以太网进行通讯，利用IEC870-5-101协议，将移动变电站的监测数据发送给相邻变电站和地方调度部门，实现外部通讯[3]。

2 状态监测硬件系统

2.1 通信模块设计

为了实现过程层与间隔层之间的数据通讯，设计基于RS-485通讯协议的通讯模块。RS-485通讯是工业生产中用于计算机和设备通讯的一种重要方式，采用差分电平传输数据，仅用两根数据线(A、B)就可以完成数据通讯，当A、B之间正电平为+2 V～+6 V时，表示一个逻辑状态“1”；当A、B之间正电平为-2 V～-6 V时，表示一个逻辑状态“0”。相比于RS-232通讯，RS-485具有抗干扰能力强、数据线数量少的特点，硬件电路采用MAX13487芯片，可以使用3.3 V直流电源供电，实现数据的可靠传输。

图1 智能移动变电站一侧监控系统结构

2.2 变压器监测

变压器油是由许多碳氢化合物分子组成的混合物，当游离在液体中的C-H键或者C-C键被变压器内部电、热故障打断之后，产生的C、H原子核自由基通过化学反应重新复合，形成低分子烃类物质。在变压器油溶解气体监测过程中，根据电力行业相关标准，新的或者大修后的变压器至少在投运后的1天、4天、10天、30天各做一次监测，正常运行中设备的监测周期如表1所示。

变电站遥视系统实现的功能主要包括：①变压器外观状态；②门禁监控、报警及布防；③消防系统联动报警；④操作人员红外监控，设备运行状态的辅助监控。

表1 正常运行中设备的定期监测周期

变电站监控设备包括摄像机、云台、报警设备、网络交换机和视频服务器等，主要完成数据采集、编码和远程传输功能[4]。报警设备由烟雾报警设备、红外双鉴报警器、门磁开关、红外对射探测器组成。为了方便查看变电站内的图像，在摄像机下方配置解码器，视频服务器的控制信号通过RS-485总线发送给云台解码器，通过控制云台电机控制摄像机的上、下、左、右运动和聚焦。视频服务器与变电站交换机之间通过RJ-45以太网口连接，前端摄像机采集的图像信息和门禁布防信号通过视频服务器编码、打包，发送给变电站交换机。

在图像内容存储过程中，为了降低视频存储占用的空间，采用国际标准化组织提出的H.264视频压缩格式对视频进行编码，这种视频格式具有图像清晰、容错能力强等优点，最高传输图像质量为30帧/s。

2.3 断路器监测

断路器是供电系统中最容易发生故障的电器，断路器的维护、监测对于变电站一次设备的稳定运行至关重要。在变电站中广泛使用GIS断路器，利用SF6气体的绝缘性抑制开关在开合过程中产生电弧，当SF6气体泄漏或者气体封闭空间中进入水汽时，气体的绝缘性能和灭弧性能显著下降，因此，断路器SF6气体的主要监测内容包括SF6气体是否泄漏、SF6气体的微水含量。在本系统中，利用露点法对SF6气体的含水量进行测量。

3 供电电源设计

为了提升移动变电站的供电可靠性，在本系统中，设计两路电源为变电站站内设备供电。第一路为UPS电源，为其配置超级电容器，在移动变电站不使用期间，利用220 V交流电为超级电容器充电，当需要使用时，UPS通过逆变器向站用负荷供电，实现站用负荷的不间断供电；另一路为变电站顶端太阳能电池板，太阳能发电储存在铅酸电池中，之后经过逆变器转换为220 V的交流电，供电给站用重要负荷(空调系统除外)使用。

交流整流电路主要包括抗干扰电路、整流电路、DC/DC转换电路和整流滤波电路。交流电源为站用配电变压器或者市电，输出电流最大为5 A。

3.1 太阳能电池板选型

太阳能电池板型号选择凯西德100W-1型，产品功率为100 W±3%；工作电压为18.5 V±3%,工作电流为5 A±3%,具有较高的发电效率。电池安装位置为集装箱顶端，选用18块凯西德100W-1型电池板，接线方式为9串2并，最大输出功率为1 800 W，可以满足站用关键设备的短时间用电。

3.2 直流电源模块

太阳能电池板发出的电能是直流电，不能直接向站用设备供电。需要通过电能储存与逆变，逆变器选型为FT-2000 W，整机效率高达90%，工作环境温度范围为-20 ℃～75 ℃，具有过载、短路、市电高低压保护的功能。具有一个RS-485通讯接口，通过该接口实现不同工作模式的远程切换。

4 系统软件设计

该系统可用于电力系统通讯的协议包括：IEC870-5-101通讯协议、Modbus通讯协议和CDT通讯协议等[5-6]。

CDT通讯协议是电力系统中最早使用的一种通讯协议，最多可以传输512个遥信信号，在需要大量信息传输的变电站，通过模块扩展的方式增加信号的传输量，增加了CPU的工作量。Modbus通讯协议采用问答方式进行通讯，问答过程中不断对累存器进行读取，可以进行大量信息的传输，由于其没有事件顺序记录的功能，因此，当电力系统发生故障时，无法通过事件发生时间对故障进行分析。IEC870-5-101通讯协议中，主站既可以通过查询RTU状态对RTU进行控制，也可以被动地接收RTU的状态信息，当电力系统产生突变信息时，RTU中产生变化的标志，并及时将变化信息发送给主站，因此，具有较高的上报速度，可以作为本系统的通讯协议。

5 总结

本文主要围绕变电站一次设备的工作特性，设计了一次设备监测系统。利用RS-485通讯模块实现过程层与间隔层之间的数据通信，设计变压器遥视系统，利用露点法对断路器状态进行监测。设计两路电源为变电站站内设备供电，保证了供电的可靠性，选择IEC870-5-101作为主站和变电站信息采集设备之间的通讯协议。