一种变电站用智能化检修调试平台的研制

陈昊，王抗，张海华 ，周永荣

(1. 国网江苏省电力有限公司 检修分公司，江苏 南京 211102； 2. 国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 211106)

0 引言

随着坚强智能电网的发展，变电站电气设备工作的可靠性对保证整个电力系统安全稳定运行愈加重要，稍有不慎便会引发诸如印度大停电、巴西大停电的严重事故[1-2]。因此，需要按一定周期对变电站电气设备，例如一次设备、二次保护装置等进行检修和调试[3-4]。变电站检修调试工作的质量和效率直接决定着电网供电的可靠性。近年来，随着变电站智能运检技术的兴起和新型精密仪器的频繁使用，检修和调试工作相关的装备也在不断更新换代[5-7]，但仍存在以下3个方面的问题：

1) 变电站内建筑、设备密集[8]，作业空间狭窄，需要携带精密仪器转移工作面，跨越坡度最高可达60°。现有智能运检装备运输主要针对常规平稳路况，平稳性控制能力有限，不具备在复杂地形中自动控制倾斜角、实现精密仪器平稳越障的能力，占用了大量停电检修时间；

2) 变电站电气环境复杂[9]，多项停电检修、调试工作同时进行时，停电、带电区域相互交错，现有智能运检装备的安全措施手段主要依靠布置实体围栏，不具备主动隔离带电区域的功能，作业人员易误入带电区域，存在安全隐患，2018年变电站内因误入带电间隔发生的人员伤亡案例多达40起；

3) 变电站设备、试验仪器存在电源需求多样化的特征，现有智能运检装备不具备自适应电源供电能力。此外，装备输出电源的电能质量不能满足精密仪器工作要求，导致复杂故障模拟困难，甚至试验结果可能出现偏差，造成继电保护装置误动或拒动，对电网的安全稳定运行造成严重威胁。

在此背景下，需要研制一种变电站用智能化检修调试平台，实现继电保护、电气试验仪器平稳越障，带电区域安全感知以及平台智能供电，提升检修调试工作效率和安全性。

1 总体研究思路

本项目从一次设备检修、继电保护装置调试的现场工作需求出发，对精密仪器平稳越障技术、带电区域安全感知技术和平台智能供电技术3个方面分别展开研究，总体工作思路见图1。

图1 总体研究思路

2 精密仪器平稳越障技术

2.1 倾角量获取

本文提出了实时倾角量反馈控制方法，利用装置内置陀螺仪，使装置每次进入运动状态后，置初始倾角基准值，此后，按50次/s的速率采集载重面与水平面的绝对倾角βi.k(i∈N,k=1,2,3,4,5)，每5次倾角平均值计算出控制用绝对倾角αi：

(1)

易见，αi每秒更新10次，进一步引入调节速率理想值rj(j=1,2)，动态调节αi的调节速度。此外，为减小累计误差的影响，如装置在连续运动，每1min重置倾角基准值；如装置经历了停止状态，则每次重新进入运动状态时，重置倾角基准值。

2.2 动态平衡机构与控制策略

平台的动态平衡机构如图2所示。

图2 动态平衡机构

当陀螺仪检测到αi，控制步进电机增速或减速运转，调节锁杆压紧复位弹簧，拉紧或放松刹车线，调节阻尼，实现载重面倾角控制。当αi接近0°时,即满足αi∈[-ε,ε]时，步进电机处于锁止状态，ε为锁止灵敏角，推荐值为2°。

所提出的实时倾角量反馈控制方法包括门限控制和柔性控制两种实用化控制策略，通过内部控制字来进行选择。

门限控制策略：当陀螺仪检测到αi超过[-5°, 5°]时，增加阻尼，以r1速率调节；当αi拉回[-5°, 5°]以内且电机不处于锁止状态时，步进电机转速减慢，微调阻尼，以r2速率调节。

根据门限控制策略，i时刻的调节速率为：

(2)

其中r1>>r2。

柔性控制策略：当陀螺仪检测到αi超过[-5°, 5°]时，增加阻尼，基于机制转换函数(式(3))过渡到以r1速率调节；当αi拉回[-5°, 5°]以内且电机不处于锁止状态时，步进电机转速减慢，微调阻尼。柔性控制引入了机制转换函数，如图3所示(本刊黑白印刷，相关疑问咨询作者)。

图3 机制转换函数

机制转换函数表达式如式(3)所示。

(3)

根据柔性控制策略，基于机制转换函数,i时刻的调节速率如式(4)所示：

(4)

其中：阈值Δ建议值为5°；转换速度参数γ的建议值为500。

门限控制策略实现了对绝对倾角的动态控制，其优势在于响应时间短(1s以内完成)，调整精度亦满意。柔性控制策略的优势在于调整更为精准，调节过程更为柔和，超调幅度小，能保证载重面倾斜度能以适宜的速度调整至5°以内。两种策略根据现场实际需要选择。两种策略均能有效提高继电保护测试仪、电气试验仪器转移工作面时的运输安全性和工作效率。

3 带电区域感知技术

智能变电站内电气环境复杂，室外一次设备检修、室内保护装置调试时都要进行带电区域隔离，根据户外设备场、保护室的不同特点采取了差异化的隔离方式。

3.1 二次保护室内的带电区域感知

本文提出一种双区域半径安全距离控制方法，基于布置于停电工作区域周围的收发一体可移动超声传感器组，通过感知超声波返回时间计算平台与带电区域的距离，建立一种双区域半径控制机制：达到低阈值T1时声光报警；达到高阈值T2时闭锁平台同时强制断开动力电源。通过告警信号控制字QL和告警回路压板LP1实现不同告警方式的选择。

通过对平台实时空间定位，实现了对带电区域的主动隔离，确保继电保护调试工作中平台不会误入带电的运行屏位，如图4所示。

图4 调试工作中的带电区域隔离

3.2 户外设备场的带电区域感知

户外设备场内带电体多，空间复杂程度远在保护室之上。当平台在户外设备场的一次设备检修工作中使用时，除了应用上述双区域半径安全距离控制方法之外，同时开启电场强度测量功能，进一步强化带电区域感知能力。基于微电流感知的低频电场强度测量技术，通过对电场测量模块中U型铜质导体微电流的感知，获取测点的电场强度，实现了对带电设备距离的准确测量，并基于预置的安全距离告警值，在平台逼近安全距离时，平台会给出告警信号。紧急情况下直接闭锁平台同时强制断开动力电源，确保在一次设备检修工作中实现对高压带电区域的主动隔离，如图5所示。

图5 检修工作中的带电区域隔离

4 智能供电技术

变电站设备、试验仪器的电源需求越来越具有多样化的特征[10]。电气试验工作的主要场地，户外设备场的检修电源箱经常在电压等级、电能质量上不能满足精密仪器的要求。继电保护工作的主要场地(如继电保护室)，经常不能提供合适的电源，限制了精密试验仪器基本功能的使用。针对此问题，基于DC-DC/DC-AC并联供电技术，设计了一种多端柔性输出供电电路，如图6所示。电路中Boost载波模块输出平台自身使用的低压/中压直流电、逆变滤波模块输出外接试验仪器使用的高压交流电，通过电力电子为精密仪器提供高电能质量电源；功率调节模块并联有一定数量的功率管，通过调节并联功率管数量实现仪器用电的功率自适应调节与高电能质量电源输出。

图6 多端柔性输出电路

以继电保护工作为例，基于多端柔性输出电路，可以提供多组交流、直流量输出。电源方便切换，不仅可以为精密试验仪器提供电源，还可以增强试验仪器模拟复杂工况下的电压、电流多次变化、开入量翻转过程的能力，提升了继电保护装置的复杂网故障模拟能力。以500kV线路保护装置为例，可模拟15种新增故障类型[11]，如线路故障跳闸后零序电流、同塔双回线转换故障等，提升了继电保护工作质量。

特别一提的是，本平台解决的供电问题不仅出现在常规运维检修工作中，在设备投运验收工作等电源问题更为凸显的场景中，智能供电技术的效用将更为彰显。

5 智能化检修调试平台的应用

本文研制的变电站检修调试平台已在江苏电网多座220kV、500kV、1 000kV变电站一次设备电气试验、二次保护装置调试工作中获得现场应用。

1) 平稳越障技术应用效果：平台实测最大载重达100kg，能实现常规楼梯攀爬、变电站跨电压等级陡坡越障、变电站二层架构窄梯攀爬与狭小平台转弯。以应用门限控制策略为例，继电保护测试仪、电气试验仪器等精密仪器转移工作面时运输时间平均减少35%；

2) 带电区域感知技术应用效果：应用本成果以来，未发生一起一次设备检修工作人员误入带电间隔事故以及保护调试工作人员误入运行继电保护屏柜的事故；

3) 平台智能用电应用效果：装置实现了3种直流量、3种交流量的同时输出，电能质量大幅超过国家标准要求，提升了保护调试工作故障模拟能力，可以模拟15种新型复杂工况故障，提升了继电保护调试工作质量；产品投入使用后，未发生一起定值校验不准确、故障类型模拟不足导致的继电保护事故。

6 结语

变电站智能化检修调试平台的应用能够保证精密试验仪器在变电站内平稳越障，平台具备带电区域感知、智能供电的功能。工程应用结果验证了平台的有效性，显著提升了变电站电气试验、继电保护工作效率，进一步提升了工作的安全性。基于本平台的核心技术可以进一步改进、转化应用到其他领域，如精密仪器、优质电源、工业生产、生活日用、医疗器械等领域，满足这些领域人员和物品平稳转移、精密仪器安全运输及设备多元用电需求。