（控制理论与控制工程专业论文）箱式变电站智能化技术研究.pdf

摘要 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电力事业迅速发 展，用户对供电质量和供电可靠性要求也越来越高。此外，由于国家 在城乡电网建设和改造中，要求高压直接进入负荷中心，形成高压受 电一变压器降压一低压配电的供电格局，使得箱式变电站成为现代低 压配电系统中的新宠。因此，对箱式变电站进行智能化研究，对于保 证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益 和工作效率具有重要的意义。 本文主要对箱式变电站的智能化技术进行了深入研究和总体设 计，分析了箱式变电站的低压无功补偿技术，提出了以d s p 为控制核 心实现箱式变电站配电变压器的实时监测和低压侧无功功率动态补 偿的控制方案，以弥补当前普通箱式变电站的不足。 论文首先结合箱式变电站技术的国内外发展现状，对箱式变电站 的智能化技术进行了深入研究，给出了箱式变电站智能化系统的总体 方案，并分析了各智能终端的实现方案。接着研究了箱式变电站的低 压无功补偿技术，并结合无功补偿技术的研究现状，提出了低压快速 分相无功补偿的方案，同时按照箱式变电站无功补偿的实际情况，建 立了以电压偏差和无功偏差为输入量，电容器投切组数为输出量的无 功补偿模糊控制器，从而实现对电容器组的分相投切以补偿无功功 率。然后论述了基于g p r s 无线通信与c a n d e v i c e n e t 总线技术的智 能箱式变电站通信网络解决方案。最后以高性能数字信号处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为主控制器，设计了智能箱式变电站的配变监测终 端，详细介绍了该终端的硬件设计和软件实现。 关键词箱式变电站，配变监测终端，无功补偿，d s p a b s t r a c t t h ee l e c t r i cp o w e rb u s i n e s sd e v e l o p sr a p i d l yw i t ht h ed e v e l o p m e n t s o fc o u n t r ye c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n t so ft h ep e o p l e sl i f el e v e l ， w h i l ep e o p l ed e m a n dm u c hm o r ep o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，b e c a u s ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o na n da l t e r a t i o no ft h eu r b a n a n dr u r a le l e c t r i cn e t w o r k ，t h es t a t er e q u i r e st h a th i g hv o l t a g es h o u l db e p u ti nt h el o a dc e n t r ei no r d e rt of o r map o w e rs u p p l ys t r u c t u r ew h i c hi s h i 曲一v o l t a g es i d ew i t h s t a n d i n gv o l t a g e ，s t e p d o w nt r a n s f o r m e ra n dl o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o n ，t h ec o m b i n e ds u b s t a t i o nh a sb e c o m et h en e wc o s s e t o ft h em o d e ml o wv o l t a g ep o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，t h ei n t e l l e c t u a l i z e d r e s e a r c ho nc o m b i n e ds u b s t a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt oe n s u r et h er e l i a b i l i t y a n ds t a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l y , t oi m p r o v et h ep o w e rs u p p l yq u a l i t y a n dt oa d v a n c et h ee c o n o m yb e n e f i ta n dt h ew o r ke f f i c i e n c y t h ei n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yo ft h ec o m b i n e ds u b s t a t i o ni sm a i n l y l u c u b r a t e db e s i d e st h es y s t e md e s i g n ，a n di t sl o wv o l t a g er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e r as y s t e mp r o j e c ti sp u t f o r w a r dw i t ht h ed s pt e c h n o l o g y , w h i c hf u n c t i o ni st oa c t u a l i z et h er e a l t i m ei n s p e c t i o nt od i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e ra n dt h ed y n a m i cc o m p e n s a t i o n t ot h el o wv o l t a g er e a c t i v ep o w e r , i no r d e rt os u p p l yag a po ft h en o r m a l c o m b i n e ds u b s t a t i o na tp r e s e n t f i r s t l y , t h ec o m b i n e ds u b s t a t i o ni n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yi sl u c u b r a t e d c o m b i n e dw i t hi t sd o m e s t i ca n de x t e m a ld e v e l o p m e n ts t a t u s ，t h eo v e r a l l p r o j e c to fi t si n t e l l i g e n ts y s t e mi sp r e s e n t e d ，a n dt h er e a l i z a t i o np r o j e c to f e a c hi n t e l l i g e n tt e m i n a li si n d e p t ha n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e n ，t h el o w v o l t a g er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no ft h e c o m b i n e ds u b s t a t i o ni s l u c u b r a t e d ，an e wp r o j e c ti sp u tf o r w a r dw h i c hi sr a p i ds p l i tp h a s el o w v o l t a g e r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ，a n d t h er e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o nf u z z yc o n t r o l l e ri s f o u n d e dt a k i n gt h ec h a n g eo fv o l t a g e a n dr e a c t i v ep o w e ra si t s i n p u t sa n dt a k i n gt h ea m o u n to fs w i t c h i n g c a p a c i t o r s a si t s o u t p u ta c c o r d i n g t ot h ea c t u a ls t a t u so fc o m b i n e d s u b s t a t i o ni no r d e rt os w i t c hc a p a c i t o r st oc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r f u t h e rm o r e ，ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp r o j e c ti sp r e s e n t e db a s e do na k i n do fr a d i o c o m m u n i c a t i o nc a l l e dg p r sa n dc a n d e v i c e n e t i i t e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ed i s t r i b u t i o nt r a n s f o l i n e rt e r m i n a l u n i to ft h e i n t e l l i g e n tc o m b i n e ds u b s t a t i o ni sd e s i g n e dw i t ht h eh i g h - p o w e r e dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，a n di t sh a r d w a r es t r u c t u r ea n d s o f t w a r er e a l i z a t i o na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l k e yw o r d sc o m b i n e ds u b s t a t i o n ，d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rt e r m i n a l u n i t ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，d s p 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：之堑翌往日期：盟年甥上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储虢坐聋翩签名塑吼堑年虫二日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 目前，国家在城乡电网建设和改造中，要求高压直接进入负荷中心，形成高 压受电变压器降压低压配电的供电格局，所以供电用配电要向节地、节电、 紧凑型、小型化、无人值守的方向发展。箱式变电站正是具有这些特点的最佳 产品。而对箱式变电站进行系统分析并进行智能化研究，对于保证供电的可靠性、 稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具有更重要的现实 意义。 1 1 概述 1 1 1 箱式变电站简介 箱式变电站简称箱变，它是由高压开关设备，电力变压器和低压配电装置三 部分按不同的接线方式组合在一个或几个箱体内的成套配电装置0 1 。它可以用于 建筑工地、住宅小区、街道、工矿企业、机场、港口等方面，作为接受电能、变 换电压，提供动力与照明供电之用，既可安装在户内、也可安装在户外。目前我 国使用量最大的箱式变电站是电压等级为1 0 0 4 k v ，容量为5 0 1 6 0 0 k v a 的箱 式变电站。 箱式变电站按其产品结构的不同可分为组合式和预装式；按接线方式可分为 终端接线式、双电源接线式和环网接线式：按使用场所可分为户内和户外式；按 箱体结构可分为整体式和分体式。 组合式俗称为“欧式”，如图1 1 所示，是一种将高压负荷开关、保护熔断 器、变压器、低压出线设备统一设计组合而成的紧凑型成套设备。变压器和低压 设备均相互隔离，通过电缆或母线来实现电气连接，其选用的设备均采用常规的 定型产品，具有供电可靠、结构合理、安装简单灵活、操作方便、体积小、占地 少、造价低等许多优点，广泛用于工业园区、居民住宅小区、商业中心及高层建 筑场所，是目前技术非常成熟的一种箱变产品，使用推广范围很大。“。 预装式常称为“美式”，如图1 2 所示，是一种将高压负荷开关、高压熔断 器置于变压器油箱之中，与变压器身共箱，油箱采用全密封结构，配有油温表、 油压表、压力表、压力释放阀、放油阀等元件监测变压器的运行状况。由于采用 了变压器油作为相间及对地的绝缘介质，并且用全绝缘的高压进出线端子和电缆 附件，使高压间隔间无任何裸露的带电部分，故具有体积非常小，使用安全可靠 等特点，可以在户内或户外设置。因其自身具有的诸多优点，已被用户逐渐认同， 硕二i ：学位论文 第一章绪论 其发展势头良好，特别适合于在供电网络中使用“。 图i - 1 欧式箱变外观示意图图1 - 2 美式箱变外观示意图 通常，箱式变电站由高压室、变压器室和低压室三部分组成。下面对箱式 变电站的具体结构进行详细分析，如图1 3 所示箱式变电站主接线图。 高压侧 低压侧 变压器室 图1 3 箱式变电站主接线图 l 、箱体 箱体是箱变的外观设备，它的主要作用是一个容器。它主要由底座、侧板、 隔板门和顶盖等部分组成。箱体内放入高压开关设备、变压器和低压配电设备。 箱体的设计至关重要，因为它是整个变电站的骨架。 2 、高压室 高压室里面使用的是一些高压受电设备，通常采用负荷开关+ 限流熔断器+ 避雷器的组合，可以进行停送电操作并且有过负荷和短路保护，一般有环网、双 电源和终端三种供电方式。目前国内使用较普通的有压气式环网柜和真空环网 柜，如i - i x g n l 5 、x g n l 7 等，高端用户可选用s f 6 绝缘式环网柜。 3 、变压器室 硕士学位论文第一章绪论 箱式变电站变压室中使用的变压器为降压变压器，一般将1 0 k v 电压降至 3 8 0 v 2 2 0 v ，供用户使用。变压器的容量一般为1 6 0 1 6 0 0 k v a ，最常用的容量 为2 5 0 6 3 0 k v a ，其器身为二相二柱或二相五柱结构4 1 。目前国内大多采用新s 9 或s 1 l 系列配电变压器，有的也采用了非晶合金变压器，其优点是空载损耗很小。 4 、低压室 低压室的典型方案是由进线柜、出线柜、计量柜和无功补偿柜组成。进线柜 中装有主开关，如断路器，用于控制整个低压系统的供电和保护，出线柜中装有 多路空气开关或刀熔开关，用于控制低压出线端的供电和保护；计量柜主要用于 对用户消耗电能的计费；无功补偿柜主要是对功率因数进行补偿。 1 1 2 箱式变电站智能化技术 箱式变电站的智能化就是指对箱式变电站的所有功能单元提供足够的监控 手段，保证箱变安全、可靠、方便、经济和优质地为用户供电。如今，居民小区 和商服系统的变电所，已逐步采用箱式变电站的方案，因此箱式变电站智能化程 度的高低，直接反映了配电自动化的水平。实质上，箱变就是一种规模稍小的无 人值守变电所。因而无论从生产、运行和管理方面，还是从用户的社会需求方而， 都要求它具备电力自动化的基木功能。箱式变电站智能化技术主要体现在以下几 个方面： ( 1 ) 数字化 对箱变内部所有的高压设备、变压器、低压设备和环境参数实现广度和深度 的监控。广度是指采集尽可能多的的参量( 遥测，遥信) 和控制尽可能多的开关 设备( 遥控，遥调) ；深度是指记录尽可能多的参量历史数据和事件顺序记录 ( s e q u e n c e o f e v e n t s ，s o e ) 。从而保证箱变安全可靠运行，并使箱变成为一个完全 可监控的全自动设备。同时对高低压设备进行智能化改造有利于配变监控的实 行。 ( 2 ) 网络化 箱变提供有多种通信接口，使箱变与中压监控单元及后台之间的通信简单， 并具有足够的带宽和通信速率，确保通信的抗干扰性和安全性。 ( 3 ) 信息化 适应配电网中信息管理的需求，能够在箱变和中压监控单元之间上传和下达 各种信息，实现网络规划；管理配电设备；了解配电变压器运行情况统计用电可 靠性、事故报警、故障诊断、故障隔离和快速恢复非故障地区的供电。”1 。 因此，智能型箱变的主要功能包括：配网远动终端功能( d t u ) ，配电变压 器监测功能( t t u ) ，电压无功综合优化控制功能，箱变环境调节控制功能，低 压出线负荷管理监控功能，通信功能和电能质量监测功能。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 箱式变电站智能化研究现状 随着变电站综合自动化和配电自动化技术的发展，箱式变电站的智能化逐渐 提上议事日程。进入9 0 年代后，电力自动化技术获得空前发展，变电站自动化系 统也日趋成熟。9 0 年代末期市场上开始出现智能箱式变电站。同时随着现代微机 控制技术、集成电路技术、计算机网络通信技术、传感器技术和开关元器件智能 化技术的发展，为箱变智能化提供了良好的硬件基础。 1 2 1 国外研究现状 早在上世纪6 0 年代，箱式变电站在国外兴起。欧洲一些国家最早在变电系 统中使用箱式变电站，他们将高压开关柜、变压器、低压开关柜组合在一起，置 于一个公共的箱体中，这就是传统的“欧式”箱变“。欧式箱变具备变电站所需 要的功能，但缺少无功补偿和计量功能。美国对箱式变电站研究开始也较早，他 们将变压器，高压负荷开关，熔断器及高低连线等置于一个共同的封闭的油箱内， 用变压器油作为绝缘介质，是一种结构紧凑、体积小的新型变配电设备。由于采 用了全绝缘的高压进出线端子电缆附件，高压间隔内没有任何裸露的带电部分， 具有安全可靠的运行特点。同时，还具有齐全的运行监视仪器仪表，如压力表、 压力释放阀、油位计、油温表等。 随着电力系统的发展和微电子技术的不断提高，国外在箱式变电站的智能化 研究方面也取得了很大的成绩，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 对箱式变电站各室完全实现了智能监控。在高压侧，传统的真空开关柜 已逐渐被新型的s f 6 绝缘开关柜所取代，并利用微机保护技术实现环网柜的测控 保护功能，尤其是随着d s p 技术的兴起，环网柜测控保护终端的研究与开发也 得到了空前的发展，目前已经普遍存在于国外的各类箱式变电站中。同时，对箱 式变电站中的电力变压器配置了相应的监控终端，负责电力变压器运行情况的监 控工作，并能通过通信网络向后台监控主站输送各种监控信息和故障报告。智能 箱式变电站中的各类断路器和开关也已经逐渐实现了智能化，并能将工作状态反 馈到监控主站。 ( 2 ) 箱式变电站智能化系统通信功能完善。8 0 年代以来计算机网络技术得 到了很大的发展，特别是局域网( l a n ) 技术的迅速发展和应用已经成为一种潮 流，由于它能很好地满足电力兄的一些特殊要求，因此该技术在国外箱式变电站 内部网络中得到了广泛的应用。智能箱式变电站内部各智能单元能够通过局域网 络实现信息的相互转发和数据的上传。同时g p r s 无线通信己经应用到了国外智 能箱变与管理主站之间的远程通信中，这样一来，操作人员无需再进行繁琐的抄 表工作，后台监控系统上通过菜单形式调阅箱式变电站的所有运行参数，并能通 4 硕士学位论文第一章绪论 过后台监控系统键盘操作或调度远方终端，使运行人员尽量避免与配电系统直接 接触，保证人员安全，还能有效保证箱式变电站的正常工作，即使出现问题也能 及早的发现和解决。利用移动通信公司的无线网络实现通信功能，也降低了箱式 变电站智能化的成本。 ( 3 ) 箱式变电站低压无功补偿功能完善，配变监控终端能够根据电能质量， 完成无功功率的分相动态补偿，无功补偿效果好，自动化程度很高。此外，智能 箱式变电站已经完全实现了远程抄表功能。国外在9 0 年代初，自动抄表就有了 实际应用。据美国电世界1 9 9 4 年l o 月号摘要报道，在1 9 9 4 年初，北美地 区装设了3 1 4 0 6 3 块具有自动抄表功率的电能表，其中g e o r g i a 电力公司在1 9 9 3 年内已经装设了5 0 0 0 0 个车载无线电自动抄表单元；b o s t o n e d i s o n 公司已经装设 了1 7 0 0 0 个固定式和车载无线自动抄表单元；加拿大的q u e b e c 水电局也已经安 装了6 4 0 0 0 个自动抄表单元。 目前，美国电力公司最新研制出一种面积为3 0 5 m 4 6 m 的箱式自动配电变 电站，其具有监控与数据采集( s c a d a ) 、故障保护、统计测量与监视、负荷控 制及波形现实，由于这种箱式变电站无需远方终端装置、中继继电器和传感器以 及独立配电盘等，且采用的控制开关少，所以占空少、建设少、运行和维护费用 也少、可提高供电系统的整体可靠性水平n 。 智能箱式变电站在发达国家的配电领域中已经占有非常重要的地位，是变电 站设计方向的重大改革。在欧洲发达国家己占配电设备的7 0 ；在美国箱式变电 站的使用率已经超过了8 0 ，成为美国配电网自动化中的重要设备。 1 2 2 国内研究现状 2 0 世纪7 0 年代后期，我国引进“欧式”箱变，9 0 年代我国引进美式箱变。国 产箱式变电站是在欧式箱变基础上根据我国电力部门用电法规完善化的产品，由 于一开始就有供电部门参与，所以产品符合我国国情，计量、无功补偿一应俱全。 传统的做法是用型钢焊接一个骨架，包上铝合金或钢板等外皮，里面再装高、低 压开关柜，形成“铁柜子内装铁柜子”，存在外形尺寸减不下来、外壳加工时期长、 质量低等缺点。9 0 年代末期，我国开始了箱式变电站智能化方面的研究。 在智能化研究阶段的早期，我国对智能箱式变电站的开发均针对欧式箱变进 行，如河北电力设备厂的无人值班智能箱式变电站，主要是取消了原有盘表组成 的测量监视系统，取消了原有由“线圈一触点”方式构成的继电保护逻辑回路， 而由以微控制器为核心的硬件和软件组成各种继电保护装置对箱变内各功能单 元实现测控保护，各种监测数据和故障信息均传送到后台进行处理。 近几年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给箱式变电站智能 化水平的提高注入了新的活力。高性能的微处理器的问世，活跃了计算机市场， 硕士学位论文第一章绪论 网络技术、现场总线等出现，给广大科技工作者创造了大显才能的条件，适用于 电力系统的各类通信网络开发应用，通信规约的制订，使箱变通过智能监控单元 加入现代配电网自动化管理具有了可操作性。因此，近几年研究箱式变电站智能 化进入了一个高潮，其功能和性能也不断完善，出现了一种综合上述两种箱式变 电站优点的新型箱变紧凑型箱式变电站“1 。 比较典型的是2 0 0 2 年天津电气传动研究所组织全国一些变电站专家和几十 家单位联合设计的x z b l 智能箱式变电站“。它是目前我国设计方案最为齐全的 紧凑型智能箱式变电站，它是一整套包括智能开关、协议转换器、网络电力仪表 及各种智能监控终端在内的产品。在高压侧，采用s t 4 0 0 网络测控仪表实现高 压开关的测量、合分闸操作控制及开关状态实时监视等就地或远方“三遥功能”， 采用s d 0 5 - - 2 4 r 可编程逻辑继电器实现终端环网高压开关的操作控制及开关运 行状态实时监视。低压进线开关配置了万能式断路器实现进线主开关的电力参数 测量和分合闸功能，并将现场总线技术p r o f i b u s 运用到了箱式变电站的内部网 络，能够实现遥控、遥测、遥讯、遥调及快速切除故障、恢复送电等配电自动化 功能。但是由于该智能箱式变在实际应用中要根据情况决定选用智能元件和网络 布线元件，不可避免产生与外界公司产品之间互操作性的问题：另外某些智能元 件的通信协议采用的是m o d b u s ，总线的性能还偏低，若主接线采用p r o f i b u s 现 场总线，那相互之间还需要增加协议转换器，这些要影响通信的实时性。 为了给配网自动化发展打好设备基础，国内进行了两次联合设计工作，分析 了欧式、美式、国产式传统箱变的优缺点“，结合城乡电网改造的技术政策，以 节地、节能、小型化、免维护、不检修为目的，对箱式变电站进行了改进，也取 得了一些成绩，但是目前开发的智能箱式变电站还存在某些不足。 箱式变电站低压侧的无功补偿采用的是低压集中补偿方式。无功自动补偿系 统的研究也有了一定的发展，已有一些科研单位和公司推出了相应产品。目前主 要存在问题是控制规律简单、抗干扰能力差，装置的可靠性和控制精度难以满足 现场运行的要求，此外还存在着采用有触点的继电器进行电容器投切，控制时产 生的电网波动大，无功功率补偿产品的工作寿命低的缺点，难以满足现代化电力 系统“绿色”环保的需要。 目前，智能箱式变电站的的远程通信方式大多数采用的还是有线通信技术和 电力载波通信技术。有线通信技术作为传统方法，以其稳定性高而占有优势。但 有线通信铺线工程大，容易遭人为损坏；同时对已建成的居民楼，再在墙壁表面 拉线，居民难以承受。电力载波通信技术利用现有交流电源作为通信线路，省了 铺线工程。但电力线的主要功能是电力传输，所以电力线的设计不可能兼顾数据 通信的技术要求，对数据传输有许多限制。电力线上的高削减、高噪声、高变形， 6 硕士学位论文第一章绪论 使电力线成为不太理想的通信媒介，给在电力线上实现信息的可靠传输带来极大 的困难。 从普通变电站综合自动化移植而来的智能箱式变往往不能兼顾到箱式变电 站的低压侧，此外高压侧开关柜的智能化也不尽完善，同时箱式变电站各终端还 采用独立通信的模式，内部网络化程度低，这不但会增加箱式变电站的智能化成 本，还会造成通信规约不统一，通信带宽不足的问题，此外，落后的通信方式也 不利于现代电力系统发展的需求，因此迫切需要对国内箱式变电站进行进一步的 智能化研究，力求完善各模块的智能化设计，利用更先进的现场总线技术和更完 善的通信网络来进一步实现配网自动化功能，以便管理主站对智能箱变的统一管 理，从而促进我国电力自动化事业的发展。这些都有待进一步的分析研究。 1 3 课题的来源及研究意义 本课题“箱式变电站智能化技术研究”是宁波天安开关厂以及珠海鸿瑞软件 公司委托中南大学信息科学与工程学院自动化系开发的，属横向研究课题。 由于国家电力公司对城市电网改造的供电可靠率要求是城市中心地区为 9 9 9 9 ，即每年停电时间不超过5 2 m i n 。而没有“故障定位、自动切除、负荷转 带、网络重构”的配电自动化功能是不可能达到这个指标的。因此，作为配电设 备的箱式变电站，必须具有智能化终端功能。对箱式变电站进行智能化研究，可 以增强箱变运行的可靠性，提高供电的电能质量，实现箱变的无人值守，从而切 实提高企业的经济效益和工作效率。 对箱式变电站的电力变压器实现在线监测，是提高配变管理水平和改善配变 质量的基础，无功补偿则可以降低电网的电能损耗、提高低压电网设备的利用率， 并在一定程度上改善低压电网的电压质量。在注重电网经济效益和电能质量的低 压电网建设和改造工程中，配变监测和无功补偿越来越得到重视和运用。 1 4 论文的结构安排 论文共分为六章。第一章是论文的绪论部分，主要介绍智能箱式变电站的研 究现状。第二章详细分析了箱式变电站的智能化总体方案以及各智能模块的实现 方法。第三章对低压分相无功补偿进行了详细研究，并结合具体情况进行了无功 补偿模糊控制器的研究。第四章研究了箱变智能化系统的通信网络方案。第五章 重点介绍了箱式变电站智能化系统中配变监测终端的硬件设计，较详细地介绍了 各实现模块的电路设计。第六章详细介绍了配变监测终端的算法与软件实现。最 后部分为研究工作的总结和展望。 硕士学位论文第二章箱式变电站智能化系统研究 第二章箱式变电站智能化系统研究 目前，箱式变电站己逐渐成为我国低压配变电网中的主要配变电设备。同时， 随着变电站综合自动化和配电自动化技术的发展，箱式变电站的智能化也逐渐提 上议事日程。进行箱式变电站的智能化研究具有十分重要的现实意义，对于保证 供电的可靠性、稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具 有明显的效益。 2 1 箱式变电站智能化总体方案 根据用户对箱式变电站智能监控的要求，智能化方案有两种实现方式： ( 1 ) 高低压侧分别配置智能系统 即分别对箱式变电站的高压室、低压室和变压器室配置智能监控终端，各终 端功能相对独立，分别完成各种电力数据和非电力数据的采集工作，并根据测量 数据实现保护或无功补偿功能，同时将各种数据上传到后台管理主站。采用这种 多c p u 系统可以提高处理并行多发事件的能力，解决独立c p u 计算的瓶颈问题， 局部故障不影响其他模块的正常运行。 ( 2 ) 高低压侧统一配置智能系统 即对箱式变电站各功能模块配置一个智能监控终端，完成箱式变电站各种电 参数和非电参数的采集工作，并根据测量数据实现测控保护功能。这种单c p u 监控方案会造成c p u 计算量大，系统扩展和维护困难等问题，一旦系统出现问 题，整个智能化系统有可能全部瘫痪。 经过上面的分析比较，本文采用第一种实现方式。同时，为了方便箱式变电 站主站对箱式变电站的集中管理，提高箱式变电站内部各智能模块之间的通信能 力，智能化系统的结构采用主从c p u 协同工作的分层分布式结构，在各智能终 端的上层配置一个d t u 监控模块，d t u 通过c a n 总线d e v i c e n e t 与各智能终 端组成一个箱式变电站的内部小网络实现相互通信功能，通过无线通信模块实现 智能箱变与管理主站之间的通信功能。 箱式变电站智能化方案总体框图如图2 1 所示。此外，结合前面论述的智能 箱变的基本功能，我们还要在配变监测的基础上实现低压无功功率的快速分相补 偿和对低压用户的无线抄表功能，从而完善箱式变电站的智能化设计。 1 、d t u 监控模块 d t u 监控模块是箱式变电站中的数据传输装置，也是箱式变电站内重要的配 硕士学位论文第二章箱式变电站智能化系统研究 网远动终端，它主要完成数据的传输、通信参数的整定以及通信规约的校验，向 下通过局部网络c a n d e v i c e n e t 对箱式变电站中的各柜进行集中管理，完成数据 的传输和命令的下达；向上通过无线通信模块与调度管理主站联系，实现电力数 据的上传和操作命令的接收，使箱式变电站智能化系统具有r t u 的功能；此外， d t u 还要负责人机联系工作，使箱式变电站智能化系统能够通过d t u 完成当地显 示、制表打印、开关操作等功能。 图2 - 1 箱式变电站智能化方案总体框图 2 、高压侧 在高压侧，主要实现环网开关柜的智能化。环网开关柜的智能化主要体现在 环网柜测控保护终端( r m u ) 的研究上面“”。目前大多数的环网柜都还没有具 备测控保护的功能，少数地方为了自动化的建设要求，实现了基于馈线终端的三 遥功能，但是功能相对简单独立。随着城网改造和配电自动化系统的发展，需要 研究开发一种基于环网柜整个供电节点的测控保护终端，实现环网柜全面的测 量、监控以及保护功能，并能完成配电自动化系统远方终端的功能目标，以适应 于配电自动化系统发展的要求。 3 、变压器室 对于变压器室，主要实现对配电变压器运行情况的在线监测功能。在箱式变 电站系统中，配电变压器是将电压直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据 是整个配电网基础数据的重要组成部分。其中包括：三相电压、三相电流、三相 有功( 无功) 功率、功率因数、频率、有功( 无功) 电量、油温( 湿) 度等。这些数据 正常与否是配电变压器运行是否良好的重要反映。因此，实时地监测配电变压器 运行中的各种参数，依据采集的数据进行统计分析，及时地发现配电变压器运行 硕二i ：学位论文第二章箱式变电站智能化系统研究 中出现的异常情况并加以控制或解决，可以实现电网的稳定优化运行。在配电自 动化系统中监测配电变压器的任务是由配电变压器监测终端( 刑t r a n s f o r m e r t e r m i n a lu n i t ) “”来完成的，它是配变监测的基础与核心设备。因此，我们主要 通过对配变监测终端的研究来实现变压器室的智能化功能。 4 、低压侧 由于低压侧主要是由一些低压断路器等开关设备组成，因此低压侧的智能化 主要体现在这些开关设备的智能化研究设计上。在这里主要对低压断路器实现智 能化。低压断路器是低压配电系统中的重要电器元件。它广泛用于各类电网的供 配电系统中，用于接通和分断电力系统并对各种故障进行保护，保护电气配电网 络和工业设备免受过载、短路和接地等故障电流的破坏。低压断路器一般由触头 系统、灭弧装置、脱扣器和操动机构等4 部分组成。其中，脱扣器是低压断路器 的检测和故障处理单元，它对被保护电路进行电参数的检测和判断，决定断路器 是否动作和如何动作“。传统的低压断路器采用电磁式和热式脱扣器，其动作精 度低，动作值整定困难；而且，为了获得不同的保护特性，要配置不同的脱扣器。 随着配电自动化的发展，使用传统脱扣器的低压断路器已不能适应新的要求。因 此，在低压侧断路器的智能化方面，主要是针对低压智能脱扣器来进行研究的。 2 2 环网开关柜智能化 2 2 1 智能环网柜功能与技术指标 智能型环网柜主要完成对箱式变电站高压侧的电力参数的测量、分析，根据 电力数据实现自我保护功能，还要实现对柜体内的非电参量进行在线检测功能， 同时完成与箱体内的其他智能设备和上级管理主站之间的通信工作1 。 1 、系统主要功能 1 ) 测量功能 对线路电压、电流、工频频率、功率等电参量在0 1 l _ 2 倍额定值范围内进 行精确测量，以实现对配电线路运行状态的监控。同时能国利用测量得到的电能 参数，实现电能质量统计、分析的功能，这将有利于电力系统的规划设计，有利 于配电自动化系统的建设和完善。 2 ) 保护功能 对线路的电参量在1 2 1 0 倍额定值范围内进行快速测量，并根据当前状态， 做出相应的保护控制，实现对线路和开关柜体自身的保护。 3 ) 环网柜体装置非电参量在线检测 对环网开关柜柜内温度、湿度进行在线检测，通过对加热器的控制，使柜内 不具备产生凝露的条件；对真空负荷开关真空灭弧室的真空度进行在线检测，当 o 硕士学位论文 第二章箱式变电站智能化系统研究 真空管的真空度下降到一定范围时，及时报警并闭锁对开关的分合闸操作，避免 操作开关时因拉弧而引起的安全事故；对高压母排电缆连接点温度进行在线检 测，及时发现因接触不良而引起的大量发热。真空度和连接点温度的在线检测为 高压设备的检修人员提供了依据，保证了环网柜的安全运行。 4 ) 配电自动化功能 与s c a d a 主站或箱式变电站管理主站通信，将采集和处理的电力数据信息 向上发送并接受上级站或站控终端的命令；与配变监测终端、低压智能脱扣器等 智能设备通信，收集或转发其数据。配电网络发生故障后，实现对配电网络快速、 高质量地重构，即实现对故障区域的定位、隔离和恢复供电三个过程。 2 、系统主要技术指标 1 ) 精度指标 电压、电流在o 1 1 2 倍额定值范围内应达0 5 级( 0 5 ) 的精度，在1 2 1 0 倍额定值范围内应达到3 级( 3 ) 的精度；工频频率的测量精度要求为 土o 0 2 h z 。 2 ) 保护速度指标 对于线路上的故障，微处理器应在1 0 2 0 m s 内做出响应。 3 ) 抗电气干扰性能指标 对装置进行快速瞬变干扰( e f t ) 、浪涌抗扰度( s u r g e ) 、静电放电( e s d ) 等电磁兼容试验，试验应符合国家相关标准严酷等级为i i i 级的要求。 2 2 2 环网柜智能化方案分析 1 、配电自动化方案 采用有部分通信支持的分布智能方式，以点保护的形式，即由智能装置本身 对所属保护范围内的故障点进行快速判断和切除；以馈线段保护的形式，由线路 上的各级智能装置进行信息交换和判断，实现对故障区域的定位、隔离和恢复供 电。这种方式与其它方式相比，故障的处理时间更短，当通信不畅时，仍可在自 主工作的模式下，进行故障的隔离与非故障段的恢复，具有相当的实用性和先进 性， 2 、交流信号采样和处理方案 本装置选用的新型组合式电压电流传感器是电力系统数字化发展的关键产 品之一。具有重量轻、体积小、成本低，易维护和易安装的特点，且无磁饱和现 象，在很宽的频带( o 1 h z 1 m h z ) 内都有很好的线性度，还可消除常规互感器 固有的铁磁谐振问题。这种新型的组合式传感器输出功率小，易转换成数字量， 符合当前电力系统微机保护和测量的发展潮流 3 、高压侧电源供电电源方案 硕士学位论文第二章箱式变电站智能化系统研究 高压侧与低压侧测控单元的电气隔离，不仅要在信号传输上做隔离处理，而 且还应在高压侧电路的供电电源上做隔离处理，以防止干扰通过电源的途径而导 致主测控装置工作不正常，甚至损坏。目前，高压侧电路供电的方式有以下三种： 1 ) 激光电池供电 由低压二次侧测控保护装置处产生一激光光源，通过光纤传送，在高压侧经 光电转换将光能转换为电能。这种方式隔离度非常高，但成本高昂。 2 ) 利用传统的电磁式电流互感器直接从输电线上取得能量 电磁式电流互感器的价格高、体积大，在环网柜中无法安装；当输电线上负 荷轻、流过的电流小时，互感器从输电线上获得的能量少时，会因为输出电压不 稳定而导致采样电路无法正常工作。 3 ) 利用隔离式开关电源供电 这种方式解决了当输电线上负荷轻、流过的电流小时造成的电路供电电压不 稳定的问题，目前开关电源的隔离电压已可达到2 5 0 0 v ，甚至4 0 0 0 v 。为进一步 提高隔离效果，在本应用中采用由低压二次侧测控保护装置提供直流电源，经两 级d c - - d c 隔离式开关电源降压后对高压侧电路供电。 4 、高压母线电缆连接点温度在线检测方案 对于高压母线电缆连接点温度在线检测可选用的方案大致可分为非接触式 测量和接触式测量两类。非接触式测量方案利用母线电缆连接点发热产生的红 外光，在接收端使用红外敏感型传感器来接收红外光的能量，由此测算出连接点 的温度。这种方法利用空间的隔离完全实现了高低压的隔离，使其在安全性上得 以保证。而接触式测量方案将绝缘处理后的传感器安装在高压母线上，在高压侧 将传感器输出的温度信号经数字编码处理后由红外发射管将温度信号送出，在测 控保护装置的低压侧通过红外接收管接收温度信号，解码后送到测控保护装置处 理。 5 、装置接地方案 在测控保护装置中采用正确、合理的接地形式是抑制干扰的重要方法。接地 处理包括四方面的内容：装置外壳的接地；装置外壳与内部电路板的处理；内部 各模块间接地的处理；装置内部地线与装置外部扩展模块地线的处理。 从抗干扰和安全考虑，测控保护装置的金属外壳必须接大地，且接地电阻小 于0 5 q 。为了有效地抑制共模干扰，装置内部的零电位应采取浮地方式，即不 与机壳相连，并且应尽量提高零电位线与机壳之间的绝缘强度，减少分布电容。 环网测控保护装置由多个插件模块组成，此时应主要考虑不同回路间由于使 用公共地线形成的压降对其它回路和本身的影响。为尽可能减少数字电路工作时 对各模块间的影响，采取一点接地的方式接地。 硕士学位论文第二章箱式变电站智能化系统研究 环网测控保护装置有许多扩展的外围模块，且这些外围模块多数是工作在高 压侧的。此时，应遵循主装置地线不引出主装置的原则：即为实现主装置与扩展 的外围模块的信息交换，应采取电气隔离的措施。光电隔离器件因具有体积小、 隔离电压高、价格低廉的特点，是研制中实现电气隔离的主要手段。 2 2 3 环网柜智能化总体方案 从上面的分析可以得出，智能型环网柜能够根据电网和被控对象环网开 关柜的运行状态进行智能化控制，并应具有对自身工作状态的监测、诊断、控制 和保护功能。因此需要设计一种新型环网柜测控保护终端来实现环网柜的智能化 设计。环网柜测控保护终端侧重于运行维护，能够完成环网节点的电能分析、智 能控制和信息管理，强调电能质量监视、故障分析控制等高级功能的实现o “。环 网测控保护终端的总体设计分为硬件和软件两个方面： 1 、硬件设计方案 以d s p 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 控制核心，辅以相应的外围接1 2 1 、管 理电路，以实现对信号的采集和控制；以c p l d 侧重处理高速逻辑功能，d s p 侧重处理数据计算为原则，对d s p 和c p l d 工作任务进行合理分配。测控保护 终端具体分为以下八个模块：主板、电源模块、开关量输入模块、开关量输出模 块、模拟信号输入调理模块、通讯模块、真空度在线检测模块和高压母排电缆 连接点温度在线检测模块。如图2 2 所示环网柜智能化总体设计框图。 图2 - 2 环网柜智能化总体设计框图 模拟信号输入调理模块主要包括两个部分：模拟信号的采集和模拟信号的调 理。模拟信号的采集由电流、电压互感器组成，采集得到模拟信号经过硬件电路 滤波、隔离和放大处理后进入a d 模拟通道。d s p 对从a d 转换器出来的数字 硕士学位论文第二章箱式变电站智能化系统研究 信号采样，并进一步对数据进行实时处理和计算，根据处理得到的结果和预先的 整定值或整定曲线，作出分析和判断。开关量输入输出模块主要实现对环网