林瑤瑤 ,吳炫睿 ,趙學斌 ,熊蕓蕓 ,劉小輝

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.東北大學 機械工程與自動化學院,遼寧 沈陽 110819)

0 引言

隨著智能控制相關技術的發(fā)展,各行業(yè)都在積極提高其智能化水平以實現(xiàn)減員增效。提高企業(yè)低壓配電技術的自動化、智能化水平對企業(yè)的降本增效非常重要。同時目前工業(yè)企業(yè)低壓智能配電監(jiān)控技術還沒有形成統(tǒng)一的定義或標準,各大研究機構和企業(yè)也在摸索其發(fā)展方向,對于如何建設智能配電也莫衷一是。

傳統(tǒng)低壓配電技術采用硬接線進行通信,每條信號線不可復用,不僅通信信號少,而且使用金屬線纜數(shù)量大、成本高?，F(xiàn)場給配電柜配置的監(jiān)測設備一般也較少,監(jiān)測設備的使用也不盡合理,有的監(jiān)測設備沒有利用其通信功能,有的設備發(fā)送的數(shù)據(jù)不足或者與服務器的需求不完全符合,造成大量關鍵數(shù)據(jù)無法采集到服務器中。傳統(tǒng)低壓配電柜需要設置多重定期巡檢機制和故障檢修方案,但也無法抑制系統(tǒng)長期運行所引起的故障。配電柜安裝在室內(nèi),一般不會發(fā)生突變的故障,大部分故障都有一個慢慢產(chǎn)生過程,在這一過程中部分參數(shù)會逐漸變化,但這種變化是巡檢工程師很難發(fā)現(xiàn)的。隨著智能檢測控制技術和工業(yè)網(wǎng)絡技術的發(fā)展,為低壓配電設備配置更多監(jiān)測元件,并將監(jiān)測結果傳到中央控制系統(tǒng)成為可能。這樣監(jiān)測數(shù)據(jù)與服務器的智能監(jiān)控軟件相配合就可以對低壓配電系統(tǒng)實現(xiàn)智能化監(jiān)控,實時記錄設備的異常參數(shù),將故障消除在萌芽階段。

本文在對傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)低壓配電技術廣泛調(diào)研的基礎上,研發(fā)了低壓智能配電監(jiān)控系統(tǒng)。該低壓智能配電系統(tǒng)是與DCS 相互獨立運行的,不會影響DCS 系統(tǒng)工作,DCS 和高壓綜保系統(tǒng)向低壓智能配電設備單向傳輸數(shù)據(jù),不影響安全一區(qū)的設備運行,保證了系統(tǒng)的安全可靠工作。為系統(tǒng)內(nèi)所有電機驅動設備配置了電動機保護器、軟啟動器或者變頻器,并將這些設備采集的電機實時狀態(tài)信號傳輸給中央控制器。用modbus 總線將所有傳感器、相關表計和監(jiān)測設備連在一起,通過網(wǎng)關發(fā)送給服務器,服務器通過比對歷史數(shù)據(jù),利用模糊算法分析出各個設備當前的狀態(tài),并推送給操作人員以方便管理人員獲取掌握設備狀態(tài),進行全景數(shù)據(jù)分析及運行報告顯示。最后在某垃圾發(fā)電企業(yè)應用了該技術,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 智能配電系統(tǒng)綜述

智能配電監(jiān)控管理系統(tǒng)是針對工業(yè)企業(yè),幫助其減輕運維強度、提高用電管理水平的一整套配電解決方案。系統(tǒng)軟件基于目前高速發(fā)展的通信技術、傳感器技術及互聯(lián)網(wǎng)技術,具有操作簡單、交互人性、功能齊全、響應及時等優(yōu)點。

1.1 課題背景

項目現(xiàn)場由一個總降站和一個高低壓室組成。設備分為:一條110 kV 出線、一臺110 kV 主變壓器、一臺發(fā)電機組、兩段10 kV 母線、二十三面10 kV開關柜及三段0.4 kV 低壓線路?，F(xiàn)需將站內(nèi)綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)、其他一次設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、電度量數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至智能配電系統(tǒng)中,部署全廠電力集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件及服務器,完成對廠內(nèi)電氣設備運行狀態(tài)及設備健康狀態(tài)的智能化分析。按照各低壓電氣柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集需要,設置通訊管理機,部署通信網(wǎng)絡。

1.2 高壓配電系統(tǒng)內(nèi)部需采集的數(shù)據(jù)

110 kV 及10 kV 綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過正向隔離裝置/防火墻,上傳至智能配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務器。

10 kV 開關柜內(nèi)測溫及機械特性數(shù)據(jù),通過智能監(jiān)測裝置匯總及邊緣計算,智能監(jiān)測裝置通過IEC61850 標準規(guī)約,通過以太網(wǎng)方式上傳至智能配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務器。

高壓電度表及變壓器溫控儀數(shù)據(jù)將通過RS485總線的方式接入通訊管理機,通訊管理機需通過標準104 規(guī)約接口,將數(shù)據(jù)上傳至智能配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務器。

1.3 低壓配電系統(tǒng)需采集的數(shù)據(jù)

系統(tǒng)設置六個低壓配電室,配電室內(nèi)低壓保護裝置、多功能儀表、低壓變頻器、低壓軟啟動裝置的數(shù)據(jù),利用RS485 總線方式將數(shù)據(jù)上傳至電力通訊機柜中通訊管理機,由通訊管理機通過以太網(wǎng)線的形式接入智能配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務器。

每臺管理機有九個RS485 端口,四個以太網(wǎng)端口,每個RS485 端口最多可接入十五臺裝置,每種裝置需采用不同端口進行通訊,按需配置通訊管理機及機柜。

2 網(wǎng)絡架構

根據(jù)各配電室的位置情況,結合現(xiàn)場現(xiàn)有系統(tǒng)及裝置設計,設置智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡架構為三層,分別為:數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)應用層。智能配電系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 智能配電系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

數(shù)據(jù)采集層:安全一區(qū)綜合自動化系統(tǒng)110 kV及10 kV 繼電保護數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、變壓器溫控儀、電度表、10 kV 開關柜智能監(jiān)測裝置(含傳感器)、0.4 kV 低壓馬達保護、低壓多功能儀表、低壓變頻器、低壓軟啟動器。

數(shù)據(jù)處理層:網(wǎng)絡交換機、通訊管理機。

數(shù)據(jù)應用層:匯聚層交換機、智能配電數(shù)據(jù)采集服務器、智能配電工作站、打印機、GPS 組件。

3 硬件系統(tǒng)參數(shù)

3.1 智能監(jiān)測裝置

智能監(jiān)測裝置IED,采集柜內(nèi)紅外位移傳感器,分析開關機構的開距、反彈、超程、分合閘時間、分合閘速度等機械特性指標;

通過IED 自帶霍爾元件采集分合閘線圈電流波形、儲能電機電流、電動底盤車電機電流、電動接地刀電機電流等電氣特性指標;

通過無線測溫傳感器采集斷路器觸頭溫度、電纜接頭溫度、母線連接處溫度;

從而分析整個開關柜的健康狀態(tài),實現(xiàn)對開關柜的全生命周期的管理;

設備狀態(tài)監(jiān)測主要包括壽命監(jiān)測、機械特性監(jiān)測、電氣特性監(jiān)測和溫度特性監(jiān)測。

(1)機械特性監(jiān)測

通過位移傳感器,可在每次斷路器執(zhí)行分合閘動作時獲取到斷路器的合分閘開距、超程、過沖、反彈、剛合/剛分速度、平均分合閘速度。通過對這些指標的綜合判斷,可以評估斷路器執(zhí)行機構的狀態(tài)。

(2)電氣特性監(jiān)測

通過加裝的智能組件中的霍爾元件,可以在每次一鍵順控的過程中獲取分、合閘線圈電流波形與時間、儲能電機電流與時間、電動接地刀電流與時間、電動小車電流與時間。

通過這些電流與時間數(shù)據(jù)的分析,可以評估這些電動機構的狀態(tài)。

(3)溫度特性監(jiān)測

通過加裝在斷路器動觸頭位置的6 個溫度傳感器和柜內(nèi)溫濕度傳感器,可以實時監(jiān)測到斷路器梅花觸頭位置的溫升變化,結合電流數(shù)值評估梅花觸頭位置的接觸狀態(tài)。

(4)壽命監(jiān)測

通過對開關動作次數(shù)和動作切斷電流的統(tǒng)計,可以測算出斷路器機械壽命和電氣壽命。

3.2 通訊管理機

通訊管理機對上連接調(diào)度系統(tǒng)、后臺監(jiān)控系統(tǒng)及其他系統(tǒng),對下連接保護、自動裝置等設備,起著承上啟下的作用,具有數(shù)據(jù)集中、規(guī)約轉換等作用。同時又具備獨特的計算功能,可以快速生成系統(tǒng)需要而無法采集的虛擬點,既減輕后臺工作壓力,又可直接給各系統(tǒng)提供必須的虛擬點。

4 配電智能化管理系統(tǒng)

4.1 全景數(shù)據(jù)分析及運行報告功能

全景分析系統(tǒng)對變電站在不同時間段的各項運行數(shù)據(jù)提供了曲線、表格和圖形等展現(xiàn)方式,以全方位展示變電站的運行情況(數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn))。首頁為變電站內(nèi)運維人員實時關注的畫面,設備狀態(tài)列表欄實時展示站內(nèi)關鍵設備的健康狀況,提醒運維人員進行檢修,電量分析欄通過采集站內(nèi)多功能儀表及電度表計量數(shù)據(jù),實時顯示站內(nèi)當前電量消耗狀態(tài)。

運行報告利用綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù),對變電站運行情況進行不同維度的統(tǒng)計與分析,形成日報、周報、月報、季報、年報等報表,以便管理人員掌握變電站運行情況。運行報告可參考當前廠內(nèi)巡檢記錄表的模式設計,符合運維人員作業(yè)習慣,在原表基礎上可擴充監(jiān)測對象,增加數(shù)據(jù)分析,關聯(lián)現(xiàn)場移動終端所上傳的隱患設備實時狀態(tài)數(shù)據(jù),該功能將替代原有的人為巡檢填寫錄入記錄表的方式。

4.2 設備健康管理

目前電力運維人員通過巡檢過程中的人為觀察對主要設備有一套評估辦法。電氣智能化管理系統(tǒng)的設備狀態(tài)評估功能將根據(jù)原有辦法所針對的設備樣本設計評價體系(適當增大范圍),并將原來人為感官判斷辦法調(diào)整為通過在線監(jiān)測設備收集的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

電氣智能化管理系統(tǒng)綜合在線監(jiān)測設備收集的數(shù)據(jù)信息和運行數(shù)據(jù)信息針對不同對象建立判斷模型。自動完成從數(shù)據(jù)采集到狀態(tài)判斷的過程,并根據(jù)判讀結果進行深度學習,不斷修正判斷模型和參數(shù),達到更加精準的判斷效果。

通過加裝位移傳感器,可在每次斷路器執(zhí)行分合閘動作時獲取到斷路器的合分閘開距、超程、過沖、反彈、剛合/剛分速度、平均分合閘速度。通過對這些指標的綜合判斷,可以評估斷路器執(zhí)行機構的狀態(tài)。機械特性的行程曲線與電氣特性的電流曲線相對比,綜合計算斷路器每次操作過程中的狀態(tài),深度分析斷路器的健康狀態(tài)。

4.3 狀態(tài)檢修提示功能

改原有的每班(周)一次固定路線巡檢為根據(jù)設備狀態(tài)評估的結論進行有針對性的排查和檢修。

改原有的每年一次設備試驗為根據(jù)監(jiān)測的設備狀態(tài)、統(tǒng)計的設備運行時間及設備運行期間的重大事故、過負荷等情況,結合停機計劃靈活安排對設備的試驗。形成計劃檢修與狀態(tài)檢修相結合的新型檢修模式。

對存在安全隱患的設備給出復檢建議;

對處于告警狀態(tài)的設備給出保養(yǎng)、維護建議;

對處于故障狀態(tài)的設備給出維修、更換建議。

狀態(tài)檢修除了以設備狀態(tài)評估作為檢修依據(jù)之外,還對設備狀態(tài)監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)進行分析,觀察設備狀態(tài)變化趨勢,對于突變量表征的設備異常安排檢修。在提出狀態(tài)檢修建議的同時,系統(tǒng)會調(diào)出檢修對象的位置、銘牌信息、地理位置、投運時間、歷史故障、檢修記錄、圖紙資料、備品存儲情況等信息,為檢修提供參考。狀態(tài)檢修建議可與DCS 系統(tǒng)聯(lián)動,對設備的主動檢修可以選擇在對生產(chǎn)影響最小的情況下進行。狀態(tài)檢修與計劃檢修相結合,形成對計劃檢修的補充。在實踐中不斷的完善設備狀態(tài)監(jiān)測手段,豐富分析模型,修整模型參數(shù)。得到更加準確的狀態(tài)檢修建議,逐步調(diào)整狀態(tài)檢修和計劃檢修的比例。

4.4 故障處理輔助決策功能

故障發(fā)生時,綜合自動化系統(tǒng)配合繼電保護設備將第一時間切除故障回路,并提供所有故障信息和開關量變位情況。但由于故障引發(fā)的運行狀態(tài)改變導致數(shù)據(jù)龐雜,人為很難快速鎖定故障位置,并采取對應措施。因此,故障處理輔助決策功能將提供應急預案、故障還原、故障分析等服務。

應急預案:在系統(tǒng)中建立應急事件處理信息庫,根據(jù)系統(tǒng)報警信息提供的內(nèi)容,激活與內(nèi)容相關的應急處理預案供運維人員選擇。結合設備位置信息、故障設備的圖紙信息、備件信息等為運維人員處理事件提供全面的信息支撐,為應急事件中的調(diào)度指揮提供依據(jù)。

故障還原:依據(jù)SOE 信息描述事件發(fā)生過程,還原故障發(fā)起點及對整個系統(tǒng)的影響。

故障分析:配電智能化管理系統(tǒng)記錄每次故障發(fā)生的各項數(shù)值,并錄入事后調(diào)查確認的故障原因,形成歷史故障數(shù)據(jù)庫。新發(fā)故障與歷史庫中的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)比對,判斷此次故障可能的原因。隨著歷史庫的不斷累積,故障分析還能起到故障預測的作用。

4.5 用戶定制化

配電智能化技術是一個迭代發(fā)展的過程,電氣智能化在生產(chǎn)過程中,工業(yè)現(xiàn)場還會不斷提出更多要求,在電氣智能化系統(tǒng)平臺上可以進行更多符合現(xiàn)場使用習慣的功能開發(fā)。已開發(fā)的功能也將隨著運行數(shù)據(jù)的累積逐漸自我完善。最終實現(xiàn)對電氣設備的全生命周期的智能化管理。

5 結論

為減輕運維工作強度、提高用電管理水平,課題在對國內(nèi)外工業(yè)企業(yè)電氣配電技術進行廣泛調(diào)研的基礎上,研發(fā)了一套智能配電監(jiān)控管理系統(tǒng)。利用高壓綜合自動化保護系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)對110 kV、10 kV 高壓側設備進行監(jiān)控,利用DCS 輸出的數(shù)據(jù)和安裝的電動機保護器,多功能智能表計等對低壓設備進行監(jiān)控。建立包括采集層、處理層、應用層的三層網(wǎng)絡結構對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行傳輸,使用現(xiàn)場總線代替硬接線來實現(xiàn)通信,極大的減少電纜使用。將底層設備的機械特性、電氣特性、溫度特性、壽命等數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌?在服務器建立全景數(shù)據(jù)分析及發(fā)布運行報告功能,設備健康管理,狀態(tài)檢修提示功能,故障處理輔助決策功能等,實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備的多維度全景智能化監(jiān)控。最后將該技術應用于實際工程項目,取得了良好的效果。