配電變壓器智能化在線監測及狀態檢修解決方案

黃嘉健++李鑫+馬春生+王朝明

摘 要：作為用戶供電的電源點，配電變壓器的測控、保護、電能質量監測有著非常關鍵的作用，而配變無功電壓協調控制則是改變當前配網無功電壓調節能力匱乏，低電壓情況嚴重的關鍵。但從目前的狀況來看，盡管有不少配電變壓器已經安裝了TTU設備，但少有在測控、保護、電能質量監測功能完備的，且各設備采用的建設路線，技術標準也不盡相同，相互之間無法進行有效的銜接。對配變無功電壓協調控制則通常采用另建裝置的方式實現，造成配變下設備構成復雜，不利于智能配電網、主動配電網建設。本文建立配電終端統一模型，設計配電變壓器在線監測和運維管理全套方案，用于解決當前配電變壓器的保護、監測、協調控制等問題。

關鍵詞：配電變壓器；在線監測；狀態檢修；故障診斷

中圖分類號：TM421 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0176-03

1 引言

隨著我國農村配電網的建設和發展，尤其是農村電網的改造使得配電網結構進一步優化，極大的促進了經濟社會的發展。但是農村配電設備比較落后，且功能比較單一，配變保護設備老舊情況嚴重。目前，配變一般配備了剩余電流保護，短路保護，主要由熔斷器和刀熔開關組成，不能為配電變壓器及低壓臺區提供全面有效的保護。本文將針對以上局限性，結合廣東電網的實際情況，研究最合適的通訊方式，實現配電臺區采集、存儲、監視、控制等，構建一套費用合理、技術完善、安全可靠性高、容易推廣的通訊方案。

2 配電變壓器智能化國內外研究現狀

2.1 智能化配電網終端技術國內外研究現狀

針對城市和密集負荷區主要研究和解決的問題：（1）提高可靠性和電能質量；（2）降低運行費用；（3）研究配電網與分布電源的一體化；（4）研究配電網與用戶側系統的協調；（5）縮短停電恢復時間；（6）為用戶提供更多的用電選擇。

項目涉及內容有：（1）設計新的智能電子設備（IED）；（2）研究低成本多功能的靜態開關設備；（3）研究傳感器和監視系統；（4）研究故障預測等。

美加大停電之后，美國計劃在10～20年內完成智能配電網工程IDG（Intelli-D-Grid）。智能化配電網（Intelli-D-Grid）將自動完成：網絡重構；電壓與無功控制；故障定位和隔離；繼電保護再整定（RPR） 等功能；完成智能化電網的建立：數字化變電站、分布發電技術、電力電子技術與配電網互聯、燃料源與儲能、匹配的電力網絡、半導體、超導、超級電容器、磁材料和絕緣子、儲能系統、低成本的智能傳感器的應用，借助網絡通信、GPS同步對時構成完整的智能化配電網。

隨著我國農村配電網的建設和發展，尤其是農村電網的改造使得配電網結構進一步優化，極大的促進了經濟社會的發展。但是農村配電設備比較落后，且功能比較單一，配變保護設備老舊情況嚴重。目前，配變一般配備了剩余電流保護，短路保護，主要由熔斷器和刀熔開關組成，不能為配電變壓器提供全面有效的保護。目前在國內許多供電公司都在應用配電變壓器監控系統，但是在實用過程中發現了很多運行問題：一方面，由于配電變壓器在布設過程中沒有進行合理規劃，分布比較散沒有形成集中管理使得信息在傳遞過程中比較失真；另一方面由于缺乏有效的配電變壓器的分析軟件，使得收集的配電變壓器信息又得不到有效的應用。造成的結果是，雖然有一部分配電變壓器監控終端在現場投運，但取得的效果并不理想，變壓器未能得到運行狀態分析和經濟運行分析[1]。

2.2 低壓配網自動化監控系統技術國內外研究現狀

（1）在國外，發達國家在90年代就開始對配電網進行運行方式系統分析，得出合適的運行方式指導配電網經濟運行，日本中等城市以上的供電系統都實施了配電經濟運行的決策支持軟件，美國等西方國家也在一些城市供電網上實施了類似的系統。國外對配電低壓臺區的智能化技術研究較多?，F在，計算機技術和通訊技術飛速發展，大量應用于配電網，進而對配電網低壓電器的要求是能后與后臺控制計算機進行通信，實現后臺計算機對配電低壓電器的遠程控制，也就是使配電網實現“三遙”功能。為了迎合配電網的需要，配電網低壓電器都加入了各種通信功能。盡管目前國外已經開始了配變低壓臺區智能化的研究，但研究的成果還沒有突破，對所有的電氣設備進行同時監控的系統尚未研究出來，因而還不能對臺區所有電能質量數據進行分析。

（2）國內相關文獻介紹了國內有電力網電能損耗計算與分析軟件，配電網自動優化運行監控系統的研究，區域分布式電壓無功監測與優化控制系統，無功優化程序在配電網的應用，基于地理信息系統的配電網優化規劃的研究的文獻報道。但是，由于技術的局限性，分析計算中很多用來分析的數據都是歷史數據，不能及時地反映配電變壓器的當前狀態量，其他的文獻也沒有能夠從臺區運行、決策支持的角度系統地分析配電網的經濟運行。目前，國內大部分配電系統中僅有少部分實行了自動化監控，大部分采用人工監控方式的配電系統中存在的故障或隱患無法被監管控制人員及時發現，無法迅速加以解決。

（3）配電變壓器的過流保護主要由兩種途徑：一種是利用斷路器；另一種是利用熔斷器。熔斷器的優點是結構簡單，成本低。斷路器對配電變壓器的過流保護的斷路器全開斷時間較長，不利于對配電變壓器進行過流保護[2]。

3 配電變壓器在線監測目前存在的問題

配網經過十幾年的發展，一次、二次設備以及自動化系統都基本運行穩定、成熟，但配網自動化主要關注饋線及站所自動化，對10kV線路下的臺區運行管理考慮較少，盡管許多臺區也安裝了一些智能設備（TTU），較少從臺區運行管理的角度實現負荷曲線、三相平衡度、負載率、電壓合格率等功能。因此如何利用新技術，對臺區的運行狀況實時監控；對臺區的負載率、可靠率、平衡率、負荷增長趨勢等進行研究；對臺區發生的故障能夠做出及時的反應，從而以較低的成木、有效的手段、快速地提高供電企業對臺區的管理水平，加強配電臺區的電能優化控制，提高供電質量，提高電網運行的可靠性，減少維護的工作量，提高效率是新一輪智能電網建設的一項重大任務。作為用戶供電的電源點，配電變壓器的測控、保護、電能質量監測有著非常關鍵的作用，而配變無功電壓協調控制則是改變當前配網無功電壓調節能力匱乏，低電壓情況嚴重的關鍵[3]。

但從目前的狀況來看，盡管有不少配電變壓器已經安裝了TTU設備，但少有在測控、保護、電能質量監測功能完備的，且各設備采用的建設路線，技術標準也不盡相同，相互之間無法進行有效的銜接。對配變無功電壓協調控制則通常采用另建裝置的方式實現，造成配變下設備構成復雜，不利于智能配電網、主動配電網建設。除此之外還存在著以下問題：

（1）缺少自動化系統的支持，運維人員無法及時了解缺相、失壓等情況。由于缺少自動化監測手段，配電臺區故障信息一般靠用戶保障反映。運維人員沒法及時了解和處理缺相、失壓、相位錯誤等狀況，嚴重影響低壓配電網的供電可靠性，甚至危及用戶設備和人身安全。（2）不能實時監測輕載、超載、三相不平衡狀況。工業用戶和商住小區的數量隨著經濟的發展逐漸增多，同時人們的生活水平也在不斷的額提高，受各種因素的影響和制約，導致出現超載、輕載、三相不平衡臺區，造成一定的經濟損失。目前計量自動化系統只監測配變總出線電氣量，未監測各分支線的信息，導致運維人員判別低壓線路超載、輕載、三相不平衡時無精確數據支撐。（3）配變及臺區保護功能簡單，導致現場故障查找、處理時間長。配變保護配置只有配變本體保護、低壓總出線過流保護，缺少漏電流保護、缺相保護、低壓線路故障判別等。以往的漏電流保護經常出現整定值失配、越級跳閘的情況，給運維人員帶來很大的工作量。缺少缺相保護可能導致缺相時用戶電機燒毀。低壓線路故障判斷的缺少則會增加運維人員查找及處理故障時間。（4）臺區無功電壓無法協調控制。目前，配變臺區裝配的無功補償器、三相不平衡調節裝置，甚至是有載調壓設備，均是獨立控制。同一饋線上的不同臺區也是獨立控制。所以，同一饋線不同臺區之間、同一配變臺區各類設備之間無協調機制，可能出現決策沖突，影響臺區電壓質量治理效果。（5）數據集成后無更高級的應用，裝置功能無法擴展。一方面，目前已有的系統只對配電臺區數據作集成及展示，未真正作高級分析。另一方面，配電臺區的測控不足，無法滿足以后智能配電網、主動配電網的發展需求。（6）配電變壓器保護設備普遍缺乏過熱保護。目前，大部分農村地區的配電變壓器一般只配備熔絲作為過載保護。雖然過載與配變過熱存在一定相關性，但通過熔絲來保護配電過熱現象還有一定的局限性。目前，經常出現配備熔絲的配備過熱燒毀的事件。（7）配電網配電變壓器保護裝置。變壓器保護裝置存在功能單一，集成程度低、自動化程度低等特點，導致設備不易安裝，成本高昂?，F階段，配電網運行于管理處于相對比較粗放的階段，配電站數量多，地理分散性大。

4 配電變壓器智能化在線監測及狀態檢修

4.1 臺區配變智能化終端裝置技術研究

（1）通過裝置對配網臺區低壓側的數據采集，即對配電臺區電壓、電流、有功、無功、功率因數的監測。本項目中考慮對此功能進行進一步強化；（2）強化和完善保護功能，實現過流過壓保護、漏電流保護、重合閘、缺相保護等功能；（3）加強對臺區無功電壓調節設備的協調能力，實現對臺區無功電壓設備，例如無功補償、有載調壓變的協調控制，實現臺區的低電壓治理功能；（4）基于智能配變終端的智能臺區運維管理軟件，用于監控智能配電終端設備的數據上傳及管理和分析功能，實現臺區的運維管理功能，同時實現了三相不平衡分析、低壓分線的有功平衡分析等功能。

4.2 配電臺區在線監控系統技術開發

系統應用對象主要是供電所基層管理和維護人員，因此系統在設計中遵循簡單、直觀、易學易用的原則。系統對數據的展示盡可能使用表格、曲線、棒圖等比較直觀的方式，系統同時將原始數據結合圖表上傳至云平臺，通過微信或者APP將配變運行情況反應給手機用戶，實現互聯網對配變的在線監測[4]。使運維人員可以實時查詢配變運行狀況，并對電網的運行情況給出運行決策或者為現場施工提供依據。

4.3 智能配變終端試點應用

廣東電網某臺區安裝智能配變終端柜體，在試點供電局進行某臺區的低壓數據采集和軟件后臺的高級應用。通過對臺區配變低壓側總線和分支線路數據采集，上傳至監控后臺軟件，后臺軟件將數據處理后進行可視化展示，并提供運維輔助決策參考，同時根據量測的數據和保護的動作信息，判斷臺區低壓側故障的范圍，有助于快速定位低壓故障類型和位置。

5 技術難點與措施

5.1 配變低壓總出線和分支線路保護存在配合不匹配技術難點

解決思路：總出線上的保護配置定值參考原先定值，并結合負荷預測對保護定值進行修正；分支線路保護定值先參考原先定值進行配置，再根據每條線路上負荷實際情況進行修正，最終匯總每條分支線路的保護定值反饋給總線上的保護，對低壓總出線的保護進行修正。

5.2 無功電壓協調控制數據不全面造成控制策略不完善技術難點

解決思路：在低壓分支線路末端或者終端某個地方安裝電壓采集裝置，通過無線將數據上傳至主站，由主站結合配變終端采到的首段電壓和末端電壓數據進行分析，給出無功優化控制策略。

5.3 配變低壓分支線路電流采集困難技術難點

解決思路：按照不同類型的配電柜體環境，制定改造方案。將低壓智能斷路器安裝在分支線路上，對每條分支每相的電流進行采集，再通過智能斷路器的二次回路將數據上傳至配變終端設備上[5]。

為此本研究計劃：（1）收資調研，總結廣東電網典型臺區目前整體數據監控情況；（2）在原有測控基礎上考慮對此功能進行進一步強化，第一加強對分支線路的在臺監測，第二加強對電能質量、諧波數據監測的支持，第三可增加對運行環境數據的監測。（3）完善配變低壓保護功能：包括對配電變壓器低壓側的缺相保護、過流保護、漏電流保護以及重合閘功能；（4）研究對臺區無功電壓調節設備的協調控制，此功能是對原TTU功能的一大升華，通過對無功補償設備、分接頭設備、調壓設備、三相不平衡治理設備的協調決策，解決各設備各自為陣，互不統屬的問題。（5）監控智能配電終端設備的數據上傳及管理和分析功能的需求分析（6）配電變壓器智能終端、在線監測后臺開發及測試；（7）示范工程安裝調試，現場應用驗證。

6 技術經濟效益目標

6.1 設備（系統）技術指標

基于智能配變終端裝置的工程應用，能夠實現以下幾種主要功能：臺區的保護功能（包括過流過壓保護、漏電流保護、缺相保護、重合閘等），低壓在線監控功能（不同于傳統TTU的以半小時左右為周期的監測功能，智能配變終端更側重于配電變壓器的運維管理功能）、臺區無功電壓的綜合管理控制功能（實現臺區的低電壓治理功能），其準確性、穩定性、低電壓治理能力及控制算法的有效性均滿足工程應用要求。

6.2 示范工程技術、經濟指標

在試點應用中，能夠實現各種保護：過流保護、過壓保護、缺相保護、漏電流保護和重合閘功能，各類保護能夠靈活配置，適應不同應用場合的需要。通過基于智能配變終端的配電臺區在線監控系統的應用，有效提升現場的故障處理能力。

6.3 成果應用安全、經濟指標

基于智能配變終端的配電臺區在線監控系統的應用，能夠提升配電網綜合故障判斷能力，結合手機客戶端的云計算平臺的應用，能夠大大提高現場配電變壓器的運維管理水平，大大減少供電所人員的工作量，產生直接及間接的經濟效益。

7 結語

通過標準化的智能配變終端裝置，實現臺區的統一管理，尤其是電壓質量治理的綜合管控。本終端裝置以配電變壓器的無載分接頭檔位優化、無功補償裝置和有載調壓分接頭的聯合優化控制，同時接收主站協調控制系統的優化指令，實現饋線級電壓質量的綜合治理。為配電臺區測控、保護、電能質量、在線監測等一體化采集、傳輸提供終端支撐，為配電設備智能在線監測及狀態檢修工作開展奠定數據基礎。完成配電設備測控、保護、電能質量、環境和在線監測等一體化功能。

參考文獻

[1]許金紅.智能變壓器在線監測及診斷技術的應用研究[D].華北電力大學（保定），華北電力大學，2014.

[2]李波.電廠配電變壓器綜合智能保護系統關鍵技術分析[J].商品與質量，2016（2）：53.

[3]林小明.變電設備在線監測技術及狀態檢修的研究[D].華北電力大學，2015.

[4]劉興平.配電變壓器健康狀態在線監測與評估方法研究[D].重慶大學，2013.

[5]冀慧強.輸變電設備在線監測技術研究及應用[D].天津大學，2012.