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箱式变电站智能综合管理的原理与实现

北极星电力网技术频道    作者:3   2007/12/21 15:03:12   

摘要:本文在讨论箱式变电站应用特点和传统箱变的管理方式的基础上,分析了传统箱变二次设备设计上存在的问题和不足,指出箱变作为一种特殊的深入负荷中心的配电成套设备,其二次设备需要专门设计。进而提出了箱式变电站的智能综合管理实现的硬件原理和软件框图,并提到了这种设计所必须的关键技术。该技术在我国配电系统领域具有广阔的应用前景。



1箱式变电站及其综合管理
  箱式变电站(也称箱变),是一种能深入负荷中心,作为受电和配电的新型成套设备。它将电气一次设备(高压开关设备、电力变压器、低压开关设备、风扇和加热器等)和电气二次设备(无功补偿装置、电度计量装置、温度凝露控制器、远动通讯装置等)组合为一体,并将这些设备安装在一个外型为“箱子”的容器内,无围墙,无房屋,无电缆,无架构。它占地面积小,现场安装快,移动方便,整体美观。因一次性设备均选用免维护产品,不需要做周期性检修,在一定程度上增强了供电可靠性,极大地减少了对外停电时间和设备维护费用。并且,箱式变电站的设计均为无人值班,配备“四遥”功能,停、送电均采取远方监视操作,同时配备微机闭锁装置,因此可以比较可靠地避免操作事故。由于它诸多优点及低廉的价格,故而在我国开始应用以来,即受到广大用户的欢迎,现在几乎所有新上的厂矿企业、智能小区、桥路工程都选用箱变实现配电功能。而且现在从事箱变设计和生产的厂家也非常多,各有长处,用户可以在成本与功能之间自由选用,非常方便地满足工程实际中的应用。
  由于箱变的应用特点,使得它和一般的变压器在综合管理上有一些不同。其要求的自动化程度高,测量精度和动作的可靠性也要高,远动通讯功能要强,而且安装的条件比较严酷(特别是温湿度条件)。因此它要求电量测量精度要高,非电量(如温湿度)调节要准确,控制输出要安全可靠。
  传统的箱变的综合管理一般是在二次侧安装无功补偿装置、电度计量装置、温度凝露控制器、远动通讯装置等。它们一般来自不同的厂家,具备不同的结构和电气风格,且各种装置之间相互独立。因此传统的箱变综合管理装置的设计安装仍存在不少困难和不足。比如说,由于不同的装置可能采用同一输入信号,而且接线的风格完全不同,这样就增加了接线的复杂性,提高了出错率,并且使信号的利用率降低;由于这些设备的结构设计缺乏综合的考虑,这样安装起来以后就会浪费空间,而且各装置设计时并没有综合考虑电磁兼容性,将它们组装到一起,便有可能相互影响,以致使测量精度和动作的可靠性下降;同时因为装置之间相互独立,远动通讯单元无法获取其它装置的故障信息,因此不能实现远方诊断功能;还由于不同的装置来源于不同的厂家,故而在采购以及维护上难度比较大,备品备件品种繁多。
  基于上述一些问题,采用传统管理方式有可能提高箱变的造价,不利于箱变生产厂商进行成本控制。

2箱变智能综合管理的原理及软硬件实现
  正是基于传统箱变综合管理的诸多缺陷,我们在对箱变应用特点进行详尽的分析之后,提出了一种集箱变所有二次设备功能为一体的智能综合管理方式。该终端在满足电力负荷控制要求的基础上配备了对箱式变电站自身的智能化控制,从而实现了对箱变全方位的管理与控制。它所能实现的功能有:变压器运行数据采集(含电量测量及电度计量等),智能无功补偿,温度凝露控制,远动通讯(上行),数字电度抄表(下行),其它数字设备管理(通讯管理)等。
2.1 硬件结构及功能模块
  硬件结构如图1所示。

  图中CPU采用INTEL16位单片机80296SA50,该型号单片机和通常使用的196单片机相比,内核发生了根本变化,但指令代码与196系列完全兼容,引脚和8XC196Nx兼容。其主频速度可达50MHz,增加了DSP快速计算功能,片内带40位硬件累加器,寻址空间6MB(6个偏选信号)。使用该单片机实现箱变的综合管理特别得心应手,尤其是其多达6MB的寻址能力使得在板件上存储大量的通讯规约成为可能。
  CPU对交流输入量进行采集并计算出变压器高、低压侧的电流、电压有效值,低压侧的有功、无功和功率因数;采集温度、凝露传感器送来的信号,计算出温度和凝露值;采集变压器各开关的状态并进行处理;并设有多种通讯接口,一方面和调度进行通讯,管理最多8路电度表,同时可以起到通讯管理机的作用,对其它数字设备的通讯进行规约转换等常规的通讯管理工作。
本管理方式由以下部分组成。
1)交流信号的采集与计算
对交流输入量进行24点采样,算法原理如下:工频电压值可表示为

对于工频信号一个周波被24点采样,采样值为
    
  其中:k取1~24之间的自然数,D0为模拟量输入回路的直流分量,该直流分量是由于模拟量输入回路的零漂所引起,在装置运行时间过长或者温度过高时,其影响不可忽视。由于零漂一般连续变化而且变化速度比较慢,因此可以认为在一个周波的所有采样点上该零漂保持恒定不变。而且D0可以由下式求得


  然后,可以方便地求得电压有效值 

同样的算法,便可以算出电流有效值I0
由修正采样值.可得

2)无功补偿
  根据CPU计算出来的低压侧功率因数cosH和电压有效值的实际情况和给定的-关系,来决定无功补偿电容器的投切,以达到控制低压侧的功率因数cosΦ的目的。由于功率因数cosΦ是根据交流采样值计算出来的,比较目前市面上低压电器所通用的无功补偿控制器采用电压电流过零点比较法而言,更为精确,更能抗干扰,并且能有效地避免频繁跳合电容器,延长电容器的使用寿命。
3)温度、凝露控制功能
  温度传感器将箱变内部各部分的温湿度转换成数字信号,然后通过1-wire总线送到光隔离器供CPU读取。这样较以往的变送器将温度等非电量转换成直流电量然后通过A/D转换有很大的优越性:如减少CPU的干预,精度比较高,成本低,等等。至于湿度,仍然需要用模拟量采集的方式。
  对于计算出的温度和湿度情况,装置将根据预先设定的温、湿度上下限,进行逻辑判断,以确定开/断风扇和加热器,达到降温、除湿的目的。并且还要记录温湿度越限发生的时间,以便事后查阅。
4)操作闭锁功能
  本系统设“远方/就地”切换按钮,并且实时读入变压器各开关的状态信息。进行操作的时候,先进行操作的合法性检查,包括操作权限和当前各开关的状态检查,当所有的条件均满足以后才允许操作。这样能有效避免误操作和不正当操作。
5)通讯管理
  本系统通过485总线组网,遵循开放式协议,可与其它终端或者其它遵循相同协议的装置通讯。下挂1-8个三相电度表,通过485总线读取电表数据,并进行相应的处理。接调度端实现远动通讯功能,挂接其它数字设备,实现规约转换等通讯管理机的作用,能够支持目前流行的多种规约。也可以通过外挂485/以太网模块,直接上以太网,用户可以远程监控箱变的运行情况,故障诊断与修改参数。通过GSM模块可支持短信查询。
6)其它功能模块
  至于其它的功能模块,如时钟、键盘显示、控制输出等,和常规的处理方法类似。
2.2 软件实现
  本终端包含在以下本软件中,主要包含以下程序模块。
  主程序:处理由中断接收到的外部事件,并实现对终端自身的自检。流程如图2所示。
  软件定时器1中断:本终端的时基,为本终端的最小时间单位,也作为AD采样的采样间隔,开关量输入的分辨率也由它决定,其它与时间有关的定时器均以它为基础。本时基根据测量到的频率值进行动态修正,以抵消由于电网频率波动带来的测量误差。流程见图3。
其它中断:有通讯中断和A/D转换完成中断等,它们的中断级别均低于软件定时器中断。


3本方式采用的一些特殊技术
3.1 快速调试技术
  在交流测量装置中,由于各模拟量回路的参数特性的不一致,导致调试时要手工修正电路参数,因而调试特别麻烦且费时费力,并且参数和硬件的配合要求很严格。为减少调试工作量,我们开发了快速调试技术。该技术的原理就是,在一定的条件下,给终端通以标准源,根据标准源计算出的数据和标准数据进行比较,然后得出电路的各项修正参数。然后用此参数来修正以后的测量数据,可以显著提高装置的测量精度,而且调试工作量也非常小。
3.2 带电插拔技术
  在调试和实际运行中,很有可能要插拔板件。而要想每次插拔都能牢记断电-插拔的顺序也比较困难,而通常不加特别保护的话,带电插拔很容易损坏电路。因此我们利用了电源管理电路和特别的结构设计,保证了通、断电的正确顺序和可靠的隔离,能可靠地做到带电插拔而不损坏板件并且不影响其它无关板件的正常运行。
3.3 自诊断与远程维护
  诊断到板级,而且通过网络通讯上传故障信息。配合以太网卡的使用,可以通过Internet对终端进行远程维护。
3.4 大规模逻辑阵列的应用
  本装置应用XINLINX公司生产的大规模逻辑阵列代替平常的小规模的门电路,能做到PCB定型后逻辑修改仍然方便,生产简单,保密性强。
3.5 1-wire总线的应用
  1-wire总线采用一种特殊的接口协议,通过单条连接线解决了控制、通信和供电,降低了系统成本并简化了设计。它通过单线可以挂多个传感器,方便地实现多点测温功能。而且CPU无需干预温度转换,只需定时读取温度即可。
  单总线时序如图4。


  由时序图可以看出,1-wire总线需要严格的时序来保证读写地正确,怎样合理地产生这一时序也是在编程时需要着重考虑的。

4结束语
  尽管目前关于变压器的传统综合管理设备种类繁多,应用也很广泛,但是针对箱式变电站的专用智能控制设备仍然很少见。根据我们对市场的考察发现,普通变压器的测控设备要用在箱式变电站上,仍然需要另外配备无功控制器等附加的设备,这样会增加成本和安装复杂度。
  本文谈到的这种实现方式在我国配电系统应用领域具有广阔的前景。

来源:未知

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