一键顺控中隔离开关分合闸位置“双确认”技术改造

0引言

随着变电站数量的不断增多,运维人员的工作量在不断增加,而传统的管理模式难以满足精益化管理要求,为此,提出一键顺控新型操作模式。根据国家电网公司2021年初发布的《变电站一键顺控改造技术规范》中给出的标准定义,一键顺控是一种变电站倒闸操作模式,具备操作项目软件预制^[1]、操作任务模块式搭建、设备状态自动判别、防误联锁智能校核、操作步骤一键启动、操作过程自动顺序执行等功能^[2]。其中设备状态自动判别,即分合闸位置“双确认”,要求变电站刀闸在满足远方遥控操作要求的同时,还至少有两个非同样原理或非同源指示发生对应变化^[3],且所有这些指示均已同时发生,才能确认刀闸已操作到位^[4],从而确保无人在现场观察的情况下刀闸状态能被正确判断,防止刀闸分合不到位的情况发生。

1 改造原则及方案

1.1改造原则

隔离开关应具备遥控操作功能,应满足位置“双确认”条件,当隔离开关不具备遥控操作功能时,应先对隔离开关进行改造。

隔离开关位置信号的采集应采用“辅助开关接点位置遥信+姿态传感器”或“辅助开关接点位置遥信+微动开关”或“辅助开关接点位置遥信+视频联

动”的判断方式,辅助开关接点位置的遥信功能被视为主判断依据,姿态传感器、微动开关或视频联动的位置遥信则作为辅助判断标准。辅助开关接点位置遥信判断逻辑应采用分/合双位置开关接点,如图1所示。

遥信装置由安装在分相隔离开关上的传感器和安装在现场的接收装置组成,姿态传感器与接收装置之间通过标准通信方式进行通信。姿态传感器测量三相隔离开关触臂旋转角度,根据触臂分合时旋转角度判断隔离开关的分合状态。三相隔离开关姿态遥信量全部为分位状态时,接收装置判定隔离开关为分状态;三相隔离开关姿态遥信量全部为合位状态时,接收装置判定隔离开关为合状态。

微动开关安装在隔离开关机构箱内或相应的传动拐臂上,实现分合闸到位信号的检测。微动开关直接输出无源节点信号。

视频联动通过视频联动及智能分析技术实现隔离开关位置的辅助判断,视频联动系统以采集到的隔离开关的导电臂夹角数据为依据判断隔离开关状态^[5]。

通过姿态传感器、微动开关或视频联动对隔离开关分合闸状态进行监测,其判断逻辑如图2所示。

确认隔离开关分闸的依据为隔离开关位置遥信由合变分,且姿态(微动开关或视频联动)遥信为分位状态^[6];反之,确认隔离开关合闸的依据为隔离开关位置遥信由分变合,且姿态(微动开关或视频联动)遥信为合位状态。隔离开关双确认逻辑如图3所示。

1.2改造方案

隔离开关分合闸位置双确认监测系统应优先采用有线通信的方式,避免监测信息传输至一键顺控主机系统时带来干扰。隔离开关分合闸位置双确认判据分为主要判据和辅助判据,主要判据由辅助接点信号提供,辅助判据由姿态传感器、微动开关或视频联动系统信号提供。系统架构可分为有线传输和无线传输两种,具体架构方式如下:

1.2.1有线传输系统架构

1)姿态传感器:姿态传感器获取的隔离开关位置信息可通过工业总线方式传送至附近的接收装置,接收装置经过分合闸位置判别后,输出无源节点至测控装置(常规站)或智能组件(智能站)。接收装置可将详细信息(分合闸角度、分合闸时间、判别结论、传感器工作状态等)通过IEC 61850制造报文规范(ManufacturingMessageSpecification,MMS)上传至Ⅲ区的后台系统中,后台系统可单独部署也可接入变电站现有的辅控系统平台,实现隔离开关“双确认”状态的实时监测^[7]。

2)微动开关:采用电缆通信方式将隔离开关微动开关位置信号传输至就地控制柜,在就地控制柜内,将微动开关无源节点信号三相之间直接串联后接入变电站测控装置。

3)视频联动系统:由一体化数字云台摄像机、顺控视频站端主机、顺控视频主站等部分组成。视频联动系统的实现有站端视频联动或调度端视频联动两种方式。

(1)站端视频联动:站端监控主机(顺控主机)下发顺控预置信令经正向隔离装置传送至顺控视频站端主机,顺控视频站端主机自动调取对应的隔离开关视频监控数据,并启动视频智能分析功能,顺控视频站端主机全程监控隔离开关操作画面,并以无源节点形式输出隔离开关分合闸状态信号至接收信号的测控装置,完成站端视频联动的一键顺控操作。

(2)调度端视频联动:调度主站下发顺控预置信令经正向隔离装置经Ⅲ区的数据采集与集中监控(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)事项服务器传送至顺控视频主站系统,顺控视频主站系统调取站端对应的一次设备视频监控数据,并启动视频智能分析功能,顺控视频主站系统全程监控隔离开关操作画面,并将对应的隔离开关分合闸状态信号经SCADA事项服务器传输至调度主站,支撑调度完成一键顺控操作。

有线传输系统架构如图4所示,虚线框内为隔离开关分合闸位置“双确认”改造范围。

1.2.2无线传输系统架构

隔离开关分合闸位置无线采集系统由低功耗或微功率传感器(含姿态传感器、微动开关及视频采集终端)、汇聚节点、接入节点、电力专网、接入控制器 及接入网关等部分组成。位置信号采集终端采用低功耗或微功率无线传感器,并通过接入认证、安全芯片、算法加密、传输数据加密等技术措施保障信息传输安全。汇聚节点及接入节点建立全覆盖的传感器网络,实现一定范围内的隔离开关分合闸状态信号汇集、边缘计算(分合闸状态判别及故障信息分析等)、数据上传及节点控制。

无线传输系统架构如图5所示,点划线框内为隔离开关分合闸位置“双确认”改造范围。

2 技术路线

2.1 姿态传感器

基于姿态传感器的隔离开关位置“双确认”判别原理:监测传感器本体所处部件的位置角度情况,通过一定的解算算法,计算出传感器的旋转角度和变化情况^[8],从而判断隔离开关分合闸状态,输出判别结论至上层网络,辅助完成一键顺控操作。

姿态传感系统在隔离开关动作时应准确判别分合闸状态,并给出分闸到位、合闸到位、分闸异常或合闸异常的遥信信号。姿态传感器在隔离开关上安装后应进行标定,具体如下:标定分闸到位为0°,操作隔离开关n次(n≥3),测量分闸到位与合闸到位之间的角度值θi,求平均取得分合闸之间角度值,称为额定值θ,θ=1/nΣθi;设置分闸到位判别阈值α,合闸到位判别阈值β。标定后,姿态传感器进入正常工作状态,姿态传感系统应满足如下要求:

1)隔离开关分闸操作时,若分闸实际角度为γ,则无论何时,姿态传感系统应给出如下判别:当—α≤γ≤α时,姿态传感系统应输出分闸到位信号;当γ<—α或γ>α时,姿态传感系统应可靠输出分闸异常信号。

2)隔离开关合闸操作时,若合闸实际角度为γ,则无论何时,姿态传感系统应给出如下判别:当(θ—β)≤γ≤(θ十β)时,姿态传感系统输出分闸到位信号;当γ<(θ—β)或γ>(θ十β)时,姿态传感系统输出合闸异常信号。

2.2微动开关

隔离开关开合情况通常由分到位微动开关和合到位微动开关一同判断。分到位微动开关常开触点闭合表示分闸到位,合到位微动开关常开触点闭合表示合闸到位;如两个微动开关均未闭合则表示隔离开关正在操作过程中,或动作未到位,如表1所示。

注:O为微动开关常开触点闭合,×为微动开关常开触点未闭合。

2.3视频联动系统

一键顺控操作过程中,视频联动系统以采集到的隔离开关的导电臂夹角数据为依据判断隔离开关状态,通过视频联动及智能分析技术实现隔离开关位置的辅助判断。设置合闸到位判别阈值为α,分闸到位判别阈值为β,实际测得隔离开关导电臂夹角为γ,则视频联动系统的判别原则如下:

1)当180°-α<γ<180°+α时,系统判别隔离开关位置为合闸到位;

2)当0°<γ<β时,系统判别隔离开关位置为分闸到位;

3)当β<γ<180°-α时,系统判别隔离开关位置为分合闸异常。

3 技术关键点

3.1 姿态传感器技术关键点

姿态传感器通常安装于隔离开关的运动部件上,利用陀螺仪原理,通过测量隔离开关运动部件的旋转角度及运行距离来判断隔离开关的位置情况。姿态传感器测得的位置信号需要配置接收装置进行处理和传输,一般通过无源节点信号传输至测控装置或智能终端,然后传输至站控层网络进行应用。

3.2微动开关技术关键点

微动开关传感器一般在隔离开关的运动部件和 固定部件之间安装,当隔离开关开合闸到位后,运动部件动作于弹簧片,使动、静触点信号接通从而得到开关的位置信号。一般通过无源节点信号传输至测控装置或智能终端,再送至站控层网络。

3.3视频联动系统技术关键点

视频联动系统是通过变电站的视频主机采集隔离开关分合闸状态图像,并通过图像智能识别位置、准确判断状态,通过无源节点形式或反向隔离装置输出位置状态识别结果和图像信息,主要有就地图像识别、站控层集中分析识别(无源节点输出)、站控层集中分析识别(反向隔离装置输出)三种。

3.3.1就地图像识别

在每个间隔配置就地图像识别装置,接入本间隔高清摄像机,负责本间隔所有隔离开关的视频双确认,装置内置视频智能分析算法, 自动识别隔离开关分合闸位置,输出无源节点信号至测控装置或智能终端,作为隔离开关状态的辅助判据。同时,视频监控主机自动推送被操作隔离开关的现场视频画面,监视整个动作过程,并启动录像,便于追溯。

3.3.2站控层集中分析识别(无源节点输出)

在每个间隔配置专用高清摄像机,站控层配置智能分析服务器,内置视频智能分析算法, 自动识别隔离开关分合闸位置,识别结果通过DL/T860或 DL/T634.5104协议控制智能开出装置的继电器出口输出至测控装置,作为隔离开关状态的辅助判据。同时,视频监控主机自动推送被操作隔离开关的现场视频画面,监视整个动作过程,并启动录像,便于追溯。

3.3.3 站控层集中分析识别(反向隔离装置输出)

在每个间隔配置专用高清摄像机,站控层配置智能分析服务器,内置视频智能分析算法, 自动识别隔离开关分合闸位置,识别结果通过反向隔离装置输出至一键顺控主机,作为隔离开关状态的辅助判据。同时,视频监控主机自动推送被操作隔离开关的现场视频画面,监视整个动作过程,并启动录像,便于追溯。

4 安装方案

4.1姿态传感器安装方案

本方案以110kV气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)为例进行分析。若根据本体结构特点来分,110 kVGIS隔离开关一般可分为隔离开关以及三工位隔离—接地组合开关两种;若根据传动结构特点来分,可分为无拐臂型及有拐臂型两种,以前的 GIS隔离开关一般为有拐臂型,因为技术的发展进步以及GIS隔离开关小型化的要求, 目前无拐臂型三工位隔离—接地组合开关的使用已成为主流。以下介绍此类开关安装姿态传感器的方式。

无拐臂型三工位隔离—接地组合开关一般分为两种:用于母线的机构水平布置的隔离开关和用于出线的机构竖直布置的隔离开关。以ZF12B—126(L)型GIS为例,此开关的传动轴是直接插入机构中的,所以只能在机构内部安装姿态传感器。

如图6所示,姿态传感器与传动轴的联动使用了工装,姿态传感器通过螺栓固定在工装上,工装下部也有螺栓,拧入传动轴顶部的螺孔与传动轴固定。为防止转动过程中螺纹松动,增加弹簧垫圈。为防止安装过程中螺纹咬死破坏螺纹结构,增加力矩工装。

针对机构内部空间较小,传感器安装困难的情况,提供以下两种解决方案:

方案一:改机构箱上盖,增加一个专用的观察窗,如图7所示。

方案二:将姿态传感器设计为分体结构,减小测量部分的厚度,如图8所示。

传感器罩的设计方便了清晰辨别哪些机构箱装有姿态传感器,同时避免了机构箱外壳对无线数据的屏蔽效应,保证了数据可靠性;使用相同尺寸的传感器罩,可以解决各种机构内部空间小的问题,通用性较强。

4.2微动开关安装方案

微动开关在隔离开关的安装位置应考虑不对隔离开关的正常运作造成阻碍,作为“第二判据”使用的微动开关一般和“启停电机”用微动开关的安装位置相同,但两者间没有电气联系;同时,微动开关在机构上的安装位置应固定,以保证微动开关维护或更换时其相对位置、角度等参数不变。

本方案以GIS隔离开关改造中微动开关安装方式为例进行分析。目前,主流组合电器的隔离开关产品均采用微动开关作为产品分合闸是否到位的判断依据,运动到位后微动开关被压后跳闸,经过其他元器件给电机断电。微动开关安装方式如图9所示。

内部的微动开关安装示意图如图10所示。

目前隔离开关分合闸位置信号均由辅助开关引 出,辅助开关接点信号可作为主要判据;依目前主流的隔离开关机构的传动方式,在现有产品的基础上额外增加一组微动开关,作为辅助判据,即可达到“双确认”的 目的。将新增的行程开关触点的开断信号引出至智能组件(或测控装置),用作分合闸位置的“双确认”,如图11所示。

4.3视频联动系统安装方案

摄像机的安装位置和方式必须考虑不对一次设备正常运行、操作、检修和巡视造成影响,并且摄像机安装位置必须符合与带电设备的安全距离要求,还应能拍摄到隔离开关动作的全部过程及位置状态。同时,摄像机的安装位置应固定,从而保证在摄像机维护或更换时其与隔离开关的相对位置、角度等参数不变。

4.3.1摄像头安装方案

对于AIS变电站,每组隔离开关设备需保证有4 台区域云台摄像机能同时监控,按“全景十A相十B相十 C相”模式,确保全顺控操作隔离开关智能研判分析数据准确。

根据变电站隔离开关监控要求,每个间隔(500kv 及以上按每个断路器配置)配置3台白光灯网络高速高清一体化云台摄像机,首要用于全遥控操作时监视隔离开关分合情况并兼顾隔离开关全景;每台主变配置2台摄像机,首要监视主变中性点隔离开关分合情况并兼顾设备全景。AIS隔离开关的三相监控画面中,要求在分合闸操作时可以完整拍摄到隔离开关导电臂的全景,并且在画面中隔离开关倾斜角度应不大于45°,如图12所示。

4.3.2顺控视频站端主机安装方案

1)站端顺控操作模式:变电站部署一台顺控视频站端主机,根据一键顺控操作原则,同一变电站同时仅操作一组隔离开关。根据系统通用性原则,一台顺控视频站端主机可同时分析6路隔离开关视频,视频分辨率大于720P,分析帧率大于15帧;隔离开关智能研判采用实时视频实时分析模式进行,对于一个隔离开关采用A、B、C三相独立并行分析模式,同时参考三相全景,综合分析得到每一相隔离开关分合状态。状态分析结果清晰易懂,并直接在视频画面中展示。

2)调度端顺控操作模式:变电站在站端部署一台顺控视频主机,地区与站端网络带宽大于100M;站端系统需符合Q/GDW1517.1—2014《电网视频监控系统及接口 第1部分:技术要求》规范建设要求,接入顺控地区主站。

5双确认装置调试验收

现场调试包括双确认装置单独调试、双确认装置与监控系统联合调试两部分。

5.1 单独调试

1)姿态传感器调试主要包括传感器的标定、地址设置、通信状态检查等。

2)微动开关调试主要是操作机构动作时间与其接点触发时间的一致性调试。

3)视频联动系统调试包括但不限于摄像机与视频监控主机、视频监控主机与一键顺控主机的单个功能调试及其之间的通信调试。

5.2 联合调试

1)姿态传感器的联合调试主要包括确认接收装置与测控装置或智能终端的接点信号是否正确, RS-485或DL/T860通信是否正常,遥信数据是否正常上传至站控层网络,双确认时间是否满足要求。

2)微动开关的联合调试主要是确认微动开关本体与测控装置或智能终端的接点信号是否正确,遥信数据是否正常上传至站控层网络,双确认时间是否满足要求。

3)视频联动系统的联合调试主要是视频监控主机与变电站一键顺控主机之间的信号传输调试,并确认遥信数据是否正常上传至站控层网络,双确认时间是否满足一键顺控主机顺控操作的时间要求。

6 结束语

本文通过改造实现了一种新的隔离开关设备分合闸位置监测方式,与传统辅助开关接点实现隔离开关设备分合闸位置判断的方式形成非同源的分合闸位置指示,从而可以作为隔离开关分闸或合闸位置“双确认”的判断依据,可在变电站一键顺控操作时极大地提高隔离开关分合闸状态切换的安全性。

[参考文献]

[1]郑小革,高超,周凡,等.变电站一键顺控改造方案研究及实施[J].电网与清洁能源,2019,35(12):37-42.

[2]杨帆,袁维,高鹏飞,等.顺控技术在跨变电站操作中的方案及应用研究[J].水电与新能源,2021,35(8):14-16.

[3]徐慧伟,刘佳敏,马磊,等.关于变电运维倒闸操作中检查电气指示位置的探讨[J].电子质量,2022(2):127-129.

[4]钱海,邱金辉,贾松江,等.基于D5000平台的继电保护远方操作双确认技术研究与应用 [J].电网与清洁能源,2017,33(7):19-24.

[5]杜非,王广真,张贺军,等.用于隔离开关位置“双确认”技术的姿态传感器系统检测平台 [J].中国电力,2019,52(11):153-158.

[6] 罗雨霖,王光,王舶仲.基于微动开关技术的智能隔离开关分合闸位置判别方法 [J]. 电工技术,2021 (13):129-130.

[7] 陈富国,杨爱军,马慧珍,等.高压隔离开关状态智能感知系统设计与实现[J]. 自动化技术与应用,2021,40 (8):131-135.

[8]毛文奇,王舶仲,蒋毅舟,等.高压隔离开关分合闸位置监测技术的研究综述及展望[J].智慧电力,2019,47 (8):112-119.

2024年第23期第1篇