摘 要： 城市配電電網中對于負荷密集區，大多采用10 kV開關站直接向用戶供電。錯綜復雜的城市功能使得用電客戶對配電網的可靠性提出了更高的要求。結合配網新的特點以及更高的要求，針對10 kV開關站常見故障特點研制出一種智能綜合監控系統，最終實現配電網運行的穩定性和高效性。
0 引言
隨著我國配電網規模的快速增長以及電力用戶對供電質量要求的不斷提高，配電網自動化技術開始備受供電部門關注。目前我國城市配網對于負荷密集區采用開關站直接向用戶供電的方式。10 kV開關站作為配網中的重要設施其地位也顯得愈加重要，10 kV開關站相當于擴展了變電站10 kV母線，能夠有效減少高壓變電所的10 kV出線間隔和出線走廊[1]。另外10 kV開關站還可以為重要用戶提供多電源供電。因此，建設并維護好10 kV開關站就成為了發展配網自動化的關鍵。本文根據配網自動化發展要求以及10 kV開關站的運行特點，著重分析10 kV開關站的常見故障排除方法，開發出一套10 kV開關站智能監控系統。該系統能夠實現主要電力運行參數、站內溫濕度及電纜溝水位等信息的實時監測，同時通過站內執行機構能夠及時有效地排除故障。
1 10 kV開關站智能監控系統簡介
1.1 10 kV開關站智能監控系統研究內容
10 kV開關站作為配電網中的重要單元，在實際運行中一旦出現如電纜溝積水的問題就可能造成大面積供電受到影響。10 kV開關站智能監控系統通過采用自動控制技術、通信技術、高精度傳感技術等現代技術，能夠快速有效解決開關站實際運行問題。其主要研究內容包括：
（1）配電監控研究：安裝在開關站內的智能配電終端可以實時監測開關站內主要電力線路的實際運行參數，同時也可以為其監測的線路提供過負荷保護等基本線路保護功能。
（2）環境監控研究：安裝在開關站內的各種高性能傳感裝置采集現場的溫濕度、煙霧等環境參數。同時運行人員可根據現場實際情況自定義環境監測名稱以及設置告警閾值。
（3）電纜溫度監控：安裝在開關站內的溫度傳感裝置實時監測主要電纜線路的溫度變化。溫度傳感裝置采用光導纖維傳輸溫度信號，具有良好的絕緣性能。另外溫度傳感探頭體積小巧、安全防爆，解決了傳統測溫方法中傳感裝置存在測量精度差和易受電磁干擾等問題。
（4）電纜溝水位監控：安裝在開關站電纜溝內的水位監控裝置采用新型水位探測傳感器，傳感器具有檢測精度高、現場安裝靈活等特點并與水泵進行1∶1冗余配置[2]。冗余配置控制方案的電纜溝水位監控系統穩定可靠，能夠及時有效地解決電纜溝內積水問題。
（5）監測主站系統：安裝在開關站內的監測平臺負責收集站內各類傳感器檢測信號并通過485總線將數據傳送給智能配電終端進行數據處理，再由智能配電終端將站內實時數據上傳給主站監測單元。主站監控軟件包含歷史數據、設備管理、數據管理庫等功能。
1.2 10 kV開關站智能監控系統組成結構
10 kV開關站智能監控系統結構框圖如圖1所示。圖中環境監控單元包含溫濕度、煙霧等傳感器和空調、風扇等執行機構。各類傳感器及執行機構科學布置在站內，傳感器之間、傳感器以及執行機構與站內監控平臺通過基于ZigBee技術的無線方式進行通信。人防監測單元主要由門禁技術、“人體微波”等防盜技術以及視頻監控技術組成。電纜溫度監測單元由若干個溫度傳感器組成，高性能溫度傳感器實時準確測量站內任意位置的溫度變化。水位監控單元由電纜溝的水位探測器及水泵組成，采用冗余配置控制方案完成自動排水的功能。
2 10 kV開關站智能監控系統關鍵技術分析與實現
2.1智能配電終端
配電終端是配網自動化系統的關鍵組成部分。配網系統的電力設施運行實時數據、故障自動檢測與識別功能、故障隔離以及現場開關的合/分操作都是由配電終端提供與實現的[3]。另外，在配網自動化系統中配電終端是連接配電主站與現場一次設備之間信息交互的橋梁。因此，配電終端的智能化水平、穩定性以及靈活性決定著配電網的自動化水平。本系統采用的智能配電終端具有功能多樣、開放性好和可擴展性強的特點，采用了目前領先的一體化設計思路，解決了傳統配電終端功能單一以及“掛葫蘆式”的安裝方式[4]。智能配電終端的軟硬件的設計均采用模塊化的方法，具有功能穩定、現場安裝方便、易于擴展和維護的特點。智能配電終端硬件的模塊化設計如圖2所示。
圖2是目前智能配電終端的典型設計方案，其中電源板等主要功能板件與總線之間的連接是通過插槽實現的。電源板是智能配電終端的基礎單元，采用多樣化供電模式保證智能配電終端電源輸入的靈活性；同時電源板還具有電源監視與多功能電源管理功能，保障裝置的可靠運行。核心板是智能配電終端的關鍵，核心板采用雙CPU設計模式，其中一塊CPU板負責數據采集與處理，另一塊則負責裝置的通信功能，兩塊CPU之間通過串口進行數據交互。遙測板與遙信板是智能配電終端的基本數據采集板，在與被測開關站測量線路的接線連接時可根據現場特點靈活配置各被測對象在板件上的接線，最后通過配置轉發表實現實際被測對象與點號的一一對應。遙控板是智能配電終端的業務板，通過對繼電器的開出控制實現由電機驅動的一切遙控功能（如水泵等）。可擴展模塊板是為了滿足特殊需求而設置的，本系統中可擴展模塊實現了現場各傳感器信號的收集并將數據上傳給核心板。
智能配電終端是智能監控系統的核心，其穩定性及兼容性決定著系統數據的可靠程度。智能配電終端收集監控數據，通過統一通信規約并上傳的方式避免通信鏈路中出現信息“阻塞”，大大提高了整個系統的可靠性。
2.2 溫度監測單元
傳統的測溫系統主要是采用紅外和光纖兩種測溫方式。其中紅外測溫裝置是非接觸式測溫，一旦灰塵將測溫頭遮住后測量值就會急劇變化。因此，在10 kV開關站智能監控系統中采用領先的無線測溫系統，該系統采用ZigBee組網技術設計實現了測溫探頭與接收裝置物理上的分離，解決了高壓帶電體運行時的高溫對接收裝置本體造成的影響。另外，測溫探頭體積小巧以及采用絕緣外殼設計，可實現自由配置測量點的問題。
2.3 水位監控單元[5]
解決10 kV開關站站內積水尤其是電纜溝積水仍然是電力部門管理運行的重點，10 kV開關站智能監控系統基于先進水位探測器、冗余控制方案以及通信技術研究一套水位監控裝置能及時有效地解決站內積水問題。
水位監控單元采用領先技術的光電探頭式水位傳感器，并根據其特點研究出一套水位監控系統冗余控制方案。水位監控單元采用I/O的雙配置冗余配置實現控制方案，其現場安裝示意圖如圖3所示。
圖3中水位探測器采用主從交錯的安裝方式以及雙執行機構（水泵）的配置，其中U槽等效成站內的電纜溝。冗余控制方案的基本原理是使用高低錯位的雙水位探測方法實現水位及水位變化率的測量，如果水位不高或水位變化率不大時啟動主水泵進行排水并上送水位值和一般告警信號；一旦出現水位過高或者水位變化率過大時則同時啟動主從水泵進行排水同時上送水位值和中度告警信號；若主從水泵同時開啟并且水位探測器均在一段時間內檢測到有水位時（即水泵不能排除積水的情況），上送重度告警信號并同時打開音響及時提醒運維人員。冗余控制算法在智能配電終端的主程序中實現，通過可擴展模塊發送給核心板的主從探測器水位信號程序計算出水位變化率值并通過控制算法解算出執行機構（水泵）輸出信號。通過實際應用，該水位監控單元能夠及時有效地解決電纜溝內積水問題。
2.4 主站監控單元
開關站內各傳感器采集的實時數據經智能配電終端匯總處理后由光通信單元ONU設備上傳主站監控單元。主站系統主要由歷史數據、設備管理等幾個功能模塊組成。
（1）歷史數據主要用于保存監控數據記錄。進入歷史數據后，通過查詢按鈕控件可實現根據查詢條件查詢出數據庫的歷史監控記錄和操作記錄。例如查詢遙信記錄時，選擇相應查詢條件就可直接查出庫中的遙信記錄。查詢條件包括遙信類型、遙信狀態和時間選擇三種。
（2）設備管理實現開關站的智能管理與控制，通過設備管理按鈕控件可實現站內傳感器的遠程維護，同時也可以通過設備管理對各個傳感器檢測參數以及檢測閾值進行遠程配置。
（3）數據管理庫包括開關站日常維護記錄備份和一般運行故障記錄自動備份兩個功能，管理人員通過日常維護記錄模塊可以方便地實現常規維護記錄的等級；一般運行故障記錄自動備份功能為開關站運行情況提供數據依據，同時還為10 kV開關站智能監控系統研究人員提供大量的故障數據。10 kV開關站智能監控系統主站系統實時運行狀態界面如圖4所示。
3 結論
10 kV開關站智能監控系統是根據我國配網自動化的要求，結合10 kV開關站運行管理中存在的安全隱患特點而研究開發的全新系統。通過實際投運，該系統能夠提高配電電網運行管理水平，切實有效地提高供電可靠性，4同時提高了工作效率，實現真正的無人化管理。
參考文獻
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[2] 陳子平.淺談控制系統冗余控制的實現[J].自動化儀表，2005，26（9）：4-7.
[3] 陳愛明，張文斌，付永長.一體化智能配電終端研制[J].微型機與應用，2013，32（20）：63-65.
[4] 叢偉，路慶東，田崇穩，等.智能配電終端及其標準化建模[J].電力系統自動化，2013，37（10）：6-12.
[5] 武樹云，徐圣春，張瑩.無人值守變電站電纜溝智能遠程自動排水裝置[P].中國，201220626827.X.2013-07-03.