6KV高压开关柜智能化改造的探讨

彭文辉

摘要：变电站（所）6KV高压开关柜是石油化工动力装置中供配电的重要设备，是供给石油化工装置动力的主要电力源。随着计算机人工智能技术在石油化工系统装置中应用和发展，在新建变电站（所）已采用有人工智能化设计，该设计在石油化工系统新建变电站（所）中已有应用。但在已建成的变电站（所）综合自动化系统中，探讨变电站（所）6KV高压开关柜智能化改造，是新一代变电站（所）智能化创新推广的课题。

关键词：变电站（所）；6KV高压开关柜；智能化改造；创新推广

1智能化技术概述

智能化技术[1]，顾名思义就是用一定的技术手段控制机器达到AI的目的，帮助完成一些人工无法完成的工作。智能化技术在经历数十年的发展中已经逐渐趋于成熟，并且发挥着越来越重要的作用。智能化技术应用在电气控制之中并非是一次成功的，也是在无数次的尝试中能够逐步实现的，其中包括了很多电气工程的内容，因此具有非常重要的实用性。其次就是在应用智能化技术的时候还需要掌握熟练的计算机理论知识，才可以使得智能化技术的应用效率更高，同时还可以有效降低成本投入，对于工作人员和操作人员来说也会降低很多工作压力，使得人力资源得到有效的利用，系统运行的效率会得到有效的改造。

2改造目的

2.1实现对变电站（所）的电气设备进行开关设备温度在线监测、断路器在线特性监测、智能操控技术、IEC61850/GOSE网络技术、视频可视化、友好的人机交互界面等，提高变电站（所）运行的安全可靠性。

2.2真正实现变电站（所）无人值守的目的，实现智能远动操控断路器进出、地刀分合，母线、电缆温度在线监测、视频可视化实时监控等，提高变电站（所）的智能化水平和运行效率，减少人工成本。

2.3满足电网调度自动化的功能要求和对远动数据的实时性、可靠性、正确性和准确性的要求。更加及时、全面地掌握变电站（所）的运行实时情况，增强调度中心监视和控制的能力。

2.4降低了人工供配电成本，提高经济效益。

3改造原则

3.1充分利用原有设备，尽量降低改造成本；合理利用原控制回路，减小改造难度。

3.2对华电VEP断路器及相关地刀进行智能化改造。

3.2.1将华电VEP断路器手动小车底盘改造为电动功能小车底盘，或更换为ABBVD4带电动小车断路器。同时增加接地刀闸的电动功能。

3.2.2在现场开关柜的断路器室、接地刀闸（电缆）室、母线室适当位置安装温度传感及摄像头，分别监视断路器手车出入进程，接地刀闸的分合情况，以及母线和电缆搭接处设备的温度运行情况。

3.3采用ABB提供的MDC4智能监控单元替换原南瑞RCS-9641B监控装置，可实时监视开关柜内接点的运行温度以及断路器控制回路状态参数监测；也可在原南瑞RCS-9641B监控装置上增加智能监控功能，适应最新断路器的优化安全和设备性能参数。3.4增加视频在线监测功能，视频在线监视用于封闭式开关柜内，自带补光LED灯的广角摄像头、在封闭无光的柜内也能清晰捕捉设备运行状态。

4智能化系统模式的选择

一般可采用两种方法：一是将原有控制保护设备全部更换为智能成套开关控制保护设备，这种方法投资多，采购周期长，停电时间长，影响供电的可靠性；二是在原有设备的基础上进行改造，利用原有的交、直流操控方式、网络后台设备、远动装置与调度端接口，达到无人值守的目的，这种方法投资少、见效快，一般不影响供电，是较为理想的改造方法。

5具体改造实施

根据各变电站（所）具体实际，改造中稍有不同，但原理方法是一样的。如根据某变电所提供的一、二次图纸及现场设备，智能化改造中采用的方法是：

5.1断路器部分

将华电VEP断路器手动小车底盘改为电动功能小车底盘，或更换为ABBVD4带电动小车断路器。同时增加接地刀闸的电动功能。VD4手车式断路器替换原有VEP真空断路器；VD4断路器仍能实现原有的所有电气联锁和机械联锁；二次接线满足现场开关柜接线的要求，真空断路器手车可就地或远方电动操作断路器手车在运行位置和隔离/试验位置之间的电动出入方式。

5.1.1智能化升级改造

针对该站设备需要不间断运行无法定期停电检修的特点，我们选用在6KV高压开关柜上进行VD4智能化升级[2]改造。通过对现有设备现场加装军品级的温度传感器和完全非介入式的霍尔传感器，实现对开关柜内关键点的温度监测和断路器的机械特性监测。

VD4断路器，该断路器配置底盘电动操作，并带有智能触臂，同时配备MDC4智能控制单元，实现断路器触臂温度实时监测，断路器内部二次元器件（分合闸线圈，储能电机）状态监测。

断路器智能测温触臂断路器机械特性监测原理和MDC4无线智能控制单元

6KV高压开关柜和VD4智能化升级改造后可使现有变电站实现如下功能：

1)开关柜关键点温度智能监测

六路断路器触臂无线测温

三路母线搭接面无线测温

三路电缆搭接铜排无线测温

一路柜体低压室内无线测温

2)断路器机械特性监测

储能电机特性

合/分闸线圈特性

合/分闸动作特性

电动操作可实现将带电设备和操作人员完全隔离的目的，有效减少人为误操作的可能性，极大提高操作人员的人身安全。通过对现有设备现场加装驱动电机和控制回路，实现对断路器和接地开关的远程控制和程序化操作：

远程合、分断路器

远程电动进、出断路器小车

远程电动合、分接地开关

5.1.2断路器特性监测

断路器特性监测包括断路器二次元件特性监测及断路器机械特性监测。它们是评估断路器是否处于正常工作状态的重要指标。断路器的二次元件,包括合分闸线圈和储能机构的电机,它们的状态关系到断路器能否正常工作。高压开关智能化可监测合分闸线圈回路和储能回路的电流电压波形,配合该回路电流电压波形的正常范围进行回路工作状态判断。一旦超出该范围,系统向控制台报警,尽可能的提前预防了断路器部件失效的发生,也可提供断路器合分闸时间和合分闸速度的信息,提高断路器工作的可靠性。

5.1.3开关设备温度在线监测

5.1.3.1开关设备的非正常温度升高会带来难以预料的后果。例如:由接触不良引起的温度升高会导致导体搭接面的烧蚀,进一步加剧导体的损伤;同时,导体的非正常温度升高会加速绝缘部件的老化,引起绝缘损伤,进而发展成更严重的,危害设备安全的内部电弧故障。因此,对开关设备的温升进行监测是非常迫切且有必要的。开关设备内的断路器,在日常操作中需要频繁的在工作位置和试验位置间相互转换,这意味着动静触头间搭接的次数相对其他搭接部位更多,其搭接质量出现不稳定的几率也更高,因此对该搭接部位进行温升监测的意义显得尤为重要。高压开关智能化改造的温度在线监测功能涵盖了断路器及柜体两大部分,可实现对断路器上下触臂,柜体电缆部位及母线部位的测温。

5.1.3.2无线射频识别技术(RFID)

所有的测温点均采用无线射频识别技术(RFID),高压侧测温传感器与接收单元完全隔离,开关柜的安装使用与传统开关设备相同,无需任何额外的布线,完全不影响设备运行的安全性。

5.1.3.3eKey技术

高压开关智能化改造的智能触臂同时具备独有的eKey技术,便于现场更换备用断路器或触臂,并保证历史数据的可追溯性及监测数据的连续性。每一合带有测温模块的VD4真空断路器,均配有一个eKey,该eKey用于存储六根智能触臂测温传感器ID号,在断路器摇入到运行位置之前,需先将eKey插入到MDC4的USB端口里MDC4会自动识别到测温传感器ID号信息。一旦更换或者增加测温传感器,则更换或者增加其ID号到eKey,并插入MDC4完成|D的更新。MDC4以最后读取的eKey内部传感器ID号为最终要识别的传感器。

5.1.3.4自供电CT

无论是断路器部分还是柜体部分,每一个测温点都有独立的自供电CT。自供电CT的使用摆脱了无线通讯模块对外部辅助电源的依赖。无线通讯模块完全依靠一次导体的电流在自供电CT上感应出的二次电流供电,当开关设备处于工作(通电)状态时,无线通讯模块即可立刻投入工作。

5.1.3.5智能触臂SmartArm

高压开关智能化改造的开关设备在外观上与传统开关设备并无明显不同。其原因就在于,ABB采用了不改变电场分布的设计:在实现智能化解决方案的同时对断路器及柜体的设计改动做到最小。

5.1.3.6超宽温型温度传感器

用于温度采集的温度传感器采用军品级元件,充分考虑了在最高环境温度下,开关设备搭接面达到最高温升限值情况下的工况。其工作温度范围为-40~125℃,保证传感器在任何工况下均能准确反映设备的温度。

5.2接地刀闸部分

采用ABB提供的非标设计的VD4断路器配套的电动接地刀闸替换原非电动接地刀闸，适应最新断路器优化安全和设备性能参数。或在原刀闸上加装接地开关电动驱动装置。

5.3低压控制间隔部分

利用原低压控制结构空间设计加装最新保护装置和相关二次元器件，增加视频在线监测系统等。

5.3.1监测控制单元改造

采用ABB提供的MDC4智能监控单元替换原南瑞RCS-9641B监控装置，可实时监视开关柜内接点的运行温度以及断路器控制回路状态参数监测；也可在原南瑞RCS-9641B监控装置上增加智能监控功能，适应最新断路器的优化安全和设备性能参数。

5.3.1.1MDC4智能监控单元是VD4断路器的核心智能监控单元，可实时监视开关柜内接点的运行温度以及断路器控制回路状态参数监测为一体的多功智能监控。功能主要有：对开关柜内部主回路关键接点的运行温度进行实时监测，判断开关柜的内部温度是否超标，提高设备的安全稳定运行程度。现场改造时，安装在低压室内部。

HMI显示单元是MDC4的就地数据显示模块，安装在开关柜的低压室门板上，同MDC4连接，可显示断路器六路动触头的温度。

5.3.2视频监测单元改造

根据现场使用的开关柜类型和保护装置型号，配置开关柜柜内视频在线监视系统。开关柜柜内视频在线监视系统用于封闭式开关柜内，自带补光LED灯的广角摄像头即使在封闭无光的柜内环境也能清晰捕捉开关状态。当远程操作开关设备时无需派人前往现场确认开关是否动作到位，满足真正实现无人值守变电站的要求，在提高工作效率的同时也节省了人员配置，提高了安全性。视频在线监视系统主要由网络视频服务器、带补光的广角摄像头、网络交换机（原有）、视频监视终端（原有）组成。

在柜内的视频采集摄像头主要用于断路器手车状态监视，也可以根据需要在母线室、电缆室布置摄像头分别监视断路器手车的摇入摇出进程，地刀的分合情况，以及母线和电缆搭接处设备的运行情况，用于远程巡检。

视频在线监视系统的工作方式：当操作某台开关柜之前，可先从视频监视终端调出该开关柜所有监视的视频画面，并显示于窗口的左侧，然后再进行断路器手车操作，在线监视开关的动作情况。为延长摄像头的使用寿命，视频服务器会在延时三分钟后断开摄像头电源停止视频采集等待下一次的视频调用。窗口内的视频画面转为静止状态停止更新。当需要远程巡检时，也可以通过调用视频对开关柜进行视频巡检，视频画面的显示序列和操作监视的序列一致。

5.3.2.1视频监测改造价值

智能操作识别技术防止操作人员操作错间隔

可视化校验，为安全生产保驾护航

智能化控制体验，让开关柜控制细节如在眼前

提高效率，节约成本，让变电站的操作和巡检工作简单快捷、真正实现无人值守。

结束语：通过本次6KV高压开关柜智能化改造的探讨，说明电气智能化控制系统由多种控制环节组成，智能化技术的有效创新应用可以使电气工程的智能化操作控制实现自主化、无人化、高效化以及远程化，大大促进了智能化控制的快速发展。电气工程中智能化技术的创新应用充分体现出了智能化技术的自身优势，还为其他领域的健康发展提供了保障与发展基础。

参考文献：

[1]柯志敏.智能化技术在电气工程自动化控制中的相关应用[J].企业技术开发，2016，35（5）：55-55.

[2]厦门ABB公司有关智能化技术产品简介.