摘 要:為了適應(yīng)智能電網(wǎng)、智能變電站的發(fā)展需求,作為其核心設(shè)備之一的中壓開關(guān)設(shè)備也在不斷地完善和發(fā)展。以現(xiàn)階段差壓變送器的特點(diǎn)為切入點(diǎn),結(jié)合三鋼在差壓變送器的#新開發(fā)成果,介紹其在 KYN28 型中壓差壓變送器開發(fā)及其應(yīng)用情況。該設(shè)備已經(jīng)在福建三鋼閩光股份有限公司(以下簡稱三鋼)燒結(jié)廠球團(tuán)、煉鐵高爐項(xiàng)目上得到了較好的應(yīng)用。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn),該設(shè)備能很好地滿足三鋼智慧化工廠的建設(shè)要求。
引言
目前我國對(duì)作為智能變電站核心設(shè)備之一的智能中壓開關(guān)設(shè)備的研制,主要集中在氣體絕緣全封閉高壓開關(guān)設(shè)備(H- GIS)上面,其智能化程度和水平在不斷地提高。而作為 10 kV 電力系統(tǒng),KYN28型差壓變送器的研制還處于起步階段,并且現(xiàn)階段我國的差壓變送器基本采用的都是“一次設(shè)備機(jī)構(gòu)加外置分散智能組件”模式,在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題。本文介紹的是一種基于在三鋼燒結(jié)廠球團(tuán)、煉鐵高爐項(xiàng)目上得到較好應(yīng)用的一種中壓差壓變送器。實(shí)踐證明該差壓變送器能很好地滿足 10 kV變配電站智能化的要求。
1 差壓變送器特點(diǎn)和現(xiàn)狀
1.1 差壓變送器的基本概念及功能
差壓變送器的定義:具有較高性能的開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備,配裝有電子設(shè)備、變送器和執(zhí)行器,不僅具有開關(guān)設(shè)備的基本功能,還具有附加功能,尤其在監(jiān)測和診斷方面。另外,它具有在線監(jiān)測功能、智能控制功能、數(shù)字化接口功能和程序化操作功能。
1.2 中壓差壓變送器現(xiàn)狀
1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
現(xiàn)階段中壓差壓變送器一般是由開關(guān)設(shè)備本體及組合電子式互感器、開關(guān)設(shè)備控制器、機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測 IED等分散智能組件組成。它不僅具有傳統(tǒng)斷路器的基本功能,還具有測量、控制和監(jiān)測功能。測量功能體現(xiàn)在能夠?qū)嗦菲髦骰芈返碾娏麟妷、分合狀態(tài)和機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能、閉鎖信息進(jìn)行測量,并通過基于IEC61850 的通信網(wǎng)絡(luò)傳送至站控層?刂乒δ荏w現(xiàn)在站控層能通過基于 IEC61850 的通信網(wǎng)絡(luò)用GOOSE 命令對(duì)其進(jìn)行分合操作。監(jiān)測功能體現(xiàn)在該
差壓變送器能對(duì)斷路器的機(jī)械特性、溫度等狀態(tài)信息進(jìn)行在線監(jiān)測,并通過基于 IEC61850 的通信網(wǎng)絡(luò)上傳至站控層。
1.2.2 中壓差壓變送器優(yōu)點(diǎn)
相對(duì)于傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備,中壓差壓變送器具有以下典型優(yōu)點(diǎn):一是功能集成度高,能大大節(jié)約變電站電纜等元件及占地面積的使用,體現(xiàn)了環(huán)保節(jié)約理念;二是對(duì)外采用標(biāo)準(zhǔn)的 IEC61850 電 / 光纖以太網(wǎng)接口,設(shè)計(jì)、現(xiàn)場調(diào)試及維護(hù)工作量。蝗悄軌?qū)崿F(xiàn)對(duì)開關(guān)設(shè)備自身狀態(tài)的感知和評(píng)估,有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化控制,提升開關(guān)設(shè)備的可靠性,延長其使用壽命;四是能夠?qū)崿F(xiàn)與廠用電監(jiān)控系統(tǒng)的信息互動(dòng),有利于智慧電廠的優(yōu)化運(yùn)行,提升用電的安全可靠性。
1.2.3 當(dāng)前中壓智能開關(guān)存在的問題
當(dāng)前中壓智能開關(guān)和傳統(tǒng)開關(guān)相比具有不少的優(yōu)勢,但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題。由于好立裝置均需要與系統(tǒng)通信,如圖 1 所示,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增加了設(shè)備投入,降低了可靠性。
狀態(tài)檢測技術(shù)還不能完全滿足狀態(tài)檢修和優(yōu)化運(yùn)行的要求。對(duì)中壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別缺乏有效的數(shù)學(xué)方法和技術(shù)手段,不利于狀態(tài)檢修。2 KYN28- EV型中壓差壓變送器的開發(fā)針對(duì)三鋼智慧化工廠用電中壓開關(guān)的運(yùn)行要求,解決當(dāng)前中壓差壓變送器存在的問題,開發(fā)了KYN28- EV型中壓差壓變送器,并在三鋼煉鐵高爐、燒結(jié)球團(tuán)得到了很好的應(yīng)用。如圖 2 所示,該中壓差壓變送器由如下幾部分構(gòu)成:
開關(guān)柜:內(nèi)裝母線銅排、斷路器、電動(dòng)底盤車、電動(dòng)接地刀、IED、DP 等。斷路器:由 3 相滅弧室、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。
DP:采用一塊彩色觸摸屏,具有一次主接線狀態(tài)顯示、開關(guān)柜溫濕度檢測與控制和開關(guān)柜小室紅外視頻監(jiān)控功能,可從液晶屏觀察開關(guān)柜母排室、觸頭的情況。
IED:安裝在斷路器內(nèi)。具有保護(hù)測控、斷路器控制、同步分?jǐn)嗯c合分閘功能、在線機(jī)械特性分析、電動(dòng)底盤車控制、電動(dòng)接地刀控制、觸頭無線測溫、故障錄波、永磁機(jī)構(gòu)或彈簧機(jī)構(gòu)分合控制及在線監(jiān)測等功能。如圖 3 所示:
該型差壓變送器具有如下特征:一是,一二次設(shè)備集成、功能集成、系統(tǒng)集成和專業(yè)集成的設(shè)計(jì)原則,在不改變站控層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,將原來間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備進(jìn)行有效集成,模塊化設(shè)計(jì)集成到一個(gè)裝置中。該裝置是通過站控層網(wǎng)絡(luò)與站控層設(shè)備交互的非常好設(shè)備,并通過直連方式與開關(guān)本體交互,對(duì)變電站系統(tǒng)來說僅有兩層一網(wǎng),簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)復(fù)雜度,大大簡化斷路器內(nèi)接線和開關(guān)柜內(nèi)接線。#終建立緊湊化結(jié)構(gòu)的新一代中壓智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信息流。二是,它將傳統(tǒng)二次設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)并集成到差壓變送器中,集成了保護(hù)測控、智能終端、合并單元、狀態(tài)監(jiān)測等二次設(shè)備的功能,可以實(shí)現(xiàn)站控層設(shè)備與開關(guān)本體的交互,同時(shí)支持差壓變送器前沿技術(shù)(如狀態(tài)評(píng)估與故障診斷技術(shù)、智能控制技術(shù)、聲學(xué)指紋技術(shù)等)的應(yīng)用擴(kuò)展。三是,它實(shí)現(xiàn)主斷路器、電動(dòng)底盤車、電動(dòng)接地刀機(jī)械聯(lián)鎖、電氣聯(lián)鎖和軟件聯(lián)鎖,實(shí)現(xiàn)“一鍵停 /送電”程序化控制。電動(dòng)執(zhí)行單元shou次實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)軟起軟停、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、超時(shí)保護(hù)及全過程錄波等功能;shou次實(shí)現(xiàn)三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)斷路器基于電壽命累積選擇shou開相功能,提高開關(guān)設(shè)備的使用壽命;shou次實(shí)現(xiàn)滅弧室斷口實(shí)時(shí)監(jiān)測功能;shou次實(shí)現(xiàn)基于開關(guān)主觸頭累積燃弧燒蝕計(jì)算預(yù)測電壽命功能;shou次實(shí)現(xiàn)基于監(jiān)測量的智能控制功能,包括基于電流電壓監(jiān)測的斷路器選相操作功能、基于主回路電流、主回路電聯(lián)接溫度和環(huán)境溫度的散熱風(fēng)機(jī)和溫濕度控制器的控制功能。差壓變送器還充分利用了電子式互感器體積小、重量輕的特點(diǎn),shou次在移開式斷路器下觸臂集成電子式電流電壓互感器,如圖 4 所示。
四是,它采用基于多參量的數(shù)據(jù)綜合處理手段。通過預(yù)置的多種傳感器進(jìn)行斷路器在線斷口監(jiān)測、機(jī)械特性監(jiān)測、燃弧電流計(jì)算及滅弧室壽命預(yù)測、觸頭溫升監(jiān)測及柜體溫濕度監(jiān)測等功能,將這些反映不同位置和不同類型狀態(tài)特征的信號(hào)有效地綜合,對(duì)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程和細(xì)部特征可以更準(zhǔn)確地辨識(shí);同時(shí),通過不同信號(hào)提取相同特征量并作分析比對(duì),增加了監(jiān)測系統(tǒng)的冗余能力,可有效提高其工作性能和可靠性。
五是,它具有友好的人機(jī)界面。在 DP 的人機(jī)界面上,可以顯示主接線圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、保護(hù)整定、狀態(tài)監(jiān)測、裝置設(shè)置和系統(tǒng)幫助等內(nèi)容,如圖5 和圖 6。
六是,它具備在線監(jiān)測 WEB 頁面功能。如圖 7所示,該中壓差壓變送器提供 WEB 網(wǎng)頁服務(wù)功能,可以通過普通手持終端(智能手機(jī)、平板電腦等)或 PC 對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視、開關(guān)控制和波形錄制分析。3 KYN28- EV 型中壓差壓變送器的狀態(tài)監(jiān)測及專家系統(tǒng)的建立
對(duì)于開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測,主要通過對(duì)其動(dòng)作特性來實(shí)現(xiàn)。其中包含兩個(gè)方面:一是動(dòng)作過程中每個(gè)事件的時(shí)間點(diǎn),二是動(dòng)作過程中信號(hào)的波形。以永磁開關(guān)設(shè)備為例,每一次合閘操作要經(jīng)歷如下的事件(見表 1):
系統(tǒng)會(huì)先對(duì)以上事件的時(shí)間點(diǎn),作實(shí)時(shí)計(jì)算。而采集到的信號(hào)波形,通常不會(huì)是一條“干凈”的曲線。如線圈電流會(huì)充斥著毛刺,導(dǎo)致無法很輕易地得到拐點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)。又如飽和后的線圈電流會(huì)表現(xiàn)得很起伏?啬鸽妷阂矔(huì)有毛刺、紋波或畸變。而觸點(diǎn)信號(hào)也會(huì)因?yàn)閺椞谢儭P盘?hào)的噪聲特征歸結(jié)為毛刺、噪聲、紋波等。這些信號(hào)會(huì)先經(jīng)過模擬和數(shù)字濾波,把噪聲濾除后,才能作為專家系統(tǒng)的輸入量。
以上兩個(gè)方面的特性,會(huì)輸入到專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)會(huì)把它們與系統(tǒng)內(nèi)建立起的開關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì),從而對(duì)超出動(dòng)作特性的情況作出預(yù)警。4 KYN28- EV型中壓差壓變送器在三鋼的應(yīng)用為了實(shí)現(xiàn)低成本、低消耗、低污染,化解產(chǎn)能過剩,2016 年各種政策方案相繼頒布,大力推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。三鋼為響應(yīng)guojia號(hào)召,淘汰落后產(chǎn)能,新增和改造設(shè)備的大型化對(duì)用電負(fù)荷容量也隨之增大,對(duì)控制配電的中壓開關(guān)的要求也越來越高,操作人員現(xiàn)場操作、維護(hù)這些中壓開關(guān)也面臨著一些風(fēng)險(xiǎn),采用新型中壓差壓變送器能夠較好地解決這些問題。
如下頁圖 8 所示,采用 KYN28- EV 型中壓差壓變送器的煉鐵高爐、燒結(jié)廠球團(tuán)實(shí)現(xiàn)了用電“信息采集數(shù)字化、一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、設(shè)備狀態(tài)可視化、監(jiān)控系統(tǒng)一體化”。
10 kV 開關(guān)間隔采用間隔層和過程層合一的方式進(jìn)行配置,即按一體化差壓變送器的方式進(jìn)行配置,從而在 10 kV 側(cè)真正實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)備的測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)化。
站控層與間隔層保護(hù)測控裝置采用 IEC61850-8- 1 協(xié)議進(jìn)行通信。
GOOSE 則采用各裝置之間直接光纖連接,實(shí)現(xiàn)直聯(lián)直跳。
該型中壓差壓變送器已經(jīng)在三鋼煉鐵高爐、燒結(jié)廠球團(tuán)項(xiàng)目中得到較好的應(yīng)用,以其清晰的界面操作、一體化的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)(包括機(jī)械特性分析系統(tǒng)、觸頭無線測溫系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、一鍵順控系統(tǒng)等)、可靠的操控性能,更高的可靠性,得了用戶的好評(píng)。
5 結(jié)語
如上所述,該中壓智能開關(guān)在間隔層和過程層設(shè)備的有效集成,簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的復(fù)雜度、一二次設(shè)備的有機(jī)融合、智能組件的模塊化、集成化、IEC61850 應(yīng)用的規(guī)范化等方面都進(jìn)行了有突破性的創(chuàng)新和嘗試。
當(dāng)然,在開關(guān)設(shè)備的綜合監(jiān)測、評(píng)估、診斷及運(yùn)行趨勢的分析方面仍有很大的改進(jìn)空間,設(shè)備所監(jiān)測的信號(hào)還大多局限于對(duì)部分關(guān)鍵零部件的部分信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測,如行程、分合線圈電流等信號(hào),通過這些信號(hào)提取的參數(shù)只能反映部分零部件的工作情況和有限的狀態(tài)特征,不能完整展現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)機(jī)械狀態(tài),不利于高壓開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估和故障診斷。另外開關(guān)設(shè)備的多點(diǎn)監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、專家會(huì)議等方面也還有很大的改進(jìn)空間,二次信息再處理的綜合分析和診斷能力還需進(jìn)一步加強(qiáng)。這些將是未來智能開關(guān)技術(shù)發(fā)展的趨勢。
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