配电变压器智能化在线监测及状态检修解决方案

摘 要：作为用户供电的电源点，配电变压器的测控、保护、电能质量监测有着非常关键的作用，而配变无功电压协调控制则是改变当前配网无功电压调节能力匮乏，低电压情况严重的关键。但从目前的状况来看，尽管有不少配电变压器已经安装了TTU设备，但少有在测控、保护、电能质量监测功能完备的，且各设备采用的建设路线，技术标准也不尽相同，相互之间无法进行有效的衔接。对配变无功电压协调控制则通常采用另建装置的方式实现，造成配变下设备构成复杂，不利于智能配电网、主动配电网建设。本文建立配电终端统一模型，设计配电变压器在线监测和运维管理全套方案，用于解决当前配电变压器的保护、监测、协调控制等问题。

关键词：配电变压器；在线监测；状态检修；故障诊断

中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0176-03

1 引言

随着我国农村配电网的建设和发展，尤其是农村电网的改造使得配电网结构进一步优化，极大的促进了经济社会的发展。但是农村配电设备比较落后，且功能比较单一，配变保护设备老旧情况严重。目前，配变一般配备了剩余电流保护，短路保护，主要由熔断器和刀熔开关组成，不能为配电变压器及低压台区提供全面有效的保护。本文将针对以上局限性，结合广东电网的实际情况，研究最合适的通讯方式，实现配电台区采集、存储、监视、控制等，构建一套费用合理、技术完善、安全可靠性高、容易推广的通讯方案。

2 配电变压器智能化国内外研究现状

2.1 智能化配电网终端技术国内外研究现状

针对城市和密集负荷区主要研究和解决的问题：（1）提高可靠性和电能质量；（2）降低运行费用；（3）研究配电网与分布电源的一体化；（4）研究配电网与用户侧系统的协调；（5）缩短停电恢复时间；（6）为用户提供更多的用电选择。

项目涉及内容有：（1）设计新的智能电子设备（IED）；（2）研究低成本多功能的静态开关设备；（3）研究传感器和监视系统；（4）研究故障预测等。

美加大停电之后，美国计划在10～20年内完成智能配电网工程IDG（Intelli-D-Grid）。智能化配电网（Intelli-D-Grid）将自动完成：网络重构；电压与无功控制；故障定位和隔离；继电保护再整定（RPR） 等功能；完成智能化电网的建立：数字化变电站、分布发电技术、电力电子技术与配电网互联、燃料源与储能、匹配的电力网络、半导体、超导、超级电容器、磁材料和绝缘子、储能系统、低成本的智能传感器的应用，借助网络通信、GPS同步对时构成完整的智能化配电网。

随着我国农村配电网的建设和发展，尤其是农村电网的改造使得配电网结构进一步优化，极大的促进了经济社会的发展。但是农村配电设备比较落后，且功能比较单一，配变保护设备老旧情况严重。目前，配变一般配备了剩余电流保护，短路保护，主要由熔断器和刀熔开关组成，不能为配电变压器提供全面有效的保护。目前在国内许多供电公司都在应用配电变压器监控系统，但是在实用过程中发现了很多运行问题：一方面，由于配电变压器在布设^程中没有进行合理规划，分布比较散没有形成集中管理使得信息在传递过程中比较失真；另一方面由于缺乏有效的配电变压器的分析软件，使得收集的配电变压器信息又得不到有效的应用。造成的结果是，虽然有一部分配电变压器监控终端在现场投运，但取得的效果并不理想，变压器未能得到运行状态分析和经济运行分析[1]。

2.2 低压配网自动化监控系统技术国内外研究现状

（1）在国外，发达国家在90年代就开始对配电网进行运行方式系统分析，得出合适的运行方式指导配电网经济运行，日本中等城市以上的供电系统都实施了配电经济运行的决策支持软件，美国等西方国家也在一些城市供电网上实施了类似的系统。国外对配电低压台区的智能化技术研究较多。现在，计算机技术和通讯技术飞速发展，大量应用于配电网，进而对配电网低压电器的要求是能后与后台控制计算机进行通信，实现后台计算机对配电低压电器的远程控制，也就是使配电网实现“三遥”功能。为了迎合配电网的需要，配电网低压电器都加入了各种通信功能。尽管目前国外已经开始了配变低压台区智能化的研究，但研究的成果还没有突破，对所有的电气设备进行同时监控的系统尚未研究出来，因而还不能对台区所有电能质量数据进行分析。

（2）国内相关文献介绍了国内有电力网电能损耗计算与分析软件，配电网自动优化运行监控系统的研究，区域分布式电压无功监测与优化控制系统，无功优化程序在配电网的应用，基于地理信息系统的配电网优化规划的研究的文献报道。但是，由于技术的局限性，分析计算中很多用来分析的数据都是历史数据，不能及时地反映配电变压器的当前状态量，其他的文献也没有能够从台区运行、决策支持的角度系统地分析配电网的经济运行。目前，国内大部分配电系统中仅有少部分实行了自动化监控，大部分采用人工监控方式的配电系统中存在的故障或隐患无法被监管控制人员及时发现，无法迅速加以解决。

（3）配电变压器的过流保护主要由两种途径：一种是利用断路器；另一种是利用熔断器。熔断器的优点是结构简单，成本低。断路器对配电变压器的过流保护的断路器全开断时间较长，不利于对配电变压器进行过流保护[2]。

3 配电变压器在线监测目前存在的问题

配网经过十几年的发展，一次、二次设备以及自动化系统都基本运行稳定、成熟，但配网自动化主要关注馈线及站所自动化，对10kV线路下的台区运行管理考虑较少，尽管许多台区也安装了一些智能设备（TTU），较少从台区运行管理的角度实现负荷曲线、三相平衡度、负载率、电压合格率等功能。因此如何利用新技术，对台区的运行状况实时监控；对台区的负载率、可靠率、平衡率、负荷增长趋势等进行研究；对台区发生的故障能够做出及时的反应，从而以较低的成木、有效的手段、快速地提高供电企业对台区的管理水平，加强配电台区的电能优化控制，提高供电质量，提高电网运行的可靠性，减少维护的工作量，提高效率是新一轮智能电网建设的一项重大任务。作为用户供电的电源点，配电变压器的测控、保护、电能质量监测有着非常关键的作用，而配变无功电压协调控制则是改变当前配网无功电压调节能力匮乏，低电压情况严重的关键[3]。

但从目前的状况来看，尽管有不少配电变压器已经安装了TTU设备，但少有在测控、保护、电能质量监测功能完备的，且各设备采用的建设路线，技术标准也不尽相同，相互之间无法进行有效的衔接。对配变无功电压协调控制则通常采用另建装置的方式实现，造成配变下设备构成复杂，不利于智能配电网、主动配电网建设。除此之外还存在着以下问题：

（1）缺少自动化系统的支持，运维人员无法及时了解缺相、失压等情况。由于缺少自动化监测手段，配电台区故障信息一般靠用户保障反映。运维人员没法及时了解和处理缺相、失压、相位错误等状况，严重影响低压配电网的供电可靠性，甚至危及用户设备和人身安全。（2）不能实时监测轻载、超载、三相不平衡状况。工业用户和商住小区的数量随着经济的发展逐渐增多，同时人们的生活水平也在不断的额提高，受各种因素的影响和制约，导致出现超载、轻载、三相不平衡台区，造成一定的经济损失。目前计量自动化系统只监测配变总出线电气量，未监测各分支线的信息，导致运维人员判别低压线路超载、轻载、三相不平衡时无精确数据支撑。（3）配变及台区保护功能简单，导致现场故障查找、处理时间长。配变保护配置只有配变本体保护、低压总出线过流保护，缺少漏电流保护、缺相保护、低压线路故障判别等。以往的漏电流保护经常出现整定值失配、越级跳闸的情况，给运维人员带来很大的工作量。缺少缺相保护可能导致缺相时用户电机烧毁。低压线路故障判断的缺少则会增加运维人员查找及处理故障时间。（4）台区无功电压无法协调控制。目前，配变台区装配的无功补偿器、三相不平衡调节装置，甚至是有载调压设备，均是独立控制。同一馈线上的不同台区也是独立控制。所以，同一馈线不同台区之间、同一配变台区各类设备之间无协调机制，可能出现决策冲突，影响台区电压质量治理效果。（5）数据集成后无更高级的应用，装置功能无法扩展。一方面，目前已有的系统只对配电台区数据作集成及展示，未真正作高级分析。另一方面，配电台区的测控不足，无法满足以后智能配电网、主动配电网的发展需求。（6）配电变压器保护设备普遍缺乏过热保护。目前，大部分农村地区的配电变压器一般只配备熔丝作为过载保护。虽然过载与配变过热存在一定相关性，但通过熔丝来保护配电过热现象还有一定的局限性。目前，经常出现配备熔丝的配备过热烧毁的事件。（7）配电网配电变压器保护装置。变压器保护装置存在功能单一，集成程度低、自动化程度低等特点，导致设备不易安装，成本高昂。现阶段，配电网运行于管理处于相对比较粗放的阶段，配电站数量多，地理分散性大。

4 配电变压器智能化在线监测及状态检修

4.1 台区配变智能化终端装置技术研究

（1）通过装置对配网台区低压侧的数据采集，即对配电台区电压、电流、有功、无功、功率因数的监测。本项目中考虑对此功能进行进一步强化；（2）强化和完善保护功能，实现过流过压保护、漏电流保护、重合闸、缺相保护等功能；（3）加强对台区无功电压调节设备的协调能力，实现对台区无功电压设备，例如无功补偿、有载调压变的协调控制，实现台区的低电褐卫砉δ埽唬4）基于智能配变终端的智能台区运维管理软件，用于监控智能配电终端设备的数据上传及管理和分析功能，实现台区的运维管理功能，同时实现了三相不平衡分析、低压分线的有功平衡分析等功能。

4.2 配电台区在线监控系统技术开发

系统应用对象主要是供电所基层管理和维护人员，因此系统在设计中遵循简单、直观、易学易用的原则。系统对数据的展示尽可能使用表格、曲线、棒图等比较直观的方式，系统同时将原始数据结合图表上传至云平台，通过微信或者APP将配变运行情况反应给手机用户，实现互联网对配变的在线监测[4]。使运维人员可以实时查询配变运行状况，并对电网的运行情况给出运行决策或者为现场施工提供依据。

4.3 智能配变终端试点应用

广东电网某台区安装智能配变终端柜体，在试点供电局进行某台区的低压数据采集和软件后台的高级应用。通过对台区配变低压侧总线和分支线路数据采集，上传至监控后台软件，后台软件将数据处理后进行可视化展示，并提供运维辅助决策参考，同时根据量测的数据和保护的动作信息，判断台区低压侧故障的范围，有助于快速定位低压故障类型和位置。

5 技术难点与措施

5.1 配变低压总出线和分支线路保护存在配合不匹配技术难点

解决思路：总出线上的保护配置定值参考原先定值，并结合负荷预测对保护定值进行修正；分支线路保护定值先参考原先定值进行配置，再根据每条线路上负荷实际情况进行修正，最终汇总每条分支线路的保护定值反馈给总线上的保护，对低压总出线的保护进行修正。

5.2 无功电压协调控制数据不全面造成控制策略不完善技术难点

解决思路：在低压分支线路末端或者终端某个地方安装电压采集装置，通过无线将数据上传至主站，由主站结合配变终端采到的首段电压和末端电压数据进行分析，给出无功优化控制策略。

5.3 配变低压分支线路电流采集困难技术难点

解决思路：按照不同类型的配电柜体环境，制定改造方案。将低压智能断路器安装在分支线路上，对每条分支每相的电流进行采集，再通过智能断路器的二次回路将数据上传至配变终端设备上[5]。

为此本研究计划：（1）收资调研，总结广东电网典型台区目前整体数据监控情况；（2）在原有测控基础上考虑对此功能进行进一步强化，第一加强对分支线路的在台监测，第二加强对电能质量、谐波数据监测的支持，第三可增加对运行环境数据的监测。（3）完善配变低压保护功能：包括对配电变压器低压侧的缺相保护、过流保护、漏电流保护以及重合闸功能；（4）研究对台区无功电压调节设备的协调控制，此功能是对原TTU功能的一大升华，通过对无功补偿设备、分接头设备、调压设备、三相不平衡治理设备的协调决策，解决各设备各自为阵，互不统属的问题。（5）监控智能配电终端设备的数据上传及管理和分析功能的需求分析（6）配电变压器智能终端、在线监测后台开发及测试；（7）示范工程安装调试，现场应用验证。

6 技术经济效益目标

6.1 设备（系统）技术指标

基于智能配变终端装置的工程应用，能够实现以下几种主要功能：台区的保护功能（包括过流过压保护、漏电流保护、缺相保护、重合闸等），低压在线监控功能（不同于传统TTU的以半小时左右为周期的监测功能，智能配变终端更侧重于配电变压器的运维管理功能）、台区无功电压的综合管理控制功能（实现台区的低电压治理功能），其准确性、稳定性、低电压治理能力及控制算法的有效性均满足工程应用要求。

6.2 示范工程技术、经济指标

在试点应用中，能够实现各种保护：过流保护、过压保护、缺相保护、漏电流保护和重合闸功能，各类保护能够灵活配置，适应不同应用场合的需要。通过基于智能配变终端的配电台区在线监控系统的应用，有效提升现场的故障处理能力。

6.3 成果应用安全、经济指标

基于智能配变终端的配电台区在线监控系统的应用，能够提升配电网综合故障判断能力，结合手机客户端的云计算平台的应用，能够大大提高现场配电变压器的运维管理水平，大大减少供电所人员的工作量，产生直接及间接的经济效益。

7 结语

通过标准化的智能配变终端装置，实现台区的统一管理，尤其是电压质量治理的综合管控。本终端装置以配电变压器的无载分接头档位优化、无功补偿装置和有载调压分接头的联合优化控制，同时接收主站协调控制系统的优化指令，实现馈线级电压质量的综合治理。为配电台区测控、保护、电能质量、在线监测等一体化采集、传输提供终端支撑，为配电设备智能在线监测及状态检修工作开展奠定数据基础。完成配电设备测控、保护、电能质量、环境和在线监测等一体化功能。

参考文献

[1]许金红.智能变压器在线监测及诊断技术的应用研究[D].华北电力大学（保定），华北电力大学，2014.

[2]李波.电厂配电变压器综合智能保护系统关键技术分析[J].商品与质量，2016（2）：53.

[3]林小明.变电设备在线监测技术及状态检修的研究[D].华北力大学，2015.

[4]刘兴平.配电变压器健康状态在线监测与评估方法研究[D].重庆大学，2013.

[5]冀慧强.输变电设备在线监测技术研究及应用[D].天津大学，2012.