摘 要： 城市配电电网中对于负荷密集区，大多采用10 kV开关站直接向用户供电。错综复杂的城市功能使得用电客户对配电网的可靠性提出了更高的要求。结合配网新的特点以及更高的要求，针对10 kV开关站常见故障特点研制出一种智能综合监控系统，最终实现配电网运行的稳定性和高效性。
0 引言
随着我国配电网规模的快速增长以及电力用户对供电质量要求的不断提高，配电网自动化技术开始备受供电部门关注。目前我国城市配网对于负荷密集区采用开关站直接向用户供电的方式。10 kV开关站作为配网中的重要设施其地位也显得愈加重要，10 kV开关站相当于扩展了变电站10 kV母线，能够有效减少高压变电所的10 kV出线间隔和出线走廊[1]。另外10 kV开关站还可以为重要用户提供多电源供电。因此，建设并维护好10 kV开关站就成为了发展配网自动化的关键。本文根据配网自动化发展要求以及10 kV开关站的运行特点，着重分析10 kV开关站的常见故障排除方法，开发出一套10 kV开关站智能监控系统。该系统能够实现主要电力运行参数、站内温湿度及电缆沟水位等信息的实时监测，同时通过站内执行机构能够及时有效地排除故障。
1 10 kV开关站智能监控系统简介
1.1 10 kV开关站智能监控系统研究内容
10 kV开关站作为配电网中的重要单元，在实际运行中一旦出现如电缆沟积水的问题就可能造成大面积供电受到影响。10 kV开关站智能监控系统通过采用自动控制技术、通信技术、高精度传感技术等现代技术，能够快速有效解决开关站实际运行问题。其主要研究内容包括：
（1）配电监控研究：安装在开关站内的智能配电终端可以实时监测开关站内主要电力线路的实际运行参数，同时也可以为其监测的线路提供过负荷保护等基本线路保护功能。
（2）环境监控研究：安装在开关站内的各种高性能传感装置采集现场的温湿度、烟雾等环境参数。同时运行人员可根据现场实际情况自定义环境监测名称以及设置告警阈值。
（3）电缆温度监控：安装在开关站内的温度传感装置实时监测主要电缆线路的温度变化。温度传感装置采用光导纤维传输温度信号，具有良好的绝缘性能。另外温度传感探头体积小巧、安全防爆，解决了传统测温方法中传感装置存在测量精度差和易受电磁干扰等问题。
（4）电缆沟水位监控：安装在开关站电缆沟内的水位监控装置采用新型水位探测传感器，传感器具有检测精度高、现场安装灵活等特点并与水泵进行1∶1冗余配置[2]。冗余配置控制方案的电缆沟水位监控系统稳定可靠，能够及时有效地解决电缆沟内积水问题。
（5）监测主站系统：安装在开关站内的监测平台负责收集站内各类传感器检测信号并通过485总线将数据传送给智能配电终端进行数据处理，再由智能配电终端将站内实时数据上传给主站监测单元。主站监控软件包含历史数据、设备管理、数据管理库等功能。
1.2 10 kV开关站智能监控系统组成结构
10 kV开关站智能监控系统结构框图如图1所示。图中环境监控单元包含温湿度、烟雾等传感器和空调、风扇等执行机构。各类传感器及执行机构科学布置在站内，传感器之间、传感器以及执行机构与站内监控平台通过基于ZigBee技术的无线方式进行通信。人防监测单元主要由门禁技术、“人体微波”等防盗技术以及视频监控技术组成。电缆温度监测单元由若干个温度传感器组成，高性能温度传感器实时准确测量站内任意位置的温度变化。水位监控单元由电缆沟的水位探测器及水泵组成，采用冗余配置控制方案完成自动排水的功能。
2 10 kV开关站智能监控系统关键技术分析与实现
2.1智能配电终端
配电终端是配网自动化系统的关键组成部分。配网系统的电力设施运行实时数据、故障自动检测与识别功能、故障隔离以及现场开关的合/分操作都是由配电终端提供与实现的[3]。另外，在配网自动化系统中配电终端是连接配电主站与现场一次设备之间信息交互的桥梁。因此，配电终端的智能化水平、稳定性以及灵活性决定着配电网的自动化水平。本系统采用的智能配电终端具有功能多样、开放性好和可扩展性强的特点，采用了目前领先的一体化设计思路，解决了传统配电终端功能单一以及“挂葫芦式”的安装方式[4]。智能配电终端的软硬件的设计均采用模块化的方法，具有功能稳定、现场安装方便、易于扩展和维护的特点。智能配电终端硬件的模块化设计如图2所示。
图2是目前智能配电终端的典型设计方案，其中电源板等主要功能板件与总线之间的连接是通过插槽实现的。电源板是智能配电终端的基础单元，采用多样化供电模式保证智能配电终端电源输入的灵活性；同时电源板还具有电源监视与多功能电源管理功能，保障装置的可靠运行。核心板是智能配电终端的关键，核心板采用双CPU设计模式，其中一块CPU板负责数据采集与处理，另一块则负责装置的通信功能，两块CPU之间通过串口进行数据交互。遥测板与遥信板是智能配电终端的基本数据采集板，在与被测开关站测量线路的接线连接时可根据现场特点灵活配置各被测对象在板件上的接线，最后通过配置转发表实现实际被测对象与点号的一一对应。遥控板是智能配电终端的业务板，通过对继电器的开出控制实现由电机驱动的一切遥控功能（如水泵等）。可扩展模块板是为了满足特殊需求而设置的，本系统中可扩展模块实现了现场各传感器信号的收集并将数据上传给核心板。
智能配电终端是智能监控系统的核心，其稳定性及兼容性决定着系统数据的可靠程度。智能配电终端收集监控数据，通过统一通信规约并上传的方式避免通信链路中出现信息“阻塞”，大大提高了整个系统的可靠性。
2.2 温度监测单元
传统的测温系统主要是采用红外和光纤两种测温方式。其中红外测温装置是非接触式测温，一旦灰尘将测温头遮住后测量值就会急剧变化。因此，在10 kV开关站智能监控系统中采用领先的无线测温系统，该系统采用ZigBee组网技术设计实现了测温探头与接收装置物理上的分离，解决了高压带电体运行时的高温对接收装置本体造成的影响。另外，测温探头体积小巧以及采用绝缘外壳设计，可实现自由配置测量点的问题。
2.3 水位监控单元[5]
解决10 kV开关站站内积水尤其是电缆沟积水仍然是电力部门管理运行的重点，10 kV开关站智能监控系统基于先进水位探测器、冗余控制方案以及通信技术研究一套水位监控装置能及时有效地解决站内积水问题。
水位监控单元采用领先技术的光电探头式水位传感器，并根据其特点研究出一套水位监控系统冗余控制方案。水位监控单元采用I/O的双配置冗余配置实现控制方案，其现场安装示意图如图3所示。
图3中水位探测器采用主从交错的安装方式以及双执行机构（水泵）的配置，其中U槽等效成站内的电缆沟。冗余控制方案的基本原理是使用高低错位的双水位探测方法实现水位及水位变化率的测量，如果水位不高或水位变化率不大时启动主水泵进行排水并上送水位值和一般告警信号；一旦出现水位过高或者水位变化率过大时则同时启动主从水泵进行排水同时上送水位值和中度告警信号；若主从水泵同时开启并且水位探测器均在一段时间内检测到有水位时（即水泵不能排除积水的情况），上送重度告警信号并同时打开音响及时提醒运维人员。冗余控制算法在智能配电终端的主程序中实现，通过可扩展模块发送给核心板的主从探测器水位信号程序计算出水位变化率值并通过控制算法解算出执行机构（水泵）输出信号。通过实际应用，该水位监控单元能够及时有效地解决电缆沟内积水问题。
2.4 主站监控单元
开关站内各传感器采集的实时数据经智能配电终端汇总处理后由光通信单元ONU设备上传主站监控单元。主站系统主要由历史数据、设备管理等几个功能模块组成。
（1）历史数据主要用于保存监控数据记录。进入历史数据后，通过查询按钮控件可实现根据查询条件查询出数据库的历史监控记录和操作记录。例如查询遥信记录时，选择相应查询条件就可直接查出库中的遥信记录。查询条件包括遥信类型、遥信状态和时间选择三种。
（2）设备管理实现开关站的智能管理与控制，通过设备管理按钮控件可实现站内传感器的远程维护，同时也可以通过设备管理对各个传感器检测参数以及检测阈值进行远程配置。
（3）数据管理库包括开关站日常维护记录备份和一般运行故障记录自动备份两个功能，管理人员通过日常维护记录模块可以方便地实现常规维护记录的等级；一般运行故障记录自动备份功能为开关站运行情况提供数据依据，同时还为10 kV开关站智能监控系统研究人员提供大量的故障数据。10 kV开关站智能监控系统主站系统实时运行状态界面如图4所示。
3 结论
10 kV开关站智能监控系统是根据我国配网自动化的要求，结合10 kV开关站运行管理中存在的安全隐患特点而研究开发的全新系统。通过实际投运，该系统能够提高配电电网运行管理水平，切实有效地提高供电可靠性，4同时提高了工作效率，实现真正的无人化管理。
参考文献
[1] 蒋丽娟.10 kV开关站设备与运行[D].杭州：浙江大学电气工程学院，2011.
[2] 陈子平.浅谈控制系统冗余控制的实现[J].自动化仪表，2005，26（9）：4-7.
[3] 陈爱明，张文斌，付永长.一体化智能配电终端研制[J].微型机与应用，2013，32（20）：63-65.
[4] 丛伟，路庆东，田崇稳，等.智能配电终端及其标准化建模[J].电力系统自动化，2013，37（10）：6-12.
[5] 武树云，徐圣春，张莹.无人值守变电站电缆沟智能远程自动排水装置[P].中国，201220626827.X.2013-07-03.