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差壓變送器

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淺析新型中壓差壓變送器在智能變電站中的技術開發與應用監測

作時間:2019-08-05  來源:  作者:
   
摘 要:為了適應智能電網、智能變電站的發展需求,作為其核心設備之一的中壓開關設備也在不斷地完善和發展。以現階段差壓變送器的特點為切入點,結合三鋼在差壓變送器的非常新開發成果,介紹其在 KYN28 型中壓差壓變送器開發及其應用情況。該設備已經在福建三鋼閩光股份有限公司(以下簡稱三鋼)燒結廠球團、煉鐵高爐項目上得到了較好的應用。經實踐檢驗,該設備能很好地滿足三鋼智慧化工廠的建設要求。
 
引言
目前我國對作為智能變電站核心設備之一的智能中壓開關設備的研制,主要集中在氣體絕緣全封閉高壓開關設備(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,KYN28型差壓變送器的研制還處于起步階段,并且現階段我國的差壓變送器基本采用的都是“一次設備機構加外置分散智能組件”模式,在實際應用中還存在一些問題。本文介紹的是一種基于在三鋼燒結廠球團、煉鐵高爐項目上得到較好應用的一種中壓差壓變送器。實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 差壓變送器特點和現狀
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設備和控制設備,配裝有電子設備、變送器和執行器,不僅具有開關設備的基本功能,還具有附加功能,尤其在監測和診斷方面。另外,它具有在線監測功能、智能控制功能、數字化接口功能和程序化操作功能。
 
1.2 中壓差壓變送器現狀
1.2.1 系統結構
現階段中壓差壓變送器一般是由開關設備本體及組合電子式互感器、開關設備控制器、機械狀態監測 IED等分散智能組件組成。它不僅具有傳統斷路器的基本功能,還具有測量、控制和監測功能。測量功能體現在能夠對斷路器主回路的電流電壓、分合狀態和機構儲能、閉鎖信息進行測量,并通過基于IEC61850 的通信網絡傳送至站控層?刂乒δ荏w現在站控層能通過基于 IEC61850 的通信網絡用GOOSE 命令對其進行分合操作。監測功能體現在該差壓變送器能對斷路器的機械特性、溫度等狀態信息進行在線監測,并通過基于 IEC61850 的通信網絡上傳至站控層。
 
1.2.2 中壓差壓變送器優點
相對于傳統的開關設備,中壓差壓變送器具有以下典型優點:一是功能集成度高,能大大節約變電站電纜等元件及占地面積的使用,體現了環保節約理念;二是對外采用標準的 IEC61850 電 / 光纖以太網接口,設計、現場調試及維護工作量;三是能夠實現對開關設備自身狀態的感知和評估,有利于實現對開關設備的優化控制,提升開關設備的可靠性,延長其使用壽命;四是能夠實現與廠用電監控系統的信息互動,有利于智慧電廠的優化運行,提升用電的安全可靠性。
 
1.2.3 當前中壓智能開關存在的問題
當前中壓智能開關和傳統開關相比具有不少的優勢,但是在實際應用中還存在一些問題。由于好立裝置均需要與系統通信,如圖 1 所示,網絡結構復雜,增加了設備投入,降低了可靠性。
典型中壓智能設備網絡圖
狀態檢測技術還不能完全滿足狀態檢修和優化運行的要求。對中壓開關設備運行狀態的識別缺乏有效的數學方法和技術手段,不利于狀態檢修。2 KYN28- EV型中壓差壓變送器的開發針對三鋼智慧化工廠用電中壓開關的運行要求,解決當前中壓差壓變送器存在的問題,開發了KYN28- EV型中壓差壓變送器,并在三鋼煉鐵高爐、燒結球團得到了很好的應用。如圖 2 所示,該中壓差壓變送器由如下幾部分構成:
中壓智能開關設備構成圖
開關柜:內裝母線銅排、斷路器、電動底盤車、電動接地刀、IED、DP 等。斷路器:由 3 相滅弧室、動力機構、傳動機構等組成。
DP:采用一塊彩色觸摸屏,具有一次主接線狀態顯示、開關柜溫濕度檢測與控制和開關柜小室紅外視頻監控功能,可從液晶屏觀察開關柜母排室、觸頭的情況。
IED:安裝在斷路器內。具有保護測控、斷路器控制、同步分斷與合分閘功能、在線機械特性分析、電動底盤車控制、電動接地刀控制、觸頭無線測溫、故障錄波、永磁機構或彈簧機構分合控制及在線監測等功能。如圖 3 所示:
KYN28- EV型中壓智能開關設備整體結構圖
該型差壓變送器具有如下特征:一是,一二次設備集成、功能集成、系統集成和專業集成的設計原則,在不改變站控層網絡的基礎上,將原來間隔層設備和過程層設備進行有效集成,模塊化設計集成到一個裝置中。該裝置是通過站控層網絡與站控層設備交互的非常好設備,并通過直連方式與開關本體交互,對變電站系統來說僅有兩層一網,簡化了網絡結構和系統復雜度,大大簡化斷路器內接線和開關柜內接線。非常終建立緊湊化結構的新一代中壓智能設備網絡信息流。二是,它將傳統二次設備進行模塊化設計并集成到差壓變送器中,集成了保護測控、智能終端、合并單元、狀態監測等二次設備的功能,可以實現站控層設備與開關本體的交互,同時支持差壓變送器前沿技術(如狀態評估與故障診斷技術、智能控制技術、聲學指紋技術等)的應用擴展。三是,它實現主斷路器、電動底盤車、電動接地刀機械聯鎖、電氣聯鎖和軟件聯鎖,實現“一鍵停 /送電”程序化控制。電動執行單元首次實現控制電機軟起軟停、堵轉保護、超時保護及全過程錄波等功能;首次實現三相機械聯動斷路器基于電壽命累積選擇首開相功能,提高開關設備的使用壽命;首次實現滅弧室斷口實時監測功能;首次實現基于開關主觸頭累積燃弧燒蝕計算預測電壽命功能;首次實現基于監測量的智能控制功能,包括基于電流電壓監測的斷路器選相操作功能、基于主回路電流、主回路電聯接溫度和環境溫度的散熱風機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,首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。
斷路器動作曲線圖
四是,它采用基于多參量的數據綜合處理手段。通過預置的多種傳感器進行斷路器在線斷口監測、機械特性監測、燃弧電流計算及滅弧室壽命預測、觸頭溫升監測及柜體溫濕度監測等功能,將這些反映不同位置和不同類型狀態特征的信號有效地綜合,對設備機械狀態的轉換過程和細部特征可以更準確地辨識;同時,通過不同信號提取相同特征量并作分析比對,增加了監測系統的冗余能力,可有效提高其工作性能和可靠性。
五是,它具有友好的人機界面。在 DP 的人機界面上,可以顯示主接線圖、實時數據、歷史數據、保護整定、狀態監測、裝置設置和系統幫助等內容,如圖5 和圖 6。
斷路器動作曲線圖
六是,它具備在線監測 WEB 頁面功能。如圖 7所示,該中壓差壓變送器提供 WEB 網頁服務功能,可以通過普通手持終端(智能手機、平板電腦等)或 PC 對設備進行系統參數設置、實時狀態監視、開關控制和波形錄制分析。3 KYN28- EV 型中壓差壓變送器的狀態監測及專家系統的建立
WEB 頁面瀏覽圖
對于開關設備的狀態監測,主要通過對其動作特性來實現。其中包含兩個方面:一是動作過程中每個事件的時間點,二是動作過程中信號的波形。以永磁開關設備為例,每一次合閘操作要經歷如下的事件(見表 1):
永磁開關設備合閘操作事件
系統會先對以上事件的時間點,作實時計算。而采集到的信號波形,通常不會是一條“干凈”的曲線。如線圈電流會充斥著毛刺,導致無法很輕易地得到拐點的時間點。又如飽和后的線圈電流會表現得很起伏?啬鸽妷阂矔忻、紋波或畸變。而觸點信號也會因為彈跳而有畸變。信號的噪聲特征歸結為毛刺、噪聲、紋波等。這些信號會先經過模擬和數字濾波,把噪聲濾除后,才能作為專家系統的輸入量。
以上兩個方面的特性,會輸入到專家系統。專家系統會把它們與系統內建立起的開關設備數據庫進行比對,從而對超出動作特性的情況作出預警。4 KYN28- EV型中壓差壓變送器在三鋼的應用為了實現低成本、低消耗、低污染,化解產能過剩,2016 年各種政策方案相繼頒布,大力推進供給側結構性改革。三鋼為響應國家號召,淘汰落后產能,新增和改造設備的大型化對用電負荷容量也隨之增大,對控制配電的中壓開關的要求也越來越高,操作人員現場操作、維護這些中壓開關也面臨著一些風險,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、燒結廠球團實現了用電“信息采集數字化、一次設備智能化、二次設備網絡化、設備狀態可視化、監控系統一體化”。
10 kV 開關間隔采用間隔層和過程層合一的方式進行配置,即按一體化差壓變送器的方式進行配置,從而在 10 kV 側真正實現了一次設備的測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化和信息互動化。
三鋼采用的 KYN28- EV型中壓智能開關設備
站控層與間隔層保護測控裝置采用 IEC61850-8- 1 協議進行通信。
GOOSE 則采用各裝置之間直接光纖連接,實現直聯直跳。
該型中壓差壓變送器已經在三鋼煉鐵高爐、燒結廠球團項目中得到較好的應用,以其清晰的界面操作、一體化的監控系統平臺(包括機械特性分析系統、觸頭無線測溫系統、視頻監控系統、一鍵順控系統等)、可靠的操控性能,更高的可靠性,得了用戶的好評。
 
5 結語
如上所述,該中壓智能開關在間隔層和過程層設備的有效集成,簡化網絡結構和系統的復雜度、一二次設備的有機融合、智能組件的模塊化、集成化、IEC61850 應用的規范化等方面都進行了有突破性的創新和嘗試。
當然,在開關設備的綜合監測、評估、診斷及運行趨勢的分析方面仍有很大的改進空間,設備所監測的信號還大多局限于對部分關鍵零部件的部分信號進行監測,如行程、分合線圈電流等信號,通過這些信號提取的參數只能反映部分零部件的工作情況和有限的狀態特征,不能完整展現設備實時機械狀態,不利于高壓開關設備的狀態評估和故障診斷。另外開關設備的多點監控、遠程診斷、專家會議等方面也還有很大的改進空間,二次信息再處理的綜合分析和診斷能力還需進一步加強。這些將是未來智能開關技術發展的趨勢。
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