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基于物联网技术实现500kv变电站设备的智能化监测和管理的研究1、 选题背景及其意义我国科学技术的飞速进步与发展,使得现代工业、农业、商业及居民的用电设备对供电质量提出了更高的要求,从而促进了电力事业的发展,随着电力系统容量的不断增加,长距离大容量输电及配电、变电不可避免,系统的安全稳定运行问题也变得更加突出。这都需要以高投资效益比的途径来发展我国的电力事业,达到“安全、优质、高效、经济”的发、输、配、用电。变电站自动化和信息化已经成为我国电力行业中的热点。550kV变电站是国家电网公司智能电网建设工程,其中主线分为:500kV高压侧按照3/2进行接线、220kV中压侧为双母线双分段、35kV低压侧为单母线单分段,500kV一个半开关的主接线,线路所有的电流量保护均为和电流接线。开关失灵保护不采用和电流接线。由于3/2接线方式断路器连接着两个回路,故使继电保护和二次接线复杂。对于我国来说,500 kV变电站属于大型变电站,往往是一个地区的电网枢纽。目前,500 kV变电站大多具有计算机监控及继电保护系统,但在变电站建设过程中,由于各种原因,各地变电站所使用的系统有所不同,这就导致了采集电网信息的重复率较高、变电站设计安装复杂、资源浪费以及系统兼容性差等问题,直接影响了电网的稳定运行。在设计上,传统变电站的内部主要是采用继电保护的形式进行对数据信息的监控和处理的,并且,传统变电站内部构造主要是通过运用保护屏、监控屏、录音屏等设备进行协调搭配进行工作的,而这些设备对数据的处理能力比较弱,甚至,还会出现数据资源在处理的过程中出现丢失的现象,所以,传统变电站的内部构造的安全性比较差、可靠性也比较差,这无形之中,加大了传统变电站的维修难度,使传统变电站的维修量非常大。智能化的变电站虽然采用新的技术,但在一些硬件设施的管理上依然可能存在问题,如:开关、防火设置等。故本文针对550kV变电站设备,如:断电器、开关、防火装置等,采用物联网技术探讨智能化设计。对550kV变电站设备进行智能化的监管实现,可以带来一定的经济效益和社会效益。首先,经济效益。智能变电站的设备高度集成、二次设备就地安装,通过状态监测功能,减少了主要设备的检修维护次数和时间。(1)运行维护成本节省。运行维护成本包括变电站一、二次设备维修、巡视、站用电、有人值守、就地操作等费用。以220千伏北兴智能变电站为例,建成后,可实现设备“例行检修”向“状态检修”的转变,延长设备检修周期,减少设备检修频率,且高效能灯具降低了变电站的电能消耗,从而每年每减少停电一次可降低用电成本、运行维护成本及人力值守能为电网创造直接经济效益约达47.8万元。根据目前高压系统的实际检修情况,一个变电间隔,以一年检修一次为例,进行停电检修时间至少需要2天(包括12只互感器和避雷器,2台开关,6组220kV刀闸),采用变电设备在线监测及诊断专家系统的经济效益计算如下:Y= P*t*M=250x38x0.05=475(干元)t=采用变电设备在线诊断及专家系统后不需停电的平均时间,2天的停电时间约38小时P=220kv线路平均输送负荷为250MW ;M=过网电价按0.05元kwhY=年经济效益,单位千元检修人员及车辆费用计算:变电间隔检修每天需要检修人员8人,车辆2台。按照每人工时费100元/天计算,车辆每天300元/天计算,则每减少停电一次节约的总费用为:(2*0.3+8*0.1)*2=2.8(千元)S=475+2.8=477.8千元S=每年每减少停电一次可降低用电成本、运行维护成本及人力值守能为电网创造直接经济效益(2)建设成本节省。550千伏北兴变采用智能一次设备、设备状态监测、电子式互感器、统一数据信息平台、智能辅助控制系统等实现变电站智能化。总体来看,智能变电站投资较常规站高4% ~6%。而智能化设备投资约占智能变电站总投资的10% ~15%。智能一次设备投资比重最大,自动化系统和智能辅助控制系统所占比重次之。其中电子式互感器、状态监测设备、统一数据信息平台、智能辅助控制设备占智能化投资的主要部分。随着智能化技术的推广普及,智能一次设备、电子式互感器、状态监测等设备价格逐渐降低,智能化投资所占比重将逐渐降低,智能变电站的经济效益将越来越突出。其次,智能变电站社会效益。本文研究的智能电网社会效益不同于经济效益,是指由于实施智能电网对我国电网稳定性、环境、就业等各方面产生的效益。智能电网的社会效益主要体现在提高系统的可靠性、 安全性、 经济性等方面。智能电网的供电可靠性效益是指由于智能电网的抗攻击性和自愈性提高电网的供电可靠性,从而减少断电范围与时间产生的效益。智能化以及高渗透率的分布式电源将使传统电网更加坚强, 有效抵御各种突发灾害。 面对突发事件,智能电网的综合通信和量测系统将快速提供系统所需的关键数据。 随着大型集中发电厂(煤炭、 石油、 天然气、 核能、水力发电)的多样化和各种分布式电源(风能、 太阳能、氢燃料电池等)的接入, 扩展了燃料的供应范围, 在事故状况下有更多的处理和应对措施,提高了系统的安全性。除了传统的煤电、火电等发电方式外,智能电网提升电网对于风能、太阳能、水电、核电等清洁能源的适应性,从而替代煤发电而产生的效益。智能电网的节能减排效益是指通过智能电网运营效率的提高,减少能量损失,节约电力资源产生的效益。智能电网允许分布式电源并网, 通过需求侧响应和储能系统与间歇性的可再生资源联合,提高可再生能源在电网中的供电比例,降低能耗,缓解环境污染压力。2、 国内外研究现状及发展动态分析“变电站自动化系统 ”(Substation Automation System-SAS) 国际电工委员会解释为“在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统”,所说的变电站设备检测与管理,包含传统的继电保护、自动监控、自动装置等设备,是集保护、监控、测量、远传等功能于一体,通过数字通信及网络通信技术来实现信息共享的一套微机化系统。在北美以及欧洲,大部分变电站已实现了无人值守。埃德拜变电站是个老站,于20世纪60年代建设,占地面积约60 000 m2(200300 m),电压等级为400/132 kV,4回400 kV进线,3台主变。400 kV母线四角形接线,132 kV母线为双母单分段。经过改造该站自动化系统于2000年11月投入运行,所用自动化系统为Alstom公司的Space 2000产品。埃德拜站内自动化系统除了与Alstom公司的保护配合外,还与其它公司的保护相配合。该站主控室面积约53.5 m2(77.5m),有2台主机,1台运行另一台备用。自动化间隔层设备随继电保护小室下放到现场。古思卓站是个老站,占地面积和建筑面积都比较大。站内电压等级为380/220/110 kV,其中380kV侧有18个间隔,220 kV侧有19个间隔,110 kV侧有16个间隔。该站的自动化系统间隔层部分下放到到开关场。古思卓站现正在更换站内自动化系统,新自动化系统采用维奥集团(VATECHGROUP)SAT公司的NLSA产品。随着古思卓站内自动化系统的更新完成,该站将实行无人值班、有人看守。开放式变电站检测与管理试验国外已经开展,并在工程中逐步推广。现阶段,国外在智能变电站建设方面已经十分的成熟,Siemens以及ABB等企业,均对变电站智能化一次、二次设备进行了研究,即便如此依然只可在某些环节之中应用,达到系统规划和投产的目的还有很长一段路要走。就ABB企业研发的GIS设备而言,能够实现二次设备就地化,同时将互感器与断路器整合在了一起,实现了测控以及保护功能。并且,ABB、ALSTOM、Siemens还进行了间隔层设备互操作试验,最终证明互操作性能够让工作难度得到有效的降低。20 世纪 80 年代的传统变电站传统变电站对于 20 世纪 80 年代的人们来说并不陌生,这种电站主要是运用了晶体管和基层电路这些保护设备来供电。此外,人们依然采用传统的工作方式来设定保护二次设备,并且设备的各部分之间在运行的过程中是互不干涉、独立完成运转的。然而,通信技术的不断发展以及微处理器的出现使得这些运行装置有了技术基础,更上一层楼。不仅如此,人们还更新了传统的变电站,加入了“遥测”、“遥信”等一系列新的功能。1990年,微机保护技术开始迅猛发展并且运用到了变电站的改造当中。那个时期,科技不断进步,不仅仅计算机技术和网络技术得到了发展,连通信技术也获得了质的飞跃。无意中也带动了变电站的发展,通过这些技术和网络通信的手段,变电站开始逐步走上了综合自动化的道路。不仅仅二次设备的功能在逐步优化,就连技术基础也得到了很大的升级和进步。这一系列的进步与发展使得综合自动化变电站更加趋于完善,运行也更加安全可靠,甚至可以实现无人值班的管理模式。 由于 IEC 61850 在我国的广泛应用,于是出现了标准的数字化变电站。数字化变电站的出现为智能变电站的发展奠定了坚实的基础,它通过网络的载体和信息的搭建平台,实现了信息共享的功能。数字化变电站不仅仅实现了信息的网络化,把断路器也变成了智能的,还改变了变电站内设备检修的管理模式,从而使得变电站综合自动化更快地发展起来。 数字化的变电站主要是集中处理信息技术,实现数字采集和网络化的交互,但是还不足以满足智能电网发展的需求。国家电网公司以建设智能变电站为发展目标,通过智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建,建立在 IEC61850 标准和通信规范基础上,实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站,最终实现一系列高级的功能。 智能变电站主要是集中处理信息技术,实现数字采集和网络化的交互,但是还不足以满足智能电网发展的需求。国家电网公司以建设智能变电站为发展目标,通过智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建,建立在 IEC61850 标准和通信规范基础上,实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站,最终实现一系列高级的功能。智能变电站就是未来的变电站。我国智能变电站的发展还需要补充和完善:1)注重底层技术的研究。建议进一步深入基础技术研究,进一步拓展研究领域,为智能变电站的全面发展提供支撑。2)注重智能变电站全寿命周期成本的控制。建议智能变电站今后的发展要从全寿命周期进行考虑,实现从设计、建设、研制、检测、调试和运维等整个环节成本的最优化。3)注重智能变电站运行维护的便利性。建议从全站设计、设备研制和检测调试环节均充分考虑运维人员的建议,积极开展运维技术的相关研究,促使智能变电站维护管理更加便利、高效,这不仅可以降低变电站全寿命周期成本,同时也能够进一步提升变电站运行的安全性和可靠性。4)注重并推动新技术带来的运行和管理模式的转变。建议结合我国智能变电站发展建设的实际情况以及新特点,在专业管理和新技术应用方面进行综合考虑,实现智能变电站在管理和技术上的和谐发展。3、 课题研究内容、目标以及拟解决的关键问题1、研究内容1)描述500kv变电站,以及其中的设备,对现有的设备进行硬件说明;2)分析阐述传统变电站设备的检测方法以及管理办法,其中设备主要包括变压器、高压断路器、隔离开关、母线、避雷器、电容器、电抗器等。并说明现有智能变电站中对于设备监管存在的问题,如:开关、防火等。对传统变电站和智能变电站存在的问题。阐述解决问题的办法。3)对采用的解决办法进行详细描述,如:对硬件进行改电连接,如何进行设备数据监管等等。4)进行现场测试,正确性验证,并得出结论。5)对本文的设计进行总结,分析采用物联网技术的优势,并说明未来可能改进的方案。2、目标对变电站设备进行智能化的检测与管理,依托于物联网技术,如:传感器、RFID以及云计算等,对设备进行检测,分析设备的现状,对设备进行管理。3、主要解决的关键问题对于变电站,按照传统的检测管理方式会造成成本的增加,并且对设备的检修带来很大的困难,不能及时发现设备的问题。那么在现有智能其他千伏变电站不能实现对某些设备的高效管理,进而采用现代的物联网技术可以智能化自动对设备进行远程检测,实现设备的自动上下电操作,同时也可以实时将设备的现状反馈给工作人员。4、 拟采取的研究方案、可行性分析为了能够实现对设备的智能化操作,需要采用无线射频技术、传感技术以及云计算中的数据分析技术对设备进行监管。首先,采用无线射频技术实现对设备的远程通信。其次,进而依靠传感技术获取设备的信息。再次,采用云服务器进行存储。最后,对存储的数据利用数据分析对其进行实时分析,从而可以实现对设备的实时监管。在进行研究中,其技术的难点主要体现如何读取不同设备的状态信息以及采用什么样的分析技术对数据进行分析。目前时代是智能化发展,物联网技术的应用可以极大提高对设备的智能化监管操作,通过采用该技术中的核心技术手段可以有效提高500KV变电站设备的监测与管理操作。5、 预期成果和可能的创新点1、预期效果利用物联网技术可以实现对变电站设备的远程智能的监管,如:当设备因为问题过高,导致失火,可以自动启动断电装置,然后启动报警以及灭火装置进行灭火。2、本文设计的创新点主要分为以下部分:采用物联网中的远程通信技术以及传感技术;对数据进行云存储;采用云计算中的SVM分析技术,分析数据进而判断设备是否出现异常。6、 论文工作计划1、6月编写开题报告和文献综述2、7月-10月对改进的采样设备进行全面测试,获取数据3、11月编写中期报告4、12月开始编写论文大纲,并开始进行论文的初步编写5、3月完成论文初稿工作,并进行自查6、4月进行自查并修改论文7、5月完成整篇论文的制作7、 主要参考文献[1]刘芳芳,王静,吕鑫.数据挖掘与人工智能技术[J].信息记录材料,2020,21(4):157-158.[2]张华琛,李春华,陈宇航.基于增强虚拟现实的电力调度设备运行缺陷检测[J].信息技术,2020,44(6):158-161,167.[3]湛鹏.变电站及新能源数据展示平台开发研究[J].仪器仪表与分析监测,2020,(2):18-21.[4]王帅,姜敏,李江林, 等.全维度智能变电站设备状态监测关键技术研究[J].电测与仪表,2020,57(7):82-86. 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