浅析新型中压差压变送器在智能变电站中的技术开发与应用

　　摘要：为了适应智能电网、智能变电站的发展需求，作为其核心设备之一的中压开关设备也在不断地完善和发展。以现阶段差压变送器的特点为切入点，结合三钢在差压变送器的非常新开发成果，介绍其在KYN28型中压差压变送器开发及其应用情况。该设备已经在福建三钢闽光股份有限公司（以下简称三钢）烧结厂球团、炼铁高炉项目上得到了较好的应用。经实践检验，该设备能很好地满足三钢智慧化工厂的建设要求。

　　引言

　　目前我国对作为智能变电站核心设备之一的智能中压开关设备的研制，主要集中在气体绝缘全封闭高压开关设备（H-GIS）上面，其智能化程度和水平在不断地提高。而作为10kV电力系统，KYN28型差压变送器的研制还处于起步阶段，并且现阶段我国的差压变送器基本采用的都是一次设备机构加外置分散智能组件模式，在实际应用中还存在一些问题。本文介绍的是一种基于在三钢烧结厂球团、炼铁高炉项目上得到较好应用的一种中压差压变送器。实践证明该差压变送器能很好地满足10kV变配电站智能化的要求。

　　1差压变送器特点和现状

　　1.1差压变送器的基本概念及功能

　　差压变送器的定义：具有较高性能的开关设备和控制设备，配装有电子设备、变送器和执行器，不仅具有开关设备的基本功能，还具有附加功能，尤其在监测和诊断方面。另外，它具有在线监测功能、智能控制功能、数字化接口功能和程序化操作功能。

　　1.2中压差压变送器现状

　　1.2.1系统结构

　　现阶段中压差压变送器一般是由开关设备本体及组合电子式互感器、开关设备控制器、机械状态监测IED等分散智能组件组成。它不仅具有传统断路器的基本功能，还具有测量、控制和监测功能。测量功能体现在能够对断路器主回路的电流电压、分合状态和机构储能、闭锁信息进行测量，并通过基于IEC61850的通信网络传送至站控层。控制功能体现在站控层能通过基于IEC61850的通信网络用GOOSE命令对其进行分合操作。监测功能体现在该差压变送器能对断路器的机械特性、温度等状态信息进行在线监测，并通过基于IEC61850的通信网络上传至站控层。

　　1.2.2中压差压变送器优点

　　相对于传统的开关设备，中压差压变送器具有以下典型优点：一是功能集成度高，能大大节约变电站电缆等元件及占地面积的使用，体现了环保节约理念；二是对外采用标准的IEC61850电/光纤以太网接口，设计、现场调试及维护工作量小；三是能够实现对开关设备自身状态的感知和评估，有利于实现对开关设备的优化控制，提升开关设备的可靠性，延长其使用寿命；四是能够实现与厂用电监控系统的信息互动，有利于智慧电厂的优化运行，提升用电的安全可靠性。

　　1.2.3当前中压智能开关存在的问题

　　当前中压智能开关和传统开关相比具有不少的优势，但是在实际应用中还存在一些问题。由于好立装置均需要与系统通信，如图1所示，网络结构复杂，增加了设备投入，降低了可靠性。

　　状态检测技术还不能完全满足状态检修和优化运行的要求。对中压开关设备运行状态的识别缺乏有效的数学方法和技术手段，不利于状态检修。2KYN28-EV型中压差压变送器的开发针对三钢智慧化工厂用电中压开关的运行要求，解决当前中压差压变送器存在的问题，开发了KYN28-EV型中压差压变送器，并在三钢炼铁高炉、烧结球团得到了很好的应用。如图2所示，该中压差压变送器由如下几部分构成：

　　开关柜：内装母线铜排、断路器、电动底盘车、电动接地刀、IED、DP等。断路器：由3相灭弧室、动力机构、传动机构等组成。

　　DP：采用一块彩色触摸屏，具有一次主接线状态显示、开关柜温湿度检测与控制和开关柜小室红外视频监控功能，可从液晶屏观察开关柜母排室、触头的情况。

　　IED：安装在断路器内。具有保护测控、断路器控制、同步分断与合分闸功能、在线机械特性分析、电动底盘车控制、电动接地刀控制、触头无线测温、故障录波、永磁机构或弹簧机构分合控制及在线监测等功能。如图3所示：

　　该型差压变送器具有如下特征：一是，一二次设备集成、功能集成、系统集成和专业集成的设计原则，在不改变站控层网络的基础上，将原来间隔层设备和过程层设备进行有效集成，模块化设计集成到一个装置中。该装置是通过站控层网络与站控层设备交互的非常好设备，并通过直连方式与开关本体交互，对变电站系统来说仅有两层一网，简化了网络结构和系统复杂度，大大简化断路器内接线和开关柜内接线。非常终建立紧凑化结构的新一代中压智能设备网络信息流。二是，它将传统二次设备进行模块化设计并集成到差压变送器中，集成了保护测控、智能终端、合并单元、状态监测等二次设备的功能，可以实现站控层设备与开关本体的交互，同时支持差压变送器前沿技术（如状态评估与故障诊断技术、智能控制技术、声学指纹技术等）的应用扩展。三是，它实现主断路器、电动底盘车、电动接地刀机械联锁、电气联锁和软件联锁，实现一键停/送电程序化控制。电动执行单元首次实现控制电机软起软停、堵转保护、超时保护及全过程录波等功能；首次实现三相机械联动断路器基于电寿命累积选择首开相功能，提高开关设备的使用寿命；首次实现灭弧室断口实时监测功能；首次实现基于开关主触头累积燃弧烧蚀计算预测电寿命功能；首次实现基于监测量的智能控制功能，包括基于电流电压监测的断路器选相操作功能、基于主回路电流、主回路电联接温度和环境温度的散热风机和温湿度控制器的控制功能。差压变送器还充分利用了电子式互感器体积小、重量轻的特点，首次在移开式断路器下触臂集成电子式电流电压互感器，如图4所示。

　　四是，它采用基于多参量的数据综合处理手段。通过预置的多种传感器进行断路器在线断口监测、机械特性监测、燃弧电流计算及灭弧室寿命预测、触头温升监测及柜体温湿度监测等功能，将这些反映不同位置和不同类型状态特征的信号有效地综合，对设备机械状态的转换过程和细部特征可以更准确地辨识；同时，通过不同信号提取相同特征量并作分析比对，增加了监测系统的冗余能力，可有效提高其工作性能和可靠性。

　　五是，它具有友好的人机界面。在DP的人机界面上，可以显示主接线图、实时数据、历史数据、保护整定、状态监测、装置设置和系统帮助等内容，如图5和图6。

　　六是，它具备在线监测WEB页面功能。如图7所示，该中压差压变送器提供WEB网页服务功能，可以通过普通手持终端（智能手机、平板电脑等）或PC对设备进行系统参数设置、实时状态监视、开关控制和波形录制分析。3KYN28-EV型中压差压变送器的状态监测及专家系统的建立对于开关设备的状态监测，主要通过对其动作特性来实现。其中包含两个方面：一是动作过程中每个事件的时间点，二是动作过程中信号的波形。以永磁开关设备为例，每一次合闸操作要经历如下的事件（见表1）：

　　系统会先对以上事件的时间点，作实时计算。而采集到的信号波形，通常不会是一条干净的曲线。如线圈电流会充斥着毛刺，导致无法很轻易地得到拐点的时间点。又如饱和后的线圈电流会表现得很起伏。控母电压也会有毛刺、纹波或畸变。而触点信号也会因为弹跳而有畸变。信号的噪声特征归结为毛刺、噪声、纹波等。这些信号会先经过模拟和数字滤波，把噪声滤除后，才能作为专家系统的输入量。

　　以上两个方面的特性，会输入到专家系统。专家系统会把它们与系统内建立起的开关设备数据库进行比对，从而对超出动作特性的情况作出预警。4KYN28-EV型中压差压变送器在三钢的应用为了实现低成本、低消耗、低污染，化解产能过剩，2016年各种政策方案相继颁布，大力推进供给侧结构性改革。三钢为响应国家号召，淘汰落后产能，新增和改造设备的大型化对用电负荷容量也随之增大，对控制配电的中压开关的要求也越来越高，操作人员现场操作、维护这些中压开关也面临着一些风险，采用新型中压差压变送器能够较好地解决这些问题。

　　如下页图8所示，采用KYN28-EV型中压差压变送器的炼铁高炉、烧结厂球团实现了用电信息采集数字化、一次设备智能化、二次设备网络化、设备状态可视化、监控系统一体化。

　　10kV开关间隔采用间隔层和过程层合一的方式进行配置，即按一体化差压变送器的方式进行配置，从而在10kV侧真正实现了一次设备的测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化。

　　站控层与间隔层保护测控装置采用IEC61850-8-1协议进行通信。

　　GOOSE则采用各装置之间直接光纤连接，实现直联直跳。

　　该型中压差压变送器已经在三钢炼铁高炉、烧结厂球团项目中得到较好的应用，以其清晰的界面操作、一体化的监控系统平台（包括机械特性分析系统、触头无线测温系统、视频监控系统、一键顺控系统等）、可靠的操控性能，更高的可靠性，得了用户的好评。

　　5结语

　　如上所述，该中压智能开关在间隔层和过程层设备的有效集成，简化网络结构和系统的复杂度、一二次设备的有机融合、智能组件的模块化、集成化、IEC61850应用的规范化等方面都进行了有突破性的创新和尝试。

　　当然，在开关设备的综合监测、评估、诊断及运行趋势的分析方面仍有很大的改进空间，设备所监测的信号还大多局限于对部分关键零部件的部分信号进行监测，如行程、分合线圈电流等信号，通过这些信号提取的参数只能反映部分零部件的工作情况和有限的状态特征，不能完整展现设备实时机械状态，不利于高压开关设备的状态评估和故障诊断。另外开关设备的多点监控、远程诊断、专家会议等方面也还有很大的改进空间，二次信息再处理的综合分析和诊断能力还需进一步加强。这些将是未来智能开关技术发展的趋势。