摘要：随着我国城市高压电网系统的快速发展，气体绝缘组合电器设备已经在各区域变电站建设中广泛使用。对少见的GIS热倒母线刀闸合闸不到位的缺陷，目前还少有反制措置。现有技术条件下，运行人员难以对密闭在GIS套管内部的隔离开关合闸状态进行有效观察和检测。在热倒母线合上母线刀闸之后，有概率存在刀闸的辅助触点接通，五防判断刀闸位置和标识指示成功合闸，但实际上动静触头接触未接触的情况。因此利用检测刀闸通过的电流量来反应刀闸的实际位置，是最为直接、最为可靠的方法。
关键词：GIS刀闸；分合；不到位；事故
1GIS刀闸位置判断原理现状对于GIS设备刀闸的位置判断可以分为两个方面：
在一次方面，因GIS设备无法直接观察到封闭电器内部刀闸的位置，刀闸的位置判断主要通过刀闸分合闸指示器、刀闸连杆及拐臂的位置来判断刀闸位置的分合。
在二次方面，一是可以通过观察开关汇控箱来判断刀闸的分合闸位置，二是可以观察监控后台中对应刀闸的位置。但这两种方法都是刀闸分合到位后，触碰到分合闸辅助触点，接通二次回路来判断刀闸的位置，实质上都是通过辅助触点的触碰来判断。
2GIS刀闸位置判断研究方向
GIS设备在电网内所占比重逐年增加，而GIS设备的全封闭设计，导致操作人员无法直接观察到设备的状态。当操作刀闸时，只能通过辅助判据来判断刀闸的实际位置，一旦辅助判断刀闸位置不准确，如刀闸内部元件或传动卡涩的情况下，刀闸在操作中存在阻力，可能存在刀闸现场分合闸辅助触点接通，但实际刀闸位置未接通的情况。
目前，国内外对于GIS刀闸相关研究主要集中在2个方面：
1）通过对现有的一次设备改造，增加更可靠的合闸与分闸指示标志；
2）通过母差保护装置记录的小差来判断是否合闸成功。
针对1）方面，目前变电站现有的设备基本都无法满足要求，需要对现有的变电站一次设备进行大量改造，涉及工程量大、周期长、停电时间长等一系列问题；
针对（2）方面，目前各变电站的母线保护装置对于小差的计算以及显示都没有统一的标准，甚至有些厂家的母线保护装置根本就没有显示小差值，也无法直观的指导现场操作。
因此以上两种方法都很难在目前现有的变电站广泛部署与应用。
如果能够检测到热倒母线时，双跨母线时流经两把母线侧刀闸的瞬时电流，将可以很准确的判断出GIS刀闸是否合闸到位。但是目前大部分的变电站都没有在间隔的母线刀闸侧安装电流互感器，即使有安装电流互感器的也没有将该遥测值采集送给监控系统。因此，我们无法直接获取倒闸时流过两把母线侧刀闸的瞬时电流值。但在倒母合刀闸时发现，合上两把母线刀闸后，两把刀闸会有分流的作用，虽然无法直接测量所合刀闸流过的电流值，但是可以根据母联开关的电流变化，间接得到刀闸的电流值。根据这一现象，可以研究出对GIS刀闸是否分合到位的辅助判断标准，为操作一次设备提供一个重要的辅助判据。增加对操作设备的二次确认，能够更有效的反应现场设备的真实运行状态。这势必将减少一些因运行设备本身故障而引发的事故。转换电流作为一个电气量，是一种直接判据，较之本章第一部分其它间接判据，能更有效地应用于检测隔离开关合闸状态
通过分析变电站典型的倒闸操作及微机五防功能特点，提出了一套基于自动化数据的母线倒闸辅助判断的技术方案，为现有的倒闸操作刀闸位置判断提供了一种有效的辅助判断技术。为了实现该刀闸位置判断软件，需要进行以下研究：
2.1基于GIS刀闸判断算法研究
分析110kV及以上变电站的各类典型操作，研究操作前后电流、电压等信息的变化规律和趋势，进行状态评估的建模，完成算法的设计。
监控系统新增加状态评估服务模块，对各种倒闸操作场景建模，依据辅助判据结果，分析刀闸是否存在分合不到位的情况，并给出智能告警。
2.2基于微机五防的GIS判断技术研究
传统微机五防系统的五防逻辑主要是基于开关及刀闸的位置遥信生成五防规则，但是由于实际设备可能出现的老化等原因，五防系统的一次设备位置信息可能存在和现场不对应的情况[18]。因此，有必要对开关及刀闸的位置进行二次校验。
将现有的微机五防与GIS刀闸判断技术相结合，对传统的微机五防的实现提出改进方法，直接在微机五防系统上实现GIS刀闸的判断，这样可以由微机五防直接闭锁一次设备的操作。这样可以达到所有的一次设备的操作由微机五防统一管理。
将GIS判断技术与现有的微机五防技术相结合主要可以从以下两个方面进行考虑：
（1）将GIS判断软件的结果直接转发给五防，然后直接将该遥信结果纳入五防规则。
（2）在传统的五防系统中纳入GIS判断软件功能，产生以遥信为主，遥测为辅的五防逻辑
2.3判断软件技术研究
（1）基于C/S架构的体系结构
C/S结构，即客户端（client）和服务端（server）结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销[19]。本软件基于C/S这种结构进行开发，客户端向监控后台请发数据，用于防误判断。
（2）基于TCP连接的可靠传输协议
TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完时要拆除连接。TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性[20]。为了保证数据交互准确及可靠性，本软件与监控后台或五防系统通信采用TCP协议。
（3）基于Qt的可视化操作界面
Qt是一种开发跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，它即可开发GUI程序也可以开发非GUI程序。比如控制台工具和服务器。Qt是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展（称为元对象编译器（Meta Object Compiler，moc））以及一些宏，易于扩展，允许组件编程[21]。
2.4动态仿真测试技术研究
为了验证算法的准确性，必须结合实际操作的数据，对算法进行正向与反向验证。验证本算法需求较高的时间精度，对于数据的变化频率要求高，监控后台的人工置数或者仪器对测控加量都难以满足遥测数据变化的精度要求，而且在测试过程中，需要的是大量间隔的数据通过人工置数或者仪器加量根本无法满足，而且操作麻烦。对测试的结果也会不准确，无法真实反应现场情况。
为了尽量还原现场操作的真实情况，必须采用实际的操作的前后数据，可以通过历史数据库导出，但是一般变电站的数据库都是关系数据库，没法保证高精度的采样记录，无法获取GIS刀闸操作前后的详细数据，因此软件的测试数据必须从调度系统的时序数据库中导出GIS刀闸操作前后的数据。
为了避免测试的不准确性，单独开发了一套测试软件，同时从调度时序数据库（能够每3秒存储一个点）中导出现场实际操作的前后数据，该测试软件通过读取调度时序数据库中导出的数据，通过104规约将数据转发给监控系统。这样监控系统就可以反应出当时操作前后的一个实际情况，这样不仅在数据精度和时间精度上达到了要求，同时也减少了很大的工作量，并且也很好的保证了测试的准确性。
3判断逻辑算法研究
在传统的交流变电站系统中，母线截面积大，压降小[23]，在忽略母线压降的情况下，母线上任一处的电压大小均一样。因此可将母线看作一个节点，所有间隔都挂接在同一节点处，因此，根据公式（3-4）和（3-5），可推导出在母线正常运行时，忽略母线压降的情况下，母线上所有挂接的间隔的有功功率和无功功率代数和均为零，即任一母线上所有挂接的间隔的有功功率和无功功率都是平衡的。
下面对倒闸过程中母线功率平衡模型进行分析。如下图3-4为交流变电站倒闸操作的前的二次接线图：
.png)
图2 变电站倒闸接线图
将5M运行设备倒至6M运行，6M由运行转检修。合上#3主变22036刀闸，此时#3主变两把母线侧刀闸都处于合位与母联2056形成并联回路，对母联产生分流效果，如果能够检测到#3主变间隔刀闸双跨母线时流经两把母线侧刀闸的瞬时电流，将可以很准确的判断出#3主变6M母线侧刀闸是否合闸到位。但是目前大部分的变电站都没有在间隔的母线刀闸侧安装电流互感器，即使有安装电流互感器的也没有将该遥测值采集送给监控系统。因此，我们无法直接获取倒闸时流过两把母线侧刀闸的瞬时电流值。
通过以上分析，我们知道在#3主变间隔双跨母线时，会对母联产生分流，这样就会产生分功率，简化模型如下图3：
.png)
图3 合闸后间隔功率
合闸后，6M母线所有间隔有功功率和无功功率代数和为：
.png)
（1）
.png)
（2）
合闸后，依据公式（3-4）和公式（3-5），5M母线所有间隔有功功率和无功功率代数和为：
.png)
（3）
.png)
（4）
其中，母联2056在6M计算时有功功率以及无功功率分别为：P4、Q4，则则母联2056在5M计算时有功功率以及无功功率分别为：-P4、-Q4；同理，#3主变双跨母线时，产生的分功率也一样。
根据以上分析，在传统的交流变电站中，当母线挂接的线路间隔（主变、线路）刀闸双跨母线时，双跨母线的间隔与母联形成并联回路，产生分流从而产生穿越功率，此时各段母线的实际挂接间隔的有功功率和无功功率代数和必定不为零（倒闸间隔功率计算仍然算在合闸前所挂接的的母线上），公式表达如下：
.png)
（5）
.png)
（6）
通过建模分析变电站的各种典型操作前后量测数据的变化，同时结合变电站的实际操作情况，提出一套基于量测数据实现GIS刀闸判断的算法。
分析110kV及以上变电站的各类典型操作，研究操作前后电流、电压等信息的变化规律和趋势，进行状态评估的建模，完成算法的设计。
监控系统新增加状态评估服务模块，对各种倒闸操作场景建模，依据辅助判据结果，分析刀闸是否存在分合不到位的情况，并给出智能告警。
4结语
现有技术条件下，运行人员难以对密闭在GIS套管内部的隔离开关合闸状态进行有效观察和检测。在热倒母线合上母线刀闸之后，有概率存在刀闸的辅助触点接通，刀闸位置标识指示成功合闸，但实际上动静触头接触未接触的情况。因此利用检测刀闸通过的电流量来反应刀闸的实际位置，是最为直接、最为可靠的方法。本章利用基尔霍夫电流定律为基础，间接的利用母联开关的电流变化，计算出热倒母线时刀闸的电流情况，形成类似于差动保护模式的刀闸位置判断的算法，利用该算法形成基于五防系统的母线倒闸判断逻辑，并对典型刀闸操作情况进行验证，完善判断逻辑，使之适用于各种情况。
参考文献：
[1]周舟，陈绍艺，龚尚昆，等．SF6电气设备的监督与故障诊断[J]．高压电器，2011，47（02）：104-107.
[2]陈志良．浅谈110kV GIS刀闸闭锁原理及操作注意事项[J]．技术与市场，2014，21（07）：71-72.
[3]张勇．GIS中局部放电与SF6分解气体关系的试验研究[D]．华北电力大学，2009
论文作者:陈鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：母线论文; 变电站论文; 操作论文; 位置论文; 功率论文; 间隔论文; 电流论文; 《电力设备》2019年第19期论文;