智能變電站斷路器與二次設備融合技術(shù)深化研究及裝置研制

作者 張一茗1 余亞?wèn)|1 李少華1 于同偉2 彭躍輝1 1. 河南平高集團有限公司(河南 平頂山 467001)2. 遼寧省電力科學(xué)研究院(遼寧 沈陽(yáng) 110006)

張一茗(1983-)，男，工程師，研究方向：高壓開(kāi)關(guān)設備智能化技術(shù)研究及產(chǎn)品研制。

摘要：為減輕斷路器等一次高壓開(kāi)關(guān)設備的智能控制器的信息處理量，同時(shí)為簡(jiǎn)化二次配線(xiàn)，實(shí)現一二次設備的有效融合，提高一次設備的智能化水平。本文提出了一種實(shí)用的智能斷路器的控制器，智能斷路器的控制器不僅具備就地分、合閘控制功能，同時(shí)還可具備本機構的測量和監測功能。智能斷路器的控制器將監測到的信息數據就地數字化后經(jīng)光纖上傳至狀態(tài)監測系統，可使用戶(hù)更加直觀(guān)地操作斷路器等高壓開(kāi)關(guān)設備，進(jìn)而實(shí)現了斷路器的智能化。

引言

　  斷路器一般由觸頭系統、滅弧系統、各種脫扣器和開(kāi)關(guān)機構等主要部分組成^[6-9]，實(shí)現斷路器的智能化多為實(shí)現高壓開(kāi)關(guān)設備的一二次設備融合。

　　本文利用微電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)實(shí)現了對斷路器一次設備的智能化的設計，提出了一種集測量、保護、控制、通訊和故障記憶于一體的智能控制器的實(shí)現方法，通過(guò)接收斷路器當前的各種類(lèi)型的數據信息，有選擇性地進(jìn)行智能判斷，從而做出相應智能操作。

1 斷路器等一次設備的智能化實(shí)現方法

　　圖2給出了智能機構控制器的示意圖。在圖2中，該智能機構控制器能夠及時(shí)響應分、合閘信號;具備防跳閉鎖功能;能夠及時(shí)切斷分、合閘線(xiàn)圈電流;能夠在分合閘電容器電壓過(guò)低時(shí)閉鎖分、合閘信號，使斷路器不能進(jìn)行分、合閘操作;能夠在線(xiàn)路上出現過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓時(shí)及時(shí)分閘，并能夠向監控中心發(fā)出警告信號等?？赏ㄟ^(guò)RS-485總線(xiàn)通信方式實(shí)現斷路器與主控器的雙向通信，構成智能化監控、保護和信息網(wǎng)絡(luò )系統。

2 智能斷路器的創(chuàng )新性設計與實(shí)現

　　假設圖2為智能斷路器的控制器實(shí)現圖，依據簡(jiǎn)化設計、模塊化設計和防干擾設計的方針，筆者對智能斷路器的開(kāi)入系統和開(kāi)出系統進(jìn)行了創(chuàng )新性設計。

2.1 開(kāi)入系統的創(chuàng )新性設計與實(shí)現

　　在斷路器的智能化方面需要實(shí)時(shí)監測到斷路器的分、合閘狀態(tài)，氣壓閉鎖狀態(tài)，彈簧儲能/未儲能狀態(tài)，油壓閉鎖狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量。在現場(chǎng)變電站環(huán)境中，傳統的開(kāi)入回路抵御電磁干擾信號的能力較弱^[10-12]，為使開(kāi)入量能夠更好地輸入，筆者結合相關(guān)文獻，采用光電隔離技術(shù)進(jìn)行創(chuàng )新性設計，使外回路與智能控制器上的回路通過(guò)光耦進(jìn)行電氣上的隔離，避免將外回路的電磁干擾引入控制器內，提高控制器的可靠性。圖3給出了開(kāi)入模塊的設計示意圖。

　　在圖3中，I部分為開(kāi)入模塊的過(guò)電壓保護部分，II部分為開(kāi)入模塊的降壓環(huán)節，III部分為光電隔離環(huán)節。其中，RV1、RV2和RV3是靈敏度較高的壓敏元件;D1、D4是將220V直流量進(jìn)行鉗位的降壓二極管;T1是抗干擾能力較高的光電隔離模塊。顯然，本文設計的開(kāi)入模塊集過(guò)電壓保護、降壓和光電隔離于一體，抗電磁干擾能力強、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(cháng)、響應速度快。因而，在智能設備上得到了廣泛的應用。

2.2 開(kāi)出系統的創(chuàng )新性設計

　　現階段，開(kāi)出系統存在多種模型，本文討論的典型開(kāi)出系統有繼電器式、接觸器式和IGBT式。通過(guò)實(shí)踐證明，總結了表1所示的這三種開(kāi)出系統的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　由表1可知，在相同環(huán)境下，以IGBT為主的開(kāi)出系統性能更加可靠。在實(shí)際的電力系統運行時(shí)，IGBT的開(kāi)出速度達到了微秒級，不會(huì )出現粘連故障而引起的斷路器的拒分拒合現象。傳統的分合閘線(xiàn)圈在斷開(kāi)斷路器時(shí)，都會(huì )產(chǎn)生較大的反電動(dòng)勢^[13]，設計IGBT開(kāi)出回路后，分合閘線(xiàn)圈必然在斷開(kāi)IGBT時(shí)會(huì )產(chǎn)生強大的反電動(dòng)勢，如何快速的釋放分合閘線(xiàn)圈的反電動(dòng)勢是IGBT快速關(guān)斷和保證分合閘線(xiàn)圈安全可靠的關(guān)鍵。因此，本文結合現有技術(shù)條件，設計了一套完整的開(kāi)出控制系統。圖4給出了開(kāi)出控制系統圖。

　　圖4中，I部分為開(kāi)出系統的220V供電環(huán)節;II部分為IGBT的驅動(dòng)輸入環(huán)節。其中，C2為供電環(huán)節的儲能電容，為分合閘線(xiàn)圈提供激勵電流;U1為典型的IGBT的驅動(dòng)芯片，不僅具有IGBT的驅動(dòng)功能，還具有光電隔離功能;Q1為開(kāi)關(guān)頻率較高的IGBT，能夠在幾個(gè)微秒的時(shí)間內分合斷路器。

3 智能斷路器系統的架構設計與實(shí)現

　　一個(gè)完善的智能斷路器系統，軟件和硬件的關(guān)系是緊密相關(guān)的，能夠在斷路器平臺上設計出一個(gè)功能完善、性能出色的軟件系統來(lái)彌補某些致命性缺陷，降低產(chǎn)品成本^[14-15]，實(shí)現斷路器功能的完善、提高產(chǎn)品的可靠性。筆者根據功能需求在斷路器平臺上設計了能夠實(shí)現系統運行參數的設置、分、合閘狀態(tài)控制、Modbus通信部分、狀態(tài)采集部分、分析判斷部分、狀態(tài)指示部分及運行日志部分等功能。

3.1 智能斷路器系統的整體方案設計與實(shí)現

　　智能斷路器系統的整體設計方案采用模塊化設計的思想，為實(shí)現上述功能，整體方案的主程序流程圖如圖5所示。

　　在程序運行前需要完成對整個(gè)系統的初始化工作，以確保整個(gè)系統軟件中各個(gè)子程序的功能實(shí)現及系統運行的穩定性。在進(jìn)行初始化配置時(shí)需要在程序工程項目中添加ST公司提供的固件函數庫，實(shí)現對相應寄存器及外設的驅動(dòng)^[16-17]。系統及外設初始化包括時(shí)鐘、嵌套向量中斷控制器、GPIO口、ADC轉換、定時(shí)器初始化配置、各通信接口及外圍電路模塊的初始化配置。