智能變電站斷路器與二次設(shè)備融合技術(shù)深化研究及裝置研制

作者 張一茗1 余亞東1 李少華1 于同偉2 彭躍輝1 1. 河南平高集團(tuán)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 110006)

張一茗(1983-)，男，工程師，研究方向：高壓開關(guān)設(shè)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關(guān)設(shè)備的智能控制器的信息處理量，同時(shí)為簡化二次配線，實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備的有效融合，提高一次設(shè)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(jī)構(gòu)的測量和監(jiān)測功能。智能斷路器的控制器將監(jiān)測到的信息數(shù)據(jù)就地?cái)?shù)字化后經(jīng)光纖上傳至狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可使用戶更加直觀地操作斷路器等高壓開關(guān)設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了斷路器的智能化。

引言

　  斷路器一般由觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、各種脫扣器和開關(guān)機(jī)構(gòu)等主要部分組成^[6-9]，實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化多為實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)設(shè)備的一二次設(shè)備融合。

　　本文利用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對斷路器一次設(shè)備的智能化的設(shè)計(jì)，提出了一種集測量、保護(hù)、控制、通訊和故障記憶于一體的智能控制器的實(shí)現(xiàn)方法，通過接收斷路器當(dāng)前的各種類型的數(shù)據(jù)信息，有選擇性地進(jìn)行智能判斷，從而做出相應(yīng)智能操作。

1 斷路器等一次設(shè)備的智能化實(shí)現(xiàn)方法

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

2 智能斷路器的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　假設(shè)圖2為智能斷路器的控制器實(shí)現(xiàn)圖，依據(jù)簡化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)和防干擾設(shè)計(jì)的方針，筆者對智能斷路器的開入系統(tǒng)和開出系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

2.1 開入系統(tǒng)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在斷路器的智能化方面需要實(shí)時(shí)監(jiān)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)等開關(guān)量。在現(xiàn)場變電站環(huán)境中，傳統(tǒng)的開入回路抵御電磁干擾信號的能力較弱^[10-12]，為使開入量能夠更好地輸入，筆者結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，采用光電隔離技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，使外回路與智能控制器上的回路通過光耦進(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(nèi)，提高控制器的可靠性。圖3給出了開入模塊的設(shè)計(jì)示意圖。

　　在圖3中，I部分為開入模塊的過電壓保護(hù)部分，II部分為開入模塊的降壓環(huán)節(jié)，III部分為光電隔離環(huán)節(jié)。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(shè)計(jì)的開入模塊集過電壓保護(hù)、降壓和光電隔離于一體，抗電磁干擾能力強(qiáng)、無觸點(diǎn)、壽命長、響應(yīng)速度快。因而，在智能設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 開出系統(tǒng)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)階段，開出系統(tǒng)存在多種模型，本文討論的典型開出系統(tǒng)有繼電器式、接觸器式和IGBT式。通過實(shí)踐證明，總結(jié)了表1所示的這三種開出系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

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

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

3 智能斷路器系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　一個(gè)完善的智能斷路器系統(tǒng)，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(shè)計(jì)出一個(gè)功能完善、性能出色的軟件系統(tǒng)來彌補(bǔ)某些致命性缺陷，降低產(chǎn)品成本^[14-15]，實(shí)現(xiàn)斷路器功能的完善、提高產(chǎn)品的可靠性。筆者根據(jù)功能需求在斷路器平臺上設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)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(yùn)行日志部分等功能。

3.1 智能斷路器系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　智能斷路器系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，為實(shí)現(xiàn)上述功能，整體方案的主程序流程圖如圖5所示。

　　在程序運(yùn)行前需要完成對整個(gè)系統(tǒng)的初始化工作，以確保整個(gè)系統(tǒng)軟件中各個(gè)子程序的功能實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在進(jìn)行初始化配置時(shí)需要在程序工程項(xiàng)目中添加ST公司提供的固件函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)寄存器及外設(shè)的驅(qū)動(dòng)^[16-17]。系統(tǒng)及外設(shè)初始化包括時(shí)鐘、嵌套向量中斷控制器、GPIO口、ADC轉(zhuǎn)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。