中壓開關(guān)柜的智能化改造與研究

童本羽，楊冠魯

1.華僑大學(xué)信息學(xué)院，福建泉州 362000

2.泉州億興電力有限公司，福建泉州 362000

3.華僑大學(xué)信息學(xué)院，福建泉州 362000

1 概述

回顧智能化開關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，早在20 世紀(jì)90 年代日本某開關(guān)柜生產(chǎn)企業(yè)便將電子式保護(hù)裝置，可編程序控制器（PLC），操作回路故障檢測(cè)，雙金屬片母線測(cè)溫裝置等設(shè)備綜合應(yīng)用在開關(guān)柜上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)柜工作狀態(tài)的多方位監(jiān)控。基于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，早期的智能開關(guān)設(shè)備更多使用了定性檢測(cè)方式，適應(yīng)性差且設(shè)備集中度也相對(duì)較低。

近年來，隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等的蓬勃發(fā)展，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，新的電力設(shè)備通訊規(guī)約的制定，智能化開關(guān)設(shè)備得到了空前發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)許多開關(guān)柜生產(chǎn)廠家都有在智能化開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域進(jìn)行嘗試，也發(fā)展了眾多的設(shè)備和應(yīng)用方案。

智能化開關(guān)柜是在普通開關(guān)柜基礎(chǔ)上，大范圍的利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)字模擬信號(hào)處理以及傳感器等技術(shù)的最新研究結(jié)果，通過網(wǎng)絡(luò)電力儀表、智能檢測(cè)設(shè)備、新型智能化斷路器、微機(jī)智能保護(hù)等設(shè)備，達(dá)到了對(duì)功率、功率因數(shù)、電壓、電流、頻率、電能計(jì)量等電氣數(shù)據(jù)參數(shù)以及對(duì)斷路器的分合狀態(tài)、手車的位置、開關(guān)柜的溫濕度信息、故障信息進(jìn)行監(jiān)視；對(duì)斷路器和接地刀的分合狀態(tài)、手車位置和開關(guān)柜的溫濕度進(jìn)行控制，通過網(wǎng)絡(luò)通訊接口與中央控制室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 中壓開關(guān)柜的智能化技術(shù)改造過程

2.1 操作的自動(dòng)化

這是智能化的初級(jí)階段，這是中壓開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。這一階段以開關(guān)柜的操作自動(dòng)化、程序化為目標(biāo)，即開關(guān)柜可以通過預(yù)先設(shè)置的一些程序，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)行狀態(tài)之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。對(duì)于固定柜來說這一目標(biāo)較為容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于手車柜卻一直是一個(gè)瓶頸。隨著各類電動(dòng)操作手車柜的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了各類型中壓開關(guān)柜操作自動(dòng)化的全覆蓋，也為中壓開關(guān)柜真正實(shí)現(xiàn)智能化奠定了基礎(chǔ)。

2.2 在線監(jiān)測(cè)和自診斷技術(shù)

這是開關(guān)柜智能化階段，這一階段以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜智能監(jiān)控為目標(biāo)，即將柜內(nèi)安裝的各類傳感器采集的開關(guān)柜運(yùn)行中的各種電參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、特性參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等，通過智能控制裝置的集中處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜自身狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)、診斷分析和故障預(yù)警、故障定位等功能。

2.3 配電系統(tǒng)的研究

這是在前兩個(gè)階段的基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化為目標(biāo)，即以單柜的智能化開關(guān)柜為基本組成單元，使每個(gè)配電室、開閉所等形成一個(gè)個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò)，可以完成包括日常巡視、事故預(yù)警、故障點(diǎn)隔離、負(fù)荷管理（節(jié)能管理）、運(yùn)行方式優(yōu)化調(diào)整等智能化管理功能。

3 改造的內(nèi)容

3.1 自動(dòng)操作功能

中壓開關(guān)柜的自動(dòng)操作功能是指斷路器、隔離（負(fù)荷）開關(guān)和接地開關(guān)三部分除了能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)分合閘操作外，三部分之間的順序操作也能自動(dòng)完成，而且可以按照預(yù)設(shè)的程序，或者控制裝置提出的指令，實(shí)現(xiàn)指定的操作步驟。對(duì)于固定類開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)三部分操作的自動(dòng)化、程序化并不困難，但對(duì)于手車柜，由于是以手車的移動(dòng)來代替隔離開關(guān)的分合操作，而影響手車移動(dòng)的各種因素較復(fù)雜，因此相對(duì)于固定安裝的隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)手車移動(dòng)的自動(dòng)控制需要考慮的問題也較多：

3.1.1 自適應(yīng)控制

根據(jù)檢測(cè)電動(dòng)操作過程中電機(jī)電流的數(shù)值來推斷手車進(jìn)出或接地開關(guān)分合過程的工作位置，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩，使電動(dòng)操作的全過程均處于最優(yōu)可控狀態(tài)，減少電機(jī)出現(xiàn)故障頻率

3.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軟啟動(dòng)和軟停止。

通過降低電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，減少配電容量，同時(shí)減少起動(dòng)應(yīng)力，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命。電機(jī)的平穩(wěn)的起動(dòng)和軟停止避免電機(jī)受啟動(dòng)時(shí)沖擊電流損傷和防止電壓跌落影響其他元器件正常工作，能有效精確地控制電機(jī)啟動(dòng)和停止過程。

3.1.3 分段變速控制

即通過電機(jī)的實(shí)現(xiàn)多檔分段變速來控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，保證手車及接地開關(guān)在達(dá)到設(shè)定的參數(shù)位置時(shí)，以安全低度運(yùn)轉(zhuǎn)，避免機(jī)構(gòu)設(shè)備之間因高速運(yùn)行沖撞變形而使機(jī)械壽命縮短。

3.1.4 釋放應(yīng)力控制

即手車進(jìn)出或者接地開關(guān)分合到位后，可控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)釋放應(yīng)力，有效避免電動(dòng)機(jī)構(gòu)變形和電機(jī)堵轉(zhuǎn)。

3.1.5 自動(dòng)退位控制

在電動(dòng)操作過程出現(xiàn)故障時(shí)，能根據(jù)視頻或感應(yīng)功能檢測(cè)到手車或接地開關(guān)所處的狀態(tài)，同時(shí)自動(dòng)智能的回到安全位置或由維修人員發(fā)送操作指令回到指定安全位置。

3.2 開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)是目前世界電力技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)研究對(duì)象。開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)需具備先進(jìn)的傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)在開關(guān)柜實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用與研究。所以，找出可行的檢測(cè)技術(shù)設(shè)備和辦法，包括在設(shè)備絕緣檢測(cè)以及電氣、機(jī)械和物理數(shù)據(jù)等研究，對(duì)開關(guān)實(shí)現(xiàn)智能化是非常關(guān)鍵的一個(gè)過程。

智能化改造前的開關(guān)柜，一般都是以機(jī)械制造為主線，確保開關(guān)機(jī)械動(dòng)作可靠正常，然后輔以二次保護(hù)功能的開關(guān)柜。這種開關(guān)柜，只保證機(jī)械特性而無法檢測(cè)其自身狀態(tài)，需要人工巡視、操作或故障檢查及經(jīng)驗(yàn)來判斷其狀態(tài)，因此，已不適應(yīng)今后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況及智能化需要，開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以分為運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和設(shè)備性能的監(jiān)測(cè)。

運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容包括電流、電壓、母線溫度等參數(shù)；斷路器分合閘狀態(tài)、儲(chǔ)能狀態(tài)、接地開關(guān)分合閘狀態(tài)、帶電狀態(tài)等運(yùn)行狀態(tài)信息；運(yùn)行環(huán)境（溫、濕度）信息，以及運(yùn)行過程中出現(xiàn)的局部放電、氣體泄漏（GIS 柜）等信息。

設(shè)備性能的監(jiān)測(cè)主要是斷路器特征參數(shù)的監(jiān)測(cè)、絕緣件的絕緣狀態(tài)，以及一些輔助電機(jī)、加熱裝置等的狀態(tài)。

斷路器特征參數(shù)包括真空度、機(jī)械特性，如分(合)閘時(shí)間、觸頭行程、超行程、開距、分(合)閘不同期性、分(合)閘速度等、分(合)閘線圈電流、觸頭的電磨損、輔助開關(guān)觸點(diǎn)、絕緣和儲(chǔ)能電機(jī)電流等。

3.3 視頻獲取

智能開關(guān)柜內(nèi)，在斷路器室，母線室處均安裝有攝像頭。通過安裝的攝像裝置，根據(jù)開關(guān)柜工作時(shí)的視頻圖像能夠方便的幫助檢修工作人員知道開關(guān)柜里面的工作狀態(tài)。在斷路器或者地刀等機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作時(shí)，可通過視頻圖像確認(rèn)操作是否到位。

4 智能化控制系統(tǒng)的研究

傳統(tǒng)的開關(guān)柜對(duì)保護(hù)功能的要求只需對(duì)電流、電壓等電氣參數(shù)和部分狀態(tài)量進(jìn)行處理，根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)出分合閘指令。而智能開關(guān)柜由于需要對(duì)安裝在開關(guān)柜內(nèi)的大量的傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)處理的結(jié)果進(jìn)行故障的診斷、分析和開關(guān)的自動(dòng)化操作，因此傳統(tǒng)的開關(guān)柜保護(hù)裝置已無法適應(yīng)開關(guān)柜智能化的需要。

智能化的開關(guān)柜實(shí)際上是一個(gè)智能的微系統(tǒng)，由傳感器、前置機(jī)和后臺(tái)機(jī)組成。與傳統(tǒng)的前置機(jī)僅僅是一個(gè)數(shù)據(jù)采集處理單元不同的是，智能開關(guān)柜的前置機(jī)不僅僅執(zhí)行對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和上傳功能，而且需要執(zhí)行后臺(tái)機(jī)下發(fā)的控制指令，對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制，并協(xié)調(diào)設(shè)備彼此間的工作。同時(shí)為了使管理界面更為清晰，在斷路器上還可以設(shè)置專門的數(shù)據(jù)處理終端，通過RS485 網(wǎng)絡(luò)與開關(guān)柜前置機(jī)連接。

智能開關(guān)柜的后臺(tái)機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、故障診斷、控制指令的下發(fā)、系統(tǒng)管理等功能。與傳統(tǒng)的保護(hù)裝置不同的是，智能開關(guān)柜的后臺(tái)機(jī)不但能對(duì)本柜的設(shè)備進(jìn)行管理，而且可以通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)柜與柜之間的通信和數(shù)據(jù)交換，使不同開關(guān)柜之間形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)配電系統(tǒng)的智能化。

5 結(jié)論

智能化后的開關(guān)柜在總體設(shè)計(jì)方案、綜合性能上具有領(lǐng)先水平，產(chǎn)品機(jī)械壽命等技術(shù)指標(biāo)方面均優(yōu)于同類產(chǎn)品，同時(shí)在視頻監(jiān)視、絕緣及母線監(jiān)測(cè)和柜內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整合等技術(shù)方面已經(jīng)成熟。實(shí)踐表明，智能化后的開關(guān)柜綜合性能達(dá)到了領(lǐng)先水平，能適應(yīng)國(guó)家電網(wǎng)智能化發(fā)展的需要，符合國(guó)家對(duì)開關(guān)柜產(chǎn)品的要求，而且可以為用戶對(duì)配電設(shè)備監(jiān)控提供有效支持，減少維護(hù)工作量，提高供電的可靠性。因此智能化開關(guān)柜具有良好的社會(huì)效益，市場(chǎng)前景十分廣闊。

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