智能開關(guān)柜在線監(jiān)控的研究與應(yīng)用

(河北工程大學(xué)信電學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

智能開關(guān)柜在配電系統(tǒng)[1]中的重要地位是不可替代的。它起到線路的開通使用、關(guān)斷退出、檢測(cè)排除故障線路等主要的監(jiān)控和保護(hù)作用，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。智能開關(guān)柜在線監(jiān)控的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，使傳統(tǒng)離線預(yù)防性試驗(yàn)得到條件上的改善和技術(shù)上的突破。將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在原有的開關(guān)柜，形成新型的智能化配電開關(guān)柜[1]。在滿足其原有功能的前提下，新技術(shù)的使用能夠達(dá)到自檢、自控和自我診斷的要求，符合配電網(wǎng)綜合智能化自動(dòng)化的要求。

1 監(jiān)控單元的硬件部分

新型配電監(jiān)控[2]模塊配置主要由模擬量采集、開關(guān)量輸入(出)模塊、鍵盤和顯示模塊、通信模塊、主控模塊等基本單元構(gòu)成。功能實(shí)現(xiàn)的主要流程如下。電流回路串聯(lián)于電流互感器二次回路。電壓回路并聯(lián)于電壓測(cè)量回路，通過電流互感器、電壓形成電路、低通濾波器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，將各設(shè)備的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓值，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。各通道信息經(jīng)中央處理單元計(jì)算，如出現(xiàn)異常信息，便發(fā)出執(zhí)行跳閘的信號(hào)，同時(shí)記錄事故發(fā)生的時(shí)間、性質(zhì)、故障點(diǎn)等一系列相關(guān)信息，達(dá)到對(duì)設(shè)備監(jiān)控保護(hù)的目的。通過人機(jī)接口控制儀表可以實(shí)現(xiàn)鍵盤的操作和顯示模塊的管理，而通信模塊則在上位機(jī)向下位機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，可將相關(guān)信息立即發(fā)送至所需部位。

1.1 模擬量采集模塊

在系統(tǒng)實(shí)施運(yùn)行過程中，需實(shí)時(shí)采集一系列設(shè)備電參量(如供電電壓、線路電流、有功功率等)來達(dá)到線路保護(hù)和監(jiān)控的目的。根據(jù)CPU測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由計(jì)算結(jié)果可以得知系統(tǒng)實(shí)時(shí)的運(yùn)行情況，還可以依據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行控制操作。采集模擬信號(hào)的過程為：將220/380 V，5 A的二次電壓、電流信號(hào)，通過交流互感器[3]，轉(zhuǎn)換為-5 V到+5 V之間的弱電信號(hào)；后經(jīng)高精度的運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。最后經(jīng)低通濾波電路濾波，傳送給后一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路。

1.2 開關(guān)量輸入(出)模塊

開關(guān)量的輸入信號(hào)來自設(shè)備的輔助常開接點(diǎn)，便于分辨設(shè)備的狀態(tài)。設(shè)備輸入的開關(guān)量包括如斷路器的合(分)閘狀態(tài)；開關(guān)量輸出有系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生故障時(shí)的報(bào)警提示信號(hào)等。本文開入和開出回路的設(shè)計(jì)是分開的，優(yōu)點(diǎn)是具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性。

1.3 人機(jī)接口單元

人機(jī)接口(man machine interface,MMI)單元是一個(gè)富于人性化的智能終端，是配電監(jiān)控模塊、操作者進(jìn)行信息交換的重要環(huán)節(jié)。操作者一方面可以通過MMI方便地對(duì)裝置進(jìn)行一些操作；另一方面能根據(jù)MMI模塊的提示信息快速地對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分

采用模塊化設(shè)計(jì)方法不僅思路清晰、目的明確，在檢錯(cuò)、調(diào)試時(shí)具有較大的優(yōu)勢(shì)，而且有良好的移植性和擴(kuò)充性。本文以10 kV智能化高壓開關(guān)柜為例，軟件設(shè)計(jì)建立在模塊化結(jié)構(gòu)任務(wù)調(diào)度機(jī)制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的應(yīng)用和可靠運(yùn)行。系統(tǒng)應(yīng)具備的功能有：系統(tǒng)初始值的設(shè)置、各種信號(hào)量的采集和處理、顯示各類監(jiān)測(cè)參量、報(bào)警操作和記錄、記錄原始參數(shù)和處理后的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)通信、故障信息等。

為了達(dá)到系統(tǒng)要求[4]，軟件系統(tǒng)應(yīng)由主程序、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、本地錄波模塊、報(bào)警模塊、故障判斷及通信模塊等組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主程序流程圖

① 信號(hào)采集

在產(chǎn)品運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生許多相關(guān)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和存儲(chǔ)，方便以后查詢使用。

② 數(shù)據(jù)處理

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之后，就要對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的分析處理，并形成一定的表現(xiàn)形式，以便工作人員可以隨時(shí)了解情況。

③ 菜單操作

當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作處理或檢查維修時(shí)，在系統(tǒng)主程序中會(huì)產(chǎn)生鍵盤中斷，菜單操作發(fā)生作用，從而對(duì)工作人員的操作進(jìn)行識(shí)別并執(zhí)行相應(yīng)的程序。

④ 通信處理

負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)幀的解釋和處理、待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的構(gòu)造和發(fā)送以及通信超時(shí)處理等。

采用優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)是可以將具有獨(dú)立功能的任務(wù)當(dāng)做一個(gè)模塊；可以按照不同功能的需要改變其相關(guān)部位，其他程序不必修改，只需修改與其有相聯(lián)的地方即可。這在很大程度上降低了軟件維護(hù)的工作量，加強(qiáng)了程序的可讀性。

3 機(jī)械特性參數(shù)測(cè)量與結(jié)果分析

由于試驗(yàn)條件的限制，該在線監(jiān)測(cè)裝置并沒有在10 kV高壓開關(guān)柜的實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，而是在開關(guān)柜主回路不帶電的情況下，對(duì)柜內(nèi)斷路器動(dòng)觸頭行程[5]等進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出分合閘平均速度。通過串行通信接口將信息發(fā)送到PC機(jī)，根據(jù)機(jī)械特性曲線來計(jì)算特性參數(shù)的結(jié)果。

3.1 測(cè)試背景

測(cè)試使用的是萬相品牌斷路器樣機(jī)，其型號(hào)為ZN28-12/T1250-31.5高壓真空斷路器。該斷路器出廠的機(jī)械特性參數(shù)為：分閘時(shí)間≤0.06 s，合閘時(shí)間≤0.2 s；平均分閘速度0.9～1.5 m/s，平均合閘速度0.4～0.8 m/s；開距(11±1) mm，超行程(觸頭彈簧壓縮長度)(4±1) mm。采用電流、角位移傳感器采集動(dòng)觸頭的行程-時(shí)間曲線[6]、分合閘線圈電流信號(hào)。這些數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)后自動(dòng)進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算或處理。

3.2 機(jī)械特性參數(shù)計(jì)算

本文依據(jù)行程-時(shí)間特性曲線計(jì)算機(jī)械特性參數(shù)。斷路器分閘和合閘的行程曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 分閘機(jī)械特性參數(shù)曲線

圖2中，S1為分閘時(shí)的動(dòng)觸頭行程，S3為緩沖器行程(由傳感器測(cè)量并通過轉(zhuǎn)換)；S2為超行程(斷路器機(jī)械特性參數(shù))；D1為觸頭開距，D1的計(jì)算公式為D1=S1-S2，D2的計(jì)算公式為D2=S1-S3-S2；t1為動(dòng)觸頭剛分到接觸緩沖器的時(shí)間。

圖3 合閘機(jī)械特性參數(shù)曲線

要測(cè)量斷路器的分閘速度，就要先選定測(cè)量區(qū)間[7]。動(dòng)觸頭接觸緩沖器后，速度大幅減小，其時(shí)間相對(duì)斷路器的開斷造成的影響較低，可以不必考慮。因此，本文選定測(cè)量區(qū)間為剛分到接觸緩沖器前，即圖2中D2內(nèi)的平均分閘速度。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

斷路器分、合閘監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)果比較如表1、表2所示[7]。測(cè)試儀選擇由武漢恒電高測(cè)電氣有限公司生產(chǎn)的、具有高壓開關(guān)機(jī)械特性的HDGK-T測(cè)試儀。

表1 分閘時(shí)測(cè)試值與測(cè)試儀測(cè)量值的比較

表2 合閘時(shí)測(cè)試值與測(cè)試儀測(cè)量值的比較

需要注意的是，按照機(jī)械特性參數(shù)，超行程觸頭彈簧壓縮長度都取3.2 mm。

比較表1和表2不難得出，實(shí)際測(cè)試值和儀器測(cè)量值有很好的可比性。系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)與準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在可允許誤差范圍之內(nèi)，可以得到真空斷路器的機(jī)械特性曲線及設(shè)備運(yùn)行情況。由此可知此開關(guān)柜能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)械特性運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的功能。

4 結(jié)束語

高壓開關(guān)柜在配電系統(tǒng)保護(hù)中的用途是不可替代的，因此必須具有良好的可靠性，并能在線監(jiān)控開關(guān)柜的運(yùn)營情況。本文提出的高壓開關(guān)柜將設(shè)計(jì)的監(jiān)控單元與相應(yīng)的軟件相結(jié)合，能夠保證工作的可靠度，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控的目的。

[1] 葛少云，何文濤，劉洪，等.中壓配電系統(tǒng)供電模型綜合評(píng)價(jià)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(13)：104-109.

[2] 苗保紅，于慶瑞，趙治平.中壓智能開關(guān)柜用電動(dòng)操作控制裝置的開發(fā)[J].電工電氣，2011(2)：55-57.

[3] 張亞萍，李煜浩，曹琥，等.基于智能配網(wǎng)的智能化配電柜設(shè)計(jì)[J].云南電力技術(shù)，2011，39(4)：76-77.

[4] 高明華，王冬，王學(xué)峰，等.智能變電站設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].山東電力技術(shù)，2011(1)：18-21.

[5] 陸儉國，李奎，杜太行，等.塑殼斷路器可靠性理論與驗(yàn)證試驗(yàn)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012,27(5)：180-185.

[6] 劉志學(xué).帶有自動(dòng)重合閘功能的斷路器失靈保護(hù)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012(1)：147-151.

[7] 程顯，段雄英，廖敏夫，等.混合斷路器大電流開斷過程中真空電弧與SF6電弧相互作用的仿真[J].高電壓技術(shù)，2012(6)：1529-1536.