配電網戶外智能微機控制器的研究與應用

王彥

鄂爾多斯電業局伊金霍洛供電分局 內蒙古鄂爾多斯 017200

機電一體化的斷路器是配電網中的重要元件。為了提高其可靠性，保證配電網的安全運行，在實現變電站自動化和無人值守時，將微機保護、遠動和測量等自動化功能就地分散到開關設備上，并對其本身的主要參數進行在線檢測，結合人工智能專家系統進行在線故障診斷，使之成為智能化斷路器，是高壓開關設備一個嶄新的發展方向[1]。

1 智能化單元的總體結構

智能化單元是智能斷路器的核心部分，主要完成信號檢測、測量、保護、控制與保護動作出口、故障診斷與報警，并將實時參數遠傳至監控主機供其集中管理與監控，并可進行更高級和復雜的專家系統診斷。它直接安裝于斷路器內的小間隔內。由于戶外斷路器運行環境惡劣，處于強電磁干擾、強振動環境下，為保證其工作的可靠性，單元外殼需采用多重金屬密閉防護結構。

智能化單元內部結構如圖1所示，其中MCU為高性能的Inte187C196KC—16/20。為記錄故障發生前后波形，外擴一片62256（32KB×8）。MAX197A為單電源、多量程、八路輸入帶內部采樣/保持、時鐘、基準電壓的信號采集系統，轉換時間6.0μs。X25043將Watchdog定時器、上電復位控制器與512BE2PROM集成到單個芯片內，MAX487E為128路RS-485驅動器。其他部分由ATF1500可編程邏輯陣列實現。該硬件結構為開放式，對配電網各點的不同要求（如輻射點、環網點、電流型、電壓型），微機控制器的硬件軟件完全一致，可以互換，不同功能可以通過軟件開關設置。

圖1 智能化的單元硬件結構

電氣電路采用多級隔離，并設二級Watchdog電路提高抗干擾性能。第一級為MCU內置WDT電路，可以防止程序偶爾鎖死，在MCU本身正常的情況下，自動恢復工作。第二級為X25043提供的外置WDT電路，在第一級失效時（尤其是MCU本身已經損壞的情況下）強行復位，并封鎖輸出電路，保證在MCU故障時開關不會誤動作。

2 斷路器參數的在線檢測

斷路器的參數分為電力系統的參數和斷路器本身的參數兩部分，電力系統的參數主要包括常規的測量與保護信號，如電流、電壓、頻率、有功功率和無功功率等，用以反映負荷情況。斷路器本身的參數包括母線連接處溫度、脫扣回路斷線、機構動作時間、彈簧儲能時間、真空滅弧室真空度或SF6氣體壓力、溫度與濕度等，用以反映斷路器本身的運行狀況[2]。

2.1 本體參數的檢測

（1）母線連接處溫度。母線連接處通過大電流，若接觸不良會導致該處溫度不正常升高，危及斷路器的可靠運行。在此采用LM35集成溫度傳感器、LM331電壓/頻率變換器，由87C196KC的T2CLK進行計數，定時讀入計數值，再換算成溫度值。（2）操作機構性能。及時發現斷路器操作機構的潛在危險，有利于配電網的安全運行，消除隱患。操作機構性能的在線檢測可利用斷路器的位置輔助接點、彈簧儲能輔助接點或脫扣回路串入電阻，經光電隔離進入開關量輸入電路，由CPU進行定時計數，與規定值比較，如差異大，則告警或發信號至監控中心。（3）內部溫度濕度。為了反映斷路器的工作環境，需檢測其內部溫度和濕度。一般用相應的傳感器與配套電路來實現。信號經光電耦合與V/f轉換后，再由MCU計數。

2.2 電力參數的檢測

信號來自電流互感器TA和電壓互感器TV，為了實現故障錄波與有功、無功功率計算等功能，需直接交流采樣。在本智能化開關控制器中，采用圖1所示電路對有關參數進行檢測。由于電流測量與電流保護信號取自不同的TA，其精度范圍與精度等級不同，需采用各自的二次變換器，從不同的A/D通道送入微機。由于微機對所有信號巡回檢測，通道之間必然存在延遲，為保證功率計算準確，必須保持同一瞬時的電流電壓值，因此采用四個采樣/保持器。另外，小電流接地系統中，零序TA來的電流信號極小，故從測量傳感器中輸入并多繞幾圈，可以保證對毫安級電流信號的反應能力。

3 故障診斷系統

控制器的軟件算法采用小電流接地系統中用作保護算法的積分法，其依據是正弦量的半周絕對值積分正比。智能單元內部實現的在線診斷，主要是為了提高對一些嚴重故障的快速反應。其他的復雜的診斷為上位主機定時收到各智能單元上傳各類參數后進行離線分析，用以消除隱患。本系統采用的故障診斷軟件。當負荷過大，觸點溫度過高，真空度或SF6氣體壓力過低，操作機構動作時間異常，分閘回路斷線以及斷路器運行環境惡化等現象出現，控制器均應發出預告信號，提示檢修，消除事故隱患，以免擴大成災難性事故。而對于斷路器外部如線路故障等，能記錄事故波形，且每次動作均有詳細的SOE記錄，運行人員可以全面了解其動作過程。通過離線分析軟件，計算各諧波分量與故障位置，以便快速查找事故原因與事故定位[3]。

4 結語

本控制器及其配套自動化系統已在我國各地配電變電站安全運行兩年多。特別是與某農電開關廠合作研制了若干套自備操作電源、紅外遙控裝置的微機智能重合控制器,現已在江西、湖南等地掛網運行,完全取代了進口自動重合器。