10kV斷路器智能化關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司建湖縣供電分公司 周紅軍 吳東寧 沈 勝 丁 勇

1 引言

斷路器是電力系統(tǒng)重要組成部分，可以執(zhí)行電力線路的電流操作，并及時(shí)接通和斷開(kāi)。因此，斷路器的正常操作是電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要條件[1]。

2 智能斷路器

智能斷路器是由自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)代微電子數(shù)字技術(shù)、新型傳感器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)組成的新型二次斷路器。新型傳感器與數(shù)字控制裝置兼容，并自采集工作數(shù)據(jù)，可以分析斷路器的工作狀態(tài)、修改斷路器的操作過(guò)程、數(shù)據(jù)和顯示斷路器的功能以及檢查設(shè)備錯(cuò)誤，并在缺陷損壞之前發(fā)出警報(bào)，以避免發(fā)生事故。斷路器操作所需的信息由安裝在電源系統(tǒng)中的數(shù)字控制設(shè)備直接處理，并獨(dú)立于變電站級(jí)控制系統(tǒng)在本地運(yùn)行，具有真空斷路器的一般功能，并且具有理論知識(shí)、判斷知識(shí)和操作知識(shí)[2]。

3 高壓斷路器智能化技術(shù)

3.1 智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1.1 斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)技術(shù)

機(jī)械特性監(jiān)測(cè)原理。機(jī)械特性監(jiān)測(cè)原理包括開(kāi)合速度、超程、開(kāi)合距離和行程，以及開(kāi)合時(shí)間共同決定了每種特征的水平。當(dāng)觸頭的開(kāi)閉速度過(guò)高時(shí)，在接觸過(guò)程中，會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的擾動(dòng)和應(yīng)力，從而導(dǎo)致電氣系統(tǒng)的機(jī)械接觸。此外，斷路器的超程、開(kāi)路距離和行程等參數(shù)可以確定其接觸器的安全性是否滿足要求[3]。

t1～t2相：當(dāng)在t1接收到閉合指令時(shí)，斷路器開(kāi)始工作，斷路器僅在t2處接觸；斷路器僅于t2處接觸；t2～t3階段：在t2-t3期間，由于慣性和非慣性，觸點(diǎn)開(kāi)始反彈，直到其能量充滿。根據(jù)該曲線可以獲得該反彈和超程時(shí)間，然后可以確定水力模型是否良好。t3～t4相：觸點(diǎn)看起來(lái)穩(wěn)定，閉合順序完整。連接斷路器的分閘位移和力矩之間的關(guān)系如圖2所示。

t1～t2階段：檢修時(shí)斷路器觸頭開(kāi)始分閘，t2時(shí)斷路器觸針到達(dá)自動(dòng)分閘位置；t2～t3相：斷路器呼叫連續(xù)性；t3～t4相：在t3時(shí)，斷路器的觸點(diǎn)達(dá)到分閘距離的臨界點(diǎn)，觸點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致高速，因此不能及時(shí)停止在此位置。為了防止接觸損壞，漸開(kāi)線起始點(diǎn)和接觸返回點(diǎn)，直到接觸速度最終降至零，其穩(wěn)定性在開(kāi)口點(diǎn)。

研究機(jī)械系統(tǒng)的特性。不同的因素可以影響不同的特性，并且所有的特性都不能預(yù)測(cè)或確定斷路器的操作時(shí)間。

變更的含義。開(kāi)放距離：運(yùn)動(dòng)和靜態(tài)接觸取決于靜止位置時(shí)的最大距離；超程：從接觸開(kāi)始到閉合順序結(jié)束的距離；行程：斷路器開(kāi)路距離和超程之間的平衡。

信號(hào)密度的內(nèi)容。最大合閘速度：合閘時(shí)觸頭的最大速度；平均閉合速度：80%的行程在閉合前接觸過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)的平均速度；最大分閘速度：分閘動(dòng)作時(shí)觸頭的最大速度；平均開(kāi)啟速度：開(kāi)啟前6個(gè)月接觸力移動(dòng)的平均速度。

時(shí)間信號(hào)的含義。閉合時(shí)間：從電流流過(guò)控制閉合的線圈到閉合過(guò)程完成的時(shí)間；超時(shí)開(kāi)關(guān)：從電流流過(guò)控制開(kāi)關(guān)的線圈到開(kāi)關(guān)結(jié)束的時(shí)間；差分時(shí)間：三相觸點(diǎn)的開(kāi)/關(guān)時(shí)間之間的最大差。

3.1.2 觸頭溫升監(jiān)測(cè)技術(shù)

由于電弧造成接觸線的電損耗，觸點(diǎn)的溫度急劇升高。因此，有必要監(jiān)測(cè)點(diǎn)火系統(tǒng)的溫度，以確定觸點(diǎn)是否處于良好狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了功率成本，并且可以輸出電源。互認(rèn)系統(tǒng)具有運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)需轉(zhuǎn)換、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。大電流長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)接觸位置，因此很難獲得數(shù)據(jù)。為了確保可在不影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下監(jiān)測(cè)觸點(diǎn)的溫度，本文采用無(wú)線通信模式獲取觸點(diǎn)的溫度。

3.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)濾波是監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，可以將智能設(shè)備的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析以各種方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行備份和顯示。

4 斷路器智能化裝置硬件設(shè)計(jì)

4.1 智能化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著智能信號(hào)的應(yīng)用，電力系統(tǒng)向高壓、大機(jī)組、大容量方向發(fā)展，電站朝著無(wú)維護(hù)、智能化的方向普及，系統(tǒng)在智能監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。所有技能包括智能監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、故障信息系統(tǒng)和故障診斷等功能，并對(duì)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，以便在軟件之間發(fā)送到智能計(jì)算機(jī)。斷路器嚴(yán)格按照IEC61850協(xié)議。

智能變電站采用“三層兩網(wǎng)”模式，建立統(tǒng)一的通信和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所謂“三層”是指系統(tǒng)層、系統(tǒng)段層和車(chē)站層，“兩網(wǎng)”是指在系統(tǒng)層和車(chē)站管理層之間的網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)電站的供電進(jìn)行監(jiān)控，由智能和智能監(jiān)控裝置組成。可以通過(guò)智能設(shè)備完成電量檢測(cè)、供電控制和電量分配的任務(wù)。延時(shí)系統(tǒng)位于系統(tǒng)層和車(chē)站層之間，實(shí)現(xiàn)了電源的繼電保護(hù)、記錄和切換協(xié)議功能。智能電子控制系統(tǒng)分為三個(gè)部分：系統(tǒng)層、系統(tǒng)段和站控層。上位機(jī)采用JPower200軟件開(kāi)發(fā)，與南方電網(wǎng)相連，并在本文中使用。

4.2 智能化裝置硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

溫度接收接觸器的溫度，在光耦分離后，通過(guò)主控制芯片讀取。

4.3 微處理器

選用St公司引進(jìn)的StM32F407ZEt6芯片，可以用于控制浮動(dòng)函數(shù)流，如小波變換、FFt和FIR，從而提高效率。與常用的tMS320F28335相比，該芯片具有成本低、功耗小、電壓保護(hù)好等優(yōu)點(diǎn)，具有功耗低、功耗低、電壓保護(hù)性能好等優(yōu)點(diǎn)。以下是StM32F407ZEt6的功能：

一是高頻范圍為168MHz，報(bào)告周期僅為5.95ns，芯片核心和I0端口之間的電源支持1.8V至3.6V；二是通信能力強(qiáng)，具有4個(gè)USARt、2個(gè)UARt（10.5 Mbps）和2個(gè)CAN接口；

A/D和DMA數(shù)據(jù)處理模塊：將測(cè)量來(lái)自16個(gè)其他源的信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)行一次采樣、連續(xù)采樣、掃描或連續(xù)操作，相鄰兩個(gè)樣本的短時(shí)僅為100us，系統(tǒng)的頻率限制為100us。

溫度傳感器接收StM8L151芯片作為微處理器，該芯片是一個(gè)8位低功耗處理器，最大支持16MHz的工作頻率，由32KB閃存和2KB RAM組成。該芯片有四個(gè)電路，包括SPI、端口和IIC等通信設(shè)備。該芯片最大的優(yōu)點(diǎn)在于功耗低，當(dāng)需要操作時(shí)，單片機(jī)通過(guò)寄存器管理從低功耗轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)的操作模式。

4.4 信號(hào)采集傳感器設(shè)計(jì)

在比較不同傳感器的基礎(chǔ)上，選擇線位移傳感器獲取斷路器的行程信號(hào)選用KSF-50微滑塊傳感器，具有體積小、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。可以測(cè)量5～50mm的距離，線性自由度精度高達(dá)0.3，最大工作速度為5m/s，工作溫度為-30～125℃，傳感器的參數(shù)完全滿足集成斷路器的移動(dòng)性特性。

支架由螺釘固定，因此探頭可靠且靠近凹槽。斷路器工作時(shí)，曲柄臂槽中的傳感器探頭隨曲柄臂的移動(dòng)而移動(dòng)，移動(dòng)方向均基于曲柄臂，從而輸出傳感器的輸出信號(hào)。用于微處理器監(jiān)控。

5 斷路器智能化裝置軟件設(shè)計(jì)

5.1 主程序設(shè)計(jì)

其主要由數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信模塊組成，系統(tǒng)由自動(dòng)時(shí)鐘模塊和外圍模塊組成[4]。主程序流程圖如圖5所示。

發(fā)電機(jī)開(kāi)啟后，通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)環(huán)電氣系統(tǒng)和開(kāi)閉電流轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可以確定電機(jī)是否工作。當(dāng)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，調(diào)用B代碼分析子程序來(lái)獲取操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并采用A/D DMA干擾模式來(lái)采集和傳輸模擬通道的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸完成后，DMA接口關(guān)閉。聯(lián)系基于輸出模型的函數(shù)將樣本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存陣列中，并調(diào)用濾波程序算法來(lái)濾除干擾噪聲。過(guò)濾后，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序計(jì)算斷路器的動(dòng)態(tài)特性并打包。

5.2 分合閘采樣子程序

通過(guò)確定電流是否流過(guò)開(kāi)口賬戶狀態(tài)和開(kāi)口線圈，可以確定斷路器是否發(fā)生開(kāi)口操作。同時(shí)，斷路器是否閉合取決于電流是否流過(guò)斷開(kāi)狀態(tài)和閉合線圈。根據(jù)繼電保護(hù)規(guī)則，一般來(lái)說(shuō)，斷路器內(nèi)部問(wèn)題大多是“長(zhǎng)”型的，永久性問(wèn)題不到10%。因此，在通過(guò)繼電保護(hù)斷路器終止故障后，可以恢復(fù)電弧放電和短路絕緣。作為一種繼電保護(hù)策略，自動(dòng)停機(jī)的時(shí)間間隔通常為0.3s。如果電源故障消除，電源將不再接通；否則，故障可被視為永久性故障，斷路器可在盡可能短的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)和閉合。當(dāng)斷路器發(fā)生故障時(shí)，在斷路器斷開(kāi)后，為了確定故障是否穩(wěn)定，斷路器將在斷開(kāi)后0.3s再次閉合。如果故障是永久性的，斷路器將在閉合后第一次再次斷開(kāi)。

5.3 儲(chǔ)能電機(jī)子程序

儲(chǔ)能電機(jī)為斷路器的打開(kāi)和關(guān)閉操作提供電源。通常，在電機(jī)關(guān)閉操作后，電機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)開(kāi)始電動(dòng)操作，并驅(qū)動(dòng)彈簧存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)能量。電機(jī)存儲(chǔ)子程序的流程圖如圖6所示。

5.4 小波去噪子程序

將第一分解階段設(shè)置為1，分析比較接收尺度系數(shù)的噪聲。如果量化函數(shù)不足以指示噪聲特性，則對(duì)其進(jìn)行初始化，將1添加到分解級(jí)別，然后執(zhí)行下一個(gè)分解，并重復(fù)上述步驟，直到分解的量化結(jié)果可以看到噪聲中包含的特征。在去除噪聲后，高效地重構(gòu)信號(hào)，最終得到去噪后的信號(hào)。

5.5 無(wú)線通信模塊子程序

當(dāng)接收溫度高于傳統(tǒng)溫度時(shí)，將縮短信息傳輸?shù)臅r(shí)間限制，并防止由于故障而獲得的溫度信息不完整的問(wèn)題。如果指令正確，向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，并開(kāi)始記錄傳入郵件中的溫升。如果三次收到的所有信息都錯(cuò)誤，則應(yīng)命令切斷從機(jī)。

5.6 CAN通信子程序

斷路器的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)CAN通信方式傳輸。并將CAN配置為發(fā)送模式，當(dāng)指令分別根據(jù)開(kāi)戶狀態(tài)、打開(kāi)和關(guān)閉中的一種時(shí)，電機(jī)存儲(chǔ)功率或觸點(diǎn)溫升指南，并將相關(guān)文件打包分發(fā)。在傳輸錯(cuò)誤的波形數(shù)據(jù)時(shí)，采用分包的方法，從而提高了傳輸效率和準(zhǔn)確性。一旦收到消息，出現(xiàn)三個(gè)連續(xù)錯(cuò)誤，將被確認(rèn)為通信故障，必須及時(shí)調(diào)試和處理。

6 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的10kV電網(wǎng)線路框架短路斷路器存在許多問(wèn)題。一方面設(shè)備的操作有限；另一方面，對(duì)電子產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)面影響，不適合電子產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。因此，各地區(qū)電力部門(mén)對(duì)10kV電網(wǎng)供電的實(shí)時(shí)性問(wèn)題越來(lái)越重視，對(duì)其認(rèn)識(shí)不斷加深，為群眾提供優(yōu)質(zhì)供電，智能升級(jí)真空斷路器，并嚴(yán)格控制電氣、輸電和電流設(shè)備，這不僅減少了設(shè)備的損壞，而且提高了電氣設(shè)備的質(zhì)量，以智能方式增強(qiáng)了真空斷路器的效率，提高能源供應(yīng)質(zhì)量。