高壓開關設備智能化發展綜述

施苗根，毛旭昱，李文靜，蘭加成，王 偉

（杭州凱達電力建設有限公司，浙江杭州 310000）

高壓輸電線路的安全性與穩定性直接關系到終端用戶的供電質量，尤其在能量轉換率、自然氣候環境、設備投入成本等多重因素的影響下，高壓輸電線路的在線實時監控難度越來越大，無形當中也縮短了高壓輸電設備的使用壽命。而基于STM32F103微控制器原理設計的智能高壓開關設備對輸電線路實現了數字化、網絡化、可視化管理，這不僅解決了供電線路穩定性差、故障率高的難題，同時，也滿足了終端用戶的供電需求。

1 基于STM32F103微控制器原理的智能高壓開關設備硬件結構與性能

該智能高壓開關設備將STM32F103微控制器作為主控單元，兼容5 V 的I/O 管腳，最高工作頻率能夠達到72 MHz，同時，出于對節能降耗的考慮，該控制單元具有睡眠、停機與待機3種模式，并自帶A/D 轉換器與多個快速I/O 口。其硬件結構主要包括：主控芯片、取電模塊、輸出電流測量模塊、輸出電壓測量模塊以及顯示模塊等，其工作流程如圖1所示。

圖1 基于STM32F103微控制器原理的智能高壓開關設備工作流程

1.1 主控芯片

主控芯片選用的是STM32F103芯片，其中，芯片內核采用ARM32位的Cortex-M3 CPU，最高工作頻率為72 MHz；存儲器為64 kb 或128 kb 的閃存程序，還有高達20 kb 的SRAM。

時鐘、復位和電源采用2.0～3.6 V 供電和I/O 引腳，上電/斷電復位（POR/PDR）、可編程電壓監測器（PVD）。該單片機有80個快速I/O 端口：26/37/51/80個I/O 口，所有I/O 口可以映像到16個外部中斷；幾乎所有端口均可容忍5 V 信號；并設置9個通信接口，包含2個I2C 接口，3個USART 接口和2個SPI 接口。

1.2 取電模塊

該模塊采用的是QC629取電互感器，這種卡扣式互感器最為明顯的優勢是便于安裝和拆卸，一旦互感器出現故障，維修人員能夠快速完成拆卸與維修工作，這就大幅節省了設備維修成本。互感器內徑為50 mm，在室溫環境下，取電互感器可以正常工作。該取電互感器主要用于10 kV 控制柜的供電使用，取電電流介于100～1 500 A，獲取的功率值始終在50 W以上，同時，內置12 V/35 A 大容量磷酸鐵鋰電池，具有功率密度大體積小、過充不燃燒、不爆炸、放電持久、充放電壽命1 500～2 000次等優點。裝置采用純正弦波逆變電源，最大功率可達500 W，最高峰值可達1 000 W。為了獲取更多的數據參量，在設計該模塊時，選取了不同的取電電流，并對模塊的輸出功率進行測試和監控。

1.3 輸出電流與輸出電壓測量模塊

出于對方便主控芯片測量的考慮，輸出電流采用放電電流互感器，該互感器能夠將放電電流縮小為原來的1/1 000，縮小后的電流經過電阻以后能夠形成電壓信號，該信號仍為交流電壓信號，只有經過運放等組成的整流電路才能將交流信號轉變成為直流信號。而電壓互感器與相關電路將逆變器輸出的220 V 交流電縮小，1SS226三極管將電壓穩定在一個區間范圍之內，這時，電路能夠保持正常工作狀態，當交流信號經過整流電路后，則轉變成為直流信號。

1.4 顯示模塊

顯示模塊采用LM6063液晶顯示屏，通信通道主要借助于Jtag 插座與主控芯片，該模塊在進入工作狀態以后，可以對充電電流、輸出電壓、放電電流與輸出功率四個參數進行實時顯示，這樣一來，更有利于終端操作人員開展設備運行狀態監測工作。除顯示以上參數信息以外，LCD 顯示屏還能夠顯示出電壓電流、電池的實時充電情況與逆變器輸出的電壓電流信息，通過對這些數據信息的監測，可以準確判定出各輸出與輸入設備的實際運行狀態。

2 智能高壓開關設備的主要技術特征

2.1 測量數字化

測量數字化主要是對電力系統中的高壓開關設備的運行狀態以及各項功能參數進行數字化測量，以確定設備是否處于正常的運行狀態。其中，數字化測量系統由多個智能型模塊構成，在模塊執行測量與監控任務時，能夠將測量數據直接傳輸給站控層網絡或者過程層網絡，在共享網絡的支持下，測量信息可以實現共享。比如在測量變壓器油溫及開關設備分、合閘位信息時，如果變壓器油溫過高，或者開關設備處于合閘狀態，該測量裝置都可以將最終的測量數據反饋給智能終端，終端操作人員根據反饋結果可以快速判斷出設備運行過程中出現的故障，或者存在的問題。這種數字化、智能化的測量方式為電力系統的安全穩定運行提供了強大的技術保障。

2.2 控制網絡化

控制模塊作為高壓開關設備的重要組成部分，主要對開關設備的運行過程進行有效控制，而這種控制方式主要是基于網絡通信協議來執行程序指令，其控制對象主要包括變壓器冷卻裝置控制、有載分接開關控制等。控制方式主要是通過智能組件對高壓設備與站控層設備進行智能控制。控制的先后順序是：站控層設備、智能組件、就地控制器。由于網絡化控制模式具有靈活性特征，因此，在對高壓開關設備進行控制時，能夠完成傳統控制模式無法完成的任務。比如在節能降耗理念提出以后，電力企業對變壓器冷卻系統的節能效果也提出了更高的要求，但是，如果利用傳統的控制模式控制冷卻系統的運行，節能效果差強人意，而利用網絡化控制技術，能夠對變壓器的負載能力進行有效控制，節能效果也逐步突顯出來。另外，如果利用網絡化控制技術對開關設備中的斷路器合閘相位予以控制，能夠有效防止涌流與過電壓現象的發生。

2.3 狀態可視化

智能高壓開關設備中的顯示模塊可以將設備的運行狀態參數展現在顯示屏上，這時，終端操作人員可以借助于顯示屏上的信息，及時獲取設備啟動以后的各項運行參數。其中，“狀態”主要是指設備的處于運行模式下的可用狀態，比如設備運行是否穩定、控制狀態是否正常、負載能力是否滿足標準要求等。終端操作人員如果掌握了這些信息，可以提前制訂出電網運行的優化策略以及故障應急處理預案，建立了這種事前防范機制，才能延長高壓開關設備的使用壽命，電網運行的安全性能才能得到切實改善。比如高壓開關設備智能組件的自診斷、自評估與自描述功能，可以對設備的可靠性狀態、運行控制狀態、負載狀態進行監測，監測結果可以直接體現在顯示模塊上，而終端操作人員不需要獲取大量的過程信息與原始數據，只需要從這些結果數據當中便可以快速判斷出高壓開關設備的運行狀態是否正常，這不僅減少了站控層網絡的信息流量，同時，也使智能組件的互換性與互操作性得到真實體現。

2.4 信息互動化

高壓開關設備在運行過程中，將產生大量的運行信息，由于這些信息之間存在一種必然的交互關系，所以才能保證開關設備的安全穩定運行，這種信息互動化是智能高壓開關設備的一個顯著特征。比如智能組件通過站控層網絡將設備的可靠性狀態、控制狀態、運行狀態與負載能力狀態等信息直接傳輸到調控系統，這時，技術人員可以根據接收到的信息針對高壓開關設備故障制訂故障應急響應預案，進而將故障損失降到最低點。另外，高壓設備的可靠性運行狀態信息與生產管理系統之間的信息互動過程，可以確定電力系統運行狀態是否正常，而檢修人員可以結合這些信息來編制檢修計劃，這就給電力系統的高效穩定運行奠定了堅實保障。

2.5 功能集成化

設計人員在植入傳感器與執行器時，需要事先制訂智能高壓開關設備的運行目標，這一目標與狀態感知軟件、指令響應軟件有著密切聯系。如果傳感器、執行器與高壓設備無法匹配，那么設備的功能性也將嚴重缺失，這對電力系統的正常運行將產生諸多不利影響。以變壓器繞組光纖測溫傳感器為例，如果設計人員已經事先設計出了傳感器模型，但在加裝時卻與設備出現了不兼容的情況。而功能集成化實際上屬于一種較為先進的制造技術，尤其在微電子技術迅猛發展的今天，傳感器、執行器的體積越來越小，功能越來越強大，在這一背景之下，高壓開關設備中的一些智能組件都可以實現集成化。這樣，既可以減少變電站的占地面積，同時，也大幅降低了設備發生絕緣故障的概率。因此，功能集成化特征也將成為智能高壓開關設備區別于其他開關設備的一個分水嶺。

3 高壓開關設備智能化發展前景

3.1 智能傳感技術

過去，電力系統多使用電磁式互感器，這種互感器動態范圍小，如果電流過大，其二次保護裝置將難以識別出電力系統的故障隱患，并且輸出信號需要敷設電纜到二次設備，這就需要進行二次轉換才能將信號轉化為數字量。另外，一旦CT 開路產生高壓，將直接危及現場作業與電力設備的安全。而隨著數字技術、PLC 技術、電子技術的迅猛發展，光電傳感器這種智能化的傳感器逐步在電力系統當中得到普遍推廣和應用，該技術以現代光纖作為信號傳輸載體，可以將電力系統的電信號快速轉變成為光信號。比如法拉第傳感器，通過對該傳感器在275 kV 變電站故障定位監測系統中的應用效果可以看出，被測電流高達50 kA，適用的溫度區間介于-20～+80 ℃之間，監測精度為1.5%，一旦變電站出現故障隱患，利用該傳感器可以快速確定故障的準確位置，這就給故障排除爭取了大量時間。與電磁式傳感器相比，光電傳感器具有絕緣簡單可靠、無二次開路危險、抗電磁干擾有力強、安裝維修簡便高效等優勢，因此，這種智能化的傳感器在高壓開關設備當中得到廣泛應用。

3.2 微機處理技術

微處理器時代的到來使微機處理技術得到迅猛發展，隨著該技術的日漸成熟，在高壓開關設備的測量、運算、決策、控制、保護等領域，也逐步表現出智能化特征。雖然微機系統安裝在高壓開關設備內部，但是，由于體積小、功能全，使得高壓開關設備的智能化特征表現的尤為明顯。比如智能化斷電保護功能、電量實時監控功能、開關設備運行狀態功能，為電力系統的安全運行提供了強大的技術支持。以智能化電力開關柜為例，這種開關柜利用微機處理技術可以對采集的各類信息進行加工、分析、判斷、處理。其中，前置處理單元主要將電力信號轉變為數字量，并通過邏輯運算來發出報警、跳閘、操作等執行動作；而后置管理單元則主要負責對事故的記錄與各種數據信息的打印工作，這就使電力系統的動作執行與終端管理完美地銜接在一起。

3.3 在線監測與故障診斷技術

在線監測與故障診斷技術的產生距今已有近50a的歷史，該技術經過不斷演化和改進，如今已經形成了一個獨立的技術體系，并且監測與診斷范圍逐步擴大。比如在線監測內容包括對電壓、電流、功率等基本運行參數的監測，故障診斷技術可以對電力系統的過電流、過電壓、短路、斷路、接地等故障進行診斷，一旦發現故障隱患，智能組件將自動發出故障預警信號，檢修人員可以根據故障類型與部位及時啟動故障應急處理方案，進而最大限度地降低因故障隱患而造成的經濟損失。在線監測與故障診斷系統結構組成如圖2所示。

圖2 在線監測與故障診斷系統結構組成

從圖2可以看出，在線監測與故障診斷系統主要由三部分組成，即信號變送系統、數據采集系統以及處理和診斷系統。智能高壓開關設備如果具有這三種系統的基本特性，開關設備的狀態監控與檢修也將朝著智能化與自動化方向發展，這就給電力企業節省了大量的人力資源成本、能源消耗成本以及設備維修成本。

4 結束語

高壓開關設備作為電力系統的關鍵設備，其智能化水平直接關系到整個電網的安全性與穩定性，因此，電力企業應當始終秉持“與時俱進、持續創新”的態度，對現有的高壓開關設備的運行技術、控制技術、故障監測與診斷技術不斷予以改進和創新，以實現經濟效益與社會效益雙豐收的美好愿景。