智能變電站斷路器與二次設備融合技術深化研究及裝置研製

編者按：為減輕斷路器等一次高壓開關設備的智能控制器的信息處理量，同時為簡化二次配線，實現一二次設備的有效融合，提高一次設備的智能化水平。本文提出了一種實用的智能斷路器的控制器，智能斷路器的控制器不僅具備就地分、合閘控制功能，同時還可具備本機構的測量和監測功能。智能斷路器的控制器將監測到的信息數據就地數位化後經光纖上傳至狀態監測系統，可使用戶更加直觀地操作斷路器等高壓開關設備，進而實現了斷路器的智能化。

作者 張一茗1 餘亞東1 李少華1 於同偉2 彭躍輝1 1. 河南平高集團有限公司(河南 平頂山 467001)2. 遼寧省電力科學研究院(遼寧 瀋陽 110006)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/361131.htm

張一茗(1983-)，男，工程師，研究方向：高壓開關設備智能化技術研究及產品研製。

摘要：為減輕斷路器等一次高壓開關設備的智能控制器的信息處理量，同時為簡化二次配線，實現一二次設備的有效融合，提高一次設備的智能化水平。本文提出了一種實用的智能斷路器的控制器，智能斷路器的控制器不僅具備就地分、合閘控制功能，同時還可具備本機構的測量和監測功能。智能斷路器的控制器將監測到的信息數據就地數位化後經光纖上傳至狀態監測系統，可使用戶更加直觀地操作斷路器等高壓開關設備，進而實現了斷路器的智能化。

引言

　  斷路器一般由觸頭系統、滅弧系統、各種脫扣器和開關機構等主要部分組成^[6-9]，實現斷路器的智能化多為實現高壓開關設備的一二次設備融合。

　　本文利用微電子技術和計算機控制技術實現了對斷路器一次設備的智能化的設計，提出了一種集測量、保護、控制、通訊和故障記憶於一體的智能控制器的實現方法，通過接收斷路器當前的各種類型的數據信息，有選擇性地進行智能判斷，從而做出相應智能操作。

1 斷路器等一次設備的智能化實現方法

　　圖2給出了智能機構控制器的示意圖。在圖2中，該智能機構控制器能夠及時響應分、合閘信號;具備防跳閉鎖功能;能夠及時切斷分、合閘線圈電流;能夠在分合閘電容器電壓過低時閉鎖分、合閘信號，使斷路器不能進行分、合閘操作;能夠在線路上出現過電流、過電壓、欠電壓時及時分閘，並能夠向監控中心發出警告信號等。可通過RS-485總線通信方式實現斷路器與主控器的雙向通信，構成智能化監控、保護和信息網絡系統。

2 智能斷路器的創新性設計與實現

　　假設圖2為智能斷路器的控制器實現圖，依據簡化設計、模塊化設計和防幹擾設計的方針，筆者對智能斷路器的開入系統和開出系統進行了創新性設計。

2.1 開入系統的創新性設計與實現

　　在斷路器的智能化方面需要實時監測到斷路器的分、合閘狀態，氣壓閉鎖狀態，彈簧儲能/未儲能狀態，油壓閉鎖狀態等開關量。在現場變電站環境中，傳統的開入迴路抵禦電磁幹擾信號的能力較弱^[10-12]，為使開入量能夠更好地輸入，筆者結合相關文獻，採用光電隔離技術進行創新性設計，使外迴路與智能控制器上的迴路通過光耦進行電氣上的隔離，避免將外迴路的電磁幹擾引入控制器內，提高控制器的可靠性。圖3給出了開入模塊的設計示意圖。

　　在圖3中，I部分為開入模塊的過電壓保護部分，II部分為開入模塊的降壓環節，III部分為光電隔離環節。其中，RV1、RV2和RV3是靈敏度較高的壓敏元件;D1、D4是將220V直流量進行鉗位的降壓二極體;T1是抗幹擾能力較高的光電隔離模塊。顯然，本文設計的開入模塊集過電壓保護、降壓和光電隔離於一體，抗電磁幹擾能力強、無觸點、壽命長、響應速度快。因而，在智能設備上得到了廣泛的應用。

2.2 開出系統的創新性設計

　　現階段，開出系統存在多種模型，本文討論的典型開出系統有繼電器式、接觸器式和IGBT式。通過實踐證明，總結了表1所示的這三種開出系統的優缺點。

　　由表1可知，在相同環境下，以IGBT為主的開出系統性能更加可靠。在實際的電力系統運行時，IGBT的開出速度達到了微秒級，不會出現粘連故障而引起的斷路器的拒分拒合現象。傳統的分合閘線圈在斷開斷路器時，都會產生較大的反電動勢^[13]，設計IGBT開出迴路後，分合閘線圈必然在斷開IGBT時會產生強大的反電動勢，如何快速的釋放分合閘線圈的反電動勢是IGBT快速關斷和保證分合閘線圈安全可靠的關鍵。因此，本文結合現有技術條件，設計了一套完整的開出控制系統。圖4給出了開出控制系統圖。

　　圖4中，I部分為開出系統的220V供電環節;II部分為IGBT的驅動輸入環節。其中，C2為供電環節的儲能電容，為分合閘線圈提供激勵電流;U1為典型的IGBT的驅動晶片，不僅具有IGBT的驅動功能，還具有光電隔離功能;Q1為開關頻率較高的IGBT，能夠在幾個微秒的時間內分合斷路器。

3 智能斷路器系統的架構設計與實現

　　一個完善的智能斷路器系統，軟體和硬體的關係是緊密相關的，能夠在斷路器平臺上設計出一個功能完善、性能出色的軟體系統來彌補某些致命性缺陷，降低產品成本^[14-15]，實現斷路器功能的完善、提高產品的可靠性。筆者根據功能需求在斷路器平臺上設計了能夠實現系統運行參數的設置、分、合閘狀態控制、Modbus通信部分、狀態採集部分、分析判斷部分、狀態指示部分及運行日誌部分等功能。

3.1 智能斷路器系統的整體方案設計與實現

　　智能斷路器系統的整體設計方案採用模塊化設計的思想，為實現上述功能，整體方案的主程序流程圖如圖5所示。

　　在程序運行前需要完成對整個系統的初始化工作，以確保整個系統軟體中各個子程序的功能實現及系統運行的穩定性。在進行初始化配置時需要在程序工程項目中添加ST公司提供的固件函數庫，實現對相應寄存器及外設的驅動^[16-17]。系統及外設初始化包括時鐘、嵌套向量中斷控制器、GPIO口、ADC轉換、定時器初始化配置、各通信接口及外圍電路模塊的初始化配置。