CN105207361A - 智能化中压开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了智能化中压开关设备，包括操作机构、中央控制器，以及分别与该中央控制器交互的智能监测单元、智能识别单元、智能控制单元，该智能检测单元用于电量参数的监测、环境参数的监测和操作机构机械特性的监测，智能识别单元用于设备的运行参数进行显示和记录，智能控制单元用于断路器在实验位与工作位之间移动的自动控制、断路器及接地开关分合闸的自动控制、故障报警与诊断。本发明智能化中压开关设备既具有传统开关柜的功能，又具有智能化监测、自我故障诊断等功能，可以就地分析和处理开关柜的状态，完成相应的动作，并遵照IEC61850协议由光纤将开关柜中的信息上传到一体化信息平台。

Description

智能化中压开关设备

技术领域

本发明涉及开关设备，尤其是一种智能化中压开关设备。

背景技术

参考图1所示，目前，智能化中压成套开关设备，由于采用多个单一元件设备来实现智能化功能，而单一元件设备由不同的生产厂家制造，所以，其***的匹配往往无法达到最佳状态，产品的协调可靠性差。此外，电力***中压开关设备普遍存在一、二次***相对独立和二次***功能分散、冗余等问题。这造成了开关成套设备的体积大，材料消耗大，生产、制造、调试、运行维护、检修等工作量大，技术要求高。

开关柜是电力***中重要的控制设备之一。电力市场与电网建设的迅猛发展，对开关设备功能提出了更高要求，具有信息采集、信息处理、判断、决策和执行功能的智能化开关需求越来越大。开关设备的总体发展趋势是在向大容量、高电压、智能化、组合化、小型化、无油化、免维护和远程故障诊断技术等方向发展，同时信息技术将全面渗透到输配电技术和设备中。特别是国家提出智能电网建设后，进一步加剧电力设备市场的激烈竞争，单纯制造一次设备或二次设备、无智能化研发能力、跟不上市场潮流的电力设备制造企业最终难逃淘汰厄运，只有不断提高一二次设备整体设计实力、提高***解决方案综合配套能力的企业，才能在优胜劣汰中存活。

传统中压开关柜主要是由断路器、互感器、隔离刀闸、避雷器和二次设备等组成，完成电流、电压数据采集、继电保护、数据上传等功能。断路器和二次设备之间的断路器位置信号、控制信号等信息的传输通过控制电缆完成，形成了变电站内电缆沟和电缆层中庞大的二次电缆群。

开关设备采取定期检修模式，主要技术手段是开关设备的定期预防性试验，实践证明，除与运行时间有关的故障模式占主导地位以外，大多情况下定期检修只能增加发生故障或缺陷的概率，降低运行设备的可靠性。

定期检修造成的停电往往影响了供电可靠性和售电量。目前，全社会对供电可靠性的要求越来越高，大量定期检修所需要安排的停电时间也越来越难，随着《中华人民共和国电力法》的普及和深入，停电所造成电力用户的损失要实施赔偿制度，给定期检修制度带来了不可避免的冲击。

因此传统中压开关柜的运行、检修模式与供电可靠性、运行维护人员紧缺的矛盾日益突出，已不能满足智能电网的发展需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可以根据开关的状态和电网的运行模式，自动选择最佳模式进行控制与保护的智能化中压开关设备。

本发明采用的技术方案是：

智能化中压开关设备，包括操作机构、中央控制器，以及分别与该中央控制器交互的智能监测单元、智能识别单元、智能控制单元，该智能检测单元用于电量参数的监测、环境参数的监测和操作机构机械特性的监测，智能识别单元用于设备的运行参数进行显示和记录，智能控制单元用于断路器在实验位与工作位之间移动的自动控制、断路器及接地开关分合闸的自动控制、故障报警与诊断，所述中央处理器通过网络与本地服务器交互、以及经本地服务器与远程客户端交互。

进一步，所述中央控制器由ARM主机和DSP从机组成，该ARM主机控制流程包括以下步骤：（A1）读取配置文件；（A2）设置轮询间隔；（A3）启动轮询函数；（A4）当到达轮询时间，通过SPI下发采集命令给DSP从机；（A5）查询SPI状态；（A6）接收DSP上传数据；（A6）通过socket调用61850接口以传输数据至本地服务器；所述DSP从机控制流程包括以下步骤：（B1）初始化DSP；（B2）SPI等待接收ARM主机下发的命令；（B3）判断是否为预设的指令，若是则进入下一步，否则继续等待；（B4）解析命令；（B5）向指定的监测设备发送命令；（B6）智能控制单元执行采集命令进行数据采集；（B7）整合、筛选数据；（B8）通过SPI上传筛选后的数据给ARM主机。

进一步，所述智能检测单元包括电量监测子单元、局部放电监测子单元、母线/触头温度监测子单元、操作机构故障监测子单元。

进一步，所述智能控制单元包括闭锁控制子单元和柜体智能控制子单元，该闭锁控制子单元用于防止误分与误合断路器、防止带负荷拉/合隔离开关、防止带电合接地线、防止带接地线合断路器、防止误入带电间隔；所述柜体智能控制子单元用于控制接地开关开合、加热/排风、以及控制小车工作。

进一步，所述智能化中压开关设备还包括一***电源，该***电源采用开关电源，该开关电源包括依次连接的变压器、线性稳压芯片、线性电压调节芯片。

进一步，所述智能化中压开关设备还包括一检测单元用的低电压电源，该低电压电源包括依次连接的电流互感器、整流电路、滤波稳压电路、DC-DC模块，该电流互感器直接从断路器触点导电板或母线上取电。

本发明的有益效果：

1）基于物联网和移动互联网，可实现远程操控、现场状态可视化，和监测主机设备的可移动化。更安全，更方便，更节省资源。

2）实现一、二次设备的大融合，解决了一、二次***分离和二次***功能分散等问题，由于采用“一体化”的设计思路，二次设备能够做到一次设备“量身定做”，二次***的IED在设计上更加注重信息化和互动化，做到保护、测量和在线监测等功能的融合。

3）引入新的电力电子设备和新型传感器，可编程软件的运用，集成化更高，使用更简单方便，将开启新时代的大门，引领新时代的智能中压开关成套设备。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1是中压开关设备的发展趋势分布图；

图2是本发明的智能化中压开关设备原理框图；

图3是中央控制器的软件控制流程图；

图4是低电压电源的结构图。

具体实施方式

如图2所示，为本发明的智能化中压开关设备，包括操作机构（未示出，包括断路器、互感器、隔离刀闸、避雷器等）、中央控制器（智能开关柜IED），以及分别与该中央控制器交互的智能监测单元、智能识别单元、智能控制单元。各单元之间交互的通信部分包括CAN网络接口、RS-485网络接口、RS-232接口、以太网接口、RFID以及ZigBee无线通信技术。智能监测单元将监测到的信息通过CAN总线或485总线传送到智能开关柜IED，同时智能识别单元通过RFID模块识别开关柜的设备信息，经过MCU处理，进行相应的动作，遵循IEC61850协议与服务中心进行通信，实现远程监控功能。

其中，该智能检测单元用于电量参数的监测、环境参数的监测和操作机构机械特性的监测，智能识别单元用于设备的运行参数进行显示和记录，智能控制单元用于断路器在实验位与工作位之间移动的自动控制、断路器及接地开关分合闸的自动控制、故障报警与诊断，所述中央处理器通过网络与本地服务器交互、以及经本地服务器与远程客户端交互。

如图3所示，所述中央控制器由ARM主机和DSP从机组成的双CPU结构，以双CPU为控制核心，在***分别搭建CAN网络接口、RS-485网络接口、RS-232接口、以太网接口、RFID模块，采用IRIG-B码对时提供精确统一的时间基准。本智能柜充分考虑电磁干扰对设备的影响，电源部分进行设计时对各供电线路进行了分区隔离。

该ARM主机控制流程包括以下步骤：（A1）读取配置文件；（A2）设置轮询间隔；（A3）启动轮询函数；（A4）当到达轮询时间，通过SPI下发采集命令给DSP从机；（A5）查询SPI状态；（A6）接收DSP上传数据；（A6）通过socket调用61850接口以传输数据至本地服务器；

所述DSP从机控制流程包括以下步骤：（B1）初始化DSP；（B2）SPI等待接收ARM主机下发的命令；（B3）判断是否为预设的指令，若是则进入下一步，否则继续等待；（B4）解析命令；（B5）向指定的监测设备发送命令；（B6）智能控制单元执行采集命令进行数据采集；（B7）整合、筛选数据；（B8）通过SPI上传筛选后的数据给ARM主机。

其总体流程是一个无限循环。每次循环都将不停地查询开关柜的状态、按键的状态以及其他各个输入，送给MCU处理，从而使得MCU实时输出各种控制信号，最后清除看门狗（DOG）计数器，以确认***正常运转。

具体的，所述智能检测单元包括电量监测子单元、局部放电监测子单元、母线/触头温度监测子单元、操作机构故障监测子单元，上述子单元具体硬件为电流/电压传感器、气体传感器、温/湿度传感器、红外传感器、霍尔传感器。

所述智能控制单元包括新“五防”闭锁控制子单元和柜体智能控制子单元，该闭锁控制子单元用于防止误分与误合断路器、防止带负荷拉/合隔离开关、防止带电合接地线、防止带接地线合断路器、防止误入带电间隔；所述柜体智能控制子单元用于控制接地开关开合、加热/排风、以及控制小车工作。

所述智能化中压开关设备还包括一***电源，该***电源采用开关电源，该开关电源包括依次连接的变压器、线性稳压芯片、线性电压调节芯片，首先变压器将输入的交流220V转换成直流5V，然后通过线性稳压芯片MIC29502BU转换成3.3V，最终通过线性电压调节芯片LM1117-ADJ将3.3V电压转换为1.5V和1.9V，作为CPU工作电源、通信驱动电源、液晶屏电源及信号显示电源等。

由于开关柜内高电压条件限制，监测单元的电源必须由内部提供，采用蓄电池等固定能量的供电方式均无法保证***的长期运行。根据断路器触点和母线的温度升高时有电流流过的特征，采用电磁感应原理直接从断路器触点导电板或母线上获得监测单元的低电压电源。

该低电压电源包括依次连接的电流互感器、整流电路、滤波稳压电路、DC-DC模块，该电流互感器直接从断路器触点导电板或母线上取电，此专用电流互感器采用坡莫合金为铁芯，可保证小电流时铁芯正常励磁、大电流时铁芯饱和，从而提供了变化幅度较小的感应电压（9~24V），感应电压经过限压、整流和二次稳压后获得稳定的＋5V电源电压输出。

关于智能检测单元用于电量参数的监测、环境参数的监测和操作机构机械特性的监测机械特性监测设计，至少包括以下几项：

(1)行程-时间曲线测量

断路器的行程-时间曲线是表征其机械特性的重要参数。该参数的监测主要是通过采用分析其变化来发现较多的机械故障隐患，并可预测可能的故障部件。测试方法主要有电磁振荡器或转鼓仪法、滑线变阻器配合光线示波器法、光栅式位移传感器法及直线传感器或角传感器法等。目前，用直线传感器(滑线变阻器)或角度传感器(转角电位器)配合微电脑式开关特性测试仪进行智能化特性检测已成为最为普及的测试手段，其测试的直观性、准确性和可操作性均远远优于前期阶段的非电气型传感器。

(2)触头关合/刚分时刻测量

触头关合/刚分时刻的确定对分合闸速度、分合闸时间和触头行程的计算非常重要。在离线的情况下，该时刻可以通过在断口上加辅助回路来获得。而在负载情况下，触头处于高电位，无法直接测量得到。振动信号检测是一种非侵入式的监测手段。传感器安装于断路器的接地部分，对断路器的正常运行无任何影响。此外，振动传感器体积小、重量轻，安装方式比较简单。振动信号中包含了丰富的状态信息，可以通过不同的信号分析方法加以提取。

(3)分合闸线圈电流的测量

分合闸线圈电流不正常可以反映出机构卡涩、开关分合闸是否到位等异常情况。这些异常情况都可以从线圈电流波形及数据上反映出来。线圈电流信号的测量要求实时性很高，因此需要选用磁平衡式霍尔电流传感器作为分合闸线圈电流信号的在线监测器件。

随着智能电网建设向纵深推进，开关设备正朝着信息化、自动化和智能化的方向全面发展。本文主要介绍中压开关柜的智能化解决方案，采取在开关内安装传感器的方式，实现开关柜的在线监测，通过隔离/接地开关、断路器的电动操作实现开关柜的程序化操作，通过一、二次设备的大融合，实现了智能化中压开关设备的一体化，使其可以在一个紧凑的开关柜完成一条线路的测控、保护及开关状态监测等多个功能，并实现零序电流电压的高速采样及接地故障诊断等功能。

智能高压开关柜既具有传统开关柜的功能，又具有智能化监测、自我故障诊断等功能，可以就地分析和处理开关柜的状态，完成相应的动作，并遵照IEC61850协议由光纤将开关柜中的信息上传到一体化信息平台。智能开关柜可以减少巡行人员的巡视次数，实现无人值守，且投资小、免维护、抗干扰能力强，为实现智能变电站打下了坚实的基础，应用前景非常广泛。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.智能化中压开关设备，其特征在于：包括操作机构、中央控制器，以及分别与该中央控制器交互的智能监测单元、智能识别单元、智能控制单元，该智能检测单元用于电量参数的监测、环境参数的监测和操作机构机械特性的监测，智能识别单元用于设备的运行参数进行显示和记录，智能控制单元用于断路器在实验位与工作位之间移动的自动控制、断路器及接地开关分合闸的自动控制、故障报警与诊断，所述中央处理器通过网络与本地服务器交互、以及经本地服务器与远程客户端交互。

2.根据权利要求1所述的智能化中压开关设备，其特征在于:所述中央控制器由ARM主机和DSP从机组成，该ARM主机控制流程包括以下步骤：（A1）读取配置文件；（A2）设置轮询间隔；（A3）启动轮询函数；（A4）当到达轮询时间，通过SPI下发采集命令给DSP从机；（A5）查询SPI状态；（A6）接收DSP上传数据；（A6）通过socket调用61850接口以传输数据至本地服务器；所述DSP从机控制流程包括以下步骤：（B1）初始化DSP；（B2）SPI等待接收ARM主机下发的命令；（B3）判断是否为预设的指令，若是则进入下一步，否则继续等待；（B4）解析命令；（B5）向指定的监测设备发送命令；（B6）智能控制单元执行采集命令进行数据采集；（B7）整合、筛选数据；（B8）通过SPI上传筛选后的数据给ARM主机。

3.根据权利要求1所述的智能化中压开关设备，其特征在于:所述智能检测单元包括电量监测子单元、局部放电监测子单元、母线/触头温度监测子单元、操作机构故障监测子单元。

4.根据权利要求1所述的智能化中压开关设备，其特征在于:所述智能控制单元包括闭锁控制子单元和柜体智能控制子单元，该闭锁控制子单元用于防止误分与误合断路器、防止带负荷拉/合隔离开关、防止带电合接地线、防止带接地线合断路器、防止误入带电间隔；所述柜体智能控制子单元用于控制接地开关开合、加热/排风、以及控制小车工作。

5.根据权利要求1所述的智能化中压开关设备，其特征在于:其还包括一***电源，该***电源采用开关电源，该开关电源包括依次连接的变压器、线性稳压芯片、线性电压调节芯片。

6.根据权利要求1或5所述的智能化中压开关设备，其特征在于:其还包括一检测单元用的低电压电源，该低电压电源包括依次连接的电流互感器、整流电路、滤波稳压电路、DC-DC模块，该电流互感器直接从断路器触点导电板或母线上取电。