新型HGIS智能化開(kāi)關(guān)的應(yīng)用

徐元興+++包紅旗+++汪彥++程華明

摘 要：隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，研制適合我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)范的HGIS系統(tǒng)是我們面臨的任務(wù)。文章介紹了HGIS智能化開(kāi)關(guān)的概念、設(shè)計(jì)思想和HGIS開(kāi)關(guān)智能綜合控制器的主要功能及其市場(chǎng)應(yīng)用前景。HGIS智能化開(kāi)關(guān)是在開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的發(fā)展而成，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度自動(dòng)化、微機(jī)保護(hù)以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)“三合一”。文章結(jié)合實(shí)例論述了HGIS智能化開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的特征，它的應(yīng)用促進(jìn)了緊湊型模塊化變電站的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：HGIS開(kāi)關(guān)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；模塊化變電站

隨著社會(huì)科技的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，有著國(guó)家工業(yè)“血液”之稱(chēng)的電力行業(yè)也作出了相應(yīng)的規(guī)劃，具有占地少、自動(dòng)化程度高、維護(hù)量小、對(duì)環(huán)境影響小的緊湊型變電站也就應(yīng)運(yùn)而生，并得到了廣泛地使用。這就要求作為變電主要設(shè)備之一的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備也要更加緊湊。HGIS作為這類(lèi)開(kāi)關(guān)的典型設(shè)備，迎合了新型變電站發(fā)展的要求。中電新源（北京）高壓電力設(shè)備有限公司推出的HGIS系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、穩(wěn)定可靠、智能化等特點(diǎn)得到了用戶的青睞。文章將以他們的HGIS系統(tǒng)為例，對(duì)HGIS智能化開(kāi)關(guān)進(jìn)行闡述。

1 概述

隨著人們生活對(duì)電話電力輸求的不斷增加，變電站變得越來(lái)越多，越來(lái)復(fù)雜，點(diǎn)地面積也相應(yīng)增大，不利在城市中建設(shè)，，接線的復(fù)雜化也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。HGIS系統(tǒng)正是為了適應(yīng)這些需求而得以誕生發(fā)展，目前HGIS已向智能化方向發(fā)展。如圖1，它將單間隔的斷路器，刀閘，控制器等集于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，大大地簡(jiǎn)化了接線。

圖1 智能化HGIS系統(tǒng)圖

HGIS智能化主要是在兩層面上得到了發(fā)展，一個(gè)是間隔層上采用了現(xiàn)代先進(jìn)小型化的傳感器嵌入到HGIS開(kāi)關(guān)各個(gè)部件的內(nèi)部，與開(kāi)關(guān)本身融為一體。能夠方便，精確地采集到開(kāi)關(guān)運(yùn)行的各種電氣物理量和影響開(kāi)關(guān)壽命的環(huán)境工況信息。這些信息就地?cái)?shù)字化上送到就地智能綜合控制器上的處理單元，進(jìn)行分析和狀態(tài)評(píng)估，然后得出相應(yīng)優(yōu)化的操作方案。另一個(gè)在站控層上甚至是在站間的智能化，主要是對(duì)HGIS開(kāi)關(guān)的運(yùn)作狀態(tài)進(jìn)行記錄，對(duì)比分析，給出專(zhuān)家分析建議，提高變電站二次系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

2 HGIS智能化設(shè)計(jì)思想

HGIS智能化開(kāi)關(guān)是在微機(jī)保護(hù)的基礎(chǔ)上，在過(guò)去保測(cè)裝置的基礎(chǔ)上增加了開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，連閉鎖裝置。實(shí)現(xiàn)了調(diào)度自動(dòng)化、微機(jī)保護(hù)以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)“三合一”。HGIS開(kāi)關(guān)智能化，可以大大減少定期檢查次數(shù)，實(shí)現(xiàn)有目的的檢修，減免因檢查而停電造成的損失和對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的人為傷害；可以節(jié)省保護(hù)和遙控設(shè)備所需的場(chǎng)地空間和大量的控制電纜，不但減少了成本，而且使繼電保護(hù)更加安全可靠；可以使變電站控制室從日常的“繁忙事務(wù)”中解脫出來(lái)， “集中精力”從事系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理。

將HGIS開(kāi)關(guān)裝置、采集開(kāi)關(guān)狀態(tài)物理量的傳感器和智能綜合控制器組合起來(lái)，采用屏蔽電纜或者光纖聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)HGIS開(kāi)關(guān)智能化。

2.1 采用監(jiān)控傳感器

HGIS智能化開(kāi)關(guān)采用的傳感器有：氣體密度測(cè)量傳感器；測(cè)量電壓電流的傳感器；用于斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)的傳感器；反映物理現(xiàn)象的傳感器（如：電弧放電、溫度、濕度等）。這些傳感器必須滿足高可靠性和壽命要求。

以中電新源智能電網(wǎng)科技有限公司推出的HGIS系統(tǒng)為例，其斷路器部分的主要傳感器見(jiàn)圖2。每組由一個(gè)FMU-B單元構(gòu)成。含A、B、C三相電流傳感器三個(gè)、分合閘線圈電流傳感器兩個(gè)，加速度傳感器一個(gè)。這些傳感器監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)及其范圍見(jiàn)表1。

2.2 HGIS開(kāi)關(guān)智能綜合控制器

HGIS開(kāi)關(guān)智能綜合控制器，就是把開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)的一切在線監(jiān)測(cè)功能；本間隔內(nèi)所有綜合自動(dòng)化要求的保護(hù)、測(cè)控、五防、通信功能；以及設(shè)置顯示人機(jī)界面功能集中在一個(gè)具有雙層結(jié)構(gòu)的密封金屬箱體內(nèi)見(jiàn)圖3，通過(guò)互為熱備用的雙光纖以太網(wǎng)接口，與變電站的上一級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)連接，完成數(shù)據(jù)交換和控制功能。箱體內(nèi)的各個(gè)功能部分由獨(dú)立的智能模塊各自完成，并通過(guò)通信有機(jī)連成一體。

3 HGIS開(kāi)關(guān)智能綜合控制器主要功能

HGIS開(kāi)關(guān)智能綜合控制器對(duì)監(jiān)測(cè)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)記錄，并經(jīng)過(guò)計(jì)算和邏輯判斷發(fā)出指令或報(bào)警。該系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)定（根據(jù)有關(guān)的規(guī)程、開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置判斷的閥值）、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、圖形顯示、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)校驗(yàn)、操作控制（手動(dòng)、自動(dòng)）、信息通訊等功能。其監(jiān)測(cè)的參數(shù)以及與之用來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能分述如下。

3.1 斷路器電壽命評(píng)估

斷路器的標(biāo)稱(chēng)電壽命一般為（KA）2次計(jì)算，測(cè)控柜通過(guò)采集每次保護(hù)跳閘時(shí)拉斷的故障電流進(jìn)行累計(jì)，并將累計(jì)值傳送到后臺(tái)監(jiān)控軟件或調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行顯示，用戶可以根據(jù)此累加值對(duì)開(kāi)關(guān)的電壽命進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，合理安排檢修工作。

已經(jīng)損失的電壽命=■I2

I：斷路器拉斷的故障電流

T：斷路器動(dòng)作次數(shù)

3.2 SF6狀態(tài)監(jiān)視

開(kāi)關(guān)氣室內(nèi)SF6氣體狀態(tài)會(huì)直接影響到斷路器內(nèi)部的絕緣狀況，當(dāng)氣壓過(guò)低時(shí)將引起設(shè)備對(duì)操作的閉鎖，因此對(duì)SF6氣體進(jìn)行監(jiān)視十分重要。SF6在不同條件下的介質(zhì)強(qiáng)度曲線如圖4所示：

SF6的溫度——壓力特性如圖5所示：

在不新增氣體分析設(shè)備的前提下，測(cè)控柜可以根據(jù)氣壓表輸出電流測(cè)得開(kāi)關(guān)的氣壓，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償計(jì)算后，將初次測(cè)得的氣壓值記入存儲(chǔ)器，并實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前為止的氣壓變化百分比傳到后臺(tái)軟件（取值精度受氣壓表制約，要求用戶使用高精度的氣壓表），用戶可以根據(jù)此值對(duì)壓力變化異常的開(kāi)關(guān)及時(shí)檢修。

3.3 開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況監(jiān)視

通過(guò)采集電機(jī)的運(yùn)行電流，開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)視系統(tǒng)就能得到電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。電機(jī)的運(yùn)行電流曲線如圖6所示：

在電機(jī)啟動(dòng)的瞬間有一次大電流沖擊，隨著電機(jī)的啟動(dòng)電流迅速減小，但是隨著儲(chǔ)能彈簧的儲(chǔ)能狀態(tài)變化，電機(jī)電流逐漸加大，當(dāng)彈簧儲(chǔ)能完成后，接點(diǎn)斷開(kāi)電機(jī)電源回路，電機(jī)電流消失。endprint

電流變化百分比=■×100%

I：當(dāng)前電機(jī)電流

In：出廠實(shí)驗(yàn)記錄電流值

時(shí)間變化百分比=■×100%

T：當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行時(shí)間

Tn：出廠實(shí)驗(yàn)記錄運(yùn)行時(shí)間

測(cè)控柜采集的電機(jī)電流為電機(jī)負(fù)荷最小時(shí)的運(yùn)行電流值，該值通過(guò)計(jì)算相鄰兩點(diǎn)電流采樣值的變化比來(lái)判斷，再通過(guò)與正常的電機(jī)電流及運(yùn)行時(shí)間的進(jìn)行對(duì)比，我們就能夠?qū)?chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)空轉(zhuǎn)、卡轉(zhuǎn)等情況進(jìn)行判斷。

3.4 刀閘操作機(jī)構(gòu)狀況監(jiān)視

在對(duì)刀閘進(jìn)行操作時(shí)，流過(guò)刀閘電機(jī)的電流與儲(chǔ)能電機(jī)的電流波形類(lèi)似，僅存在電流幅值和維持時(shí)間的不同，故對(duì)此波形采用和儲(chǔ)能電機(jī)電流相同的處理方法，提取出電機(jī)電流的運(yùn)行值和維持時(shí)間，和開(kāi)關(guān)出廠時(shí)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中所存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到操作電流和時(shí)間變化比例，用戶根據(jù)此比例判斷開(kāi)關(guān)的刀閘機(jī)構(gòu)是否需要檢修。

4 前景展望

智能化開(kāi)關(guān)電器是將計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電器組合，而具有智能功能的開(kāi)關(guān)電器，是國(guó)際上最近才興起的一種產(chǎn)品，由于有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展速度比較快。目前國(guó)內(nèi)在高檔開(kāi)關(guān)柜中（組裝柜），智能化率已達(dá)到50%以上，今后隨著智能化技術(shù)更成熟，智能化單元、傳感器等價(jià)格降低，會(huì)逐步在整個(gè)開(kāi)關(guān)柜中普及。

參考文獻(xiàn)

[1]包紅旗.HGIS與數(shù)字化變電站[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]岳保良，包紅旗.電氣運(yùn)行[M].北京：中國(guó)水利電力出版社，1998.

[3]汪彥，包紅旗.GIS與HGIS在智能變電站中的應(yīng)用分析[M].北京：中國(guó)高興技術(shù)企業(yè)，2014.

作者簡(jiǎn)介：徐元興（1955，6-），漢族，工程師，專(zhuān)科學(xué)歷，上海電力專(zhuān)科學(xué)校，發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，從事電力工程專(zhuān)業(yè)工作。

包紅旗（1958，6-），漢族，高級(jí)工程師，本科學(xué)歷，合肥工業(yè)大學(xué)，電氣工程系，電力系統(tǒng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，從事高電壓專(zhuān)業(yè)工作。

汪彥（1975，8-），漢族，工程師，本科學(xué)歷，南京大學(xué)電子工程系，電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)工作。

程華明（1976，1-），漢族，工程師，本科學(xué)歷，華東船舶工業(yè)學(xué)院，焊接材料系，焊接工藝及設(shè)備專(zhuān)業(yè)，從事電力設(shè)備生產(chǎn)制造專(zhuān)業(yè)工作。endprint

電流變化百分比=■×100%

I：當(dāng)前電機(jī)電流

In：出廠實(shí)驗(yàn)記錄電流值

時(shí)間變化百分比=■×100%

T：當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行時(shí)間

Tn：出廠實(shí)驗(yàn)記錄運(yùn)行時(shí)間

測(cè)控柜采集的電機(jī)電流為電機(jī)負(fù)荷最小時(shí)的運(yùn)行電流值，該值通過(guò)計(jì)算相鄰兩點(diǎn)電流采樣值的變化比來(lái)判斷，再通過(guò)與正常的電機(jī)電流及運(yùn)行時(shí)間的進(jìn)行對(duì)比，我們就能夠?qū)?chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)空轉(zhuǎn)、卡轉(zhuǎn)等情況進(jìn)行判斷。

3.4 刀閘操作機(jī)構(gòu)狀況監(jiān)視

在對(duì)刀閘進(jìn)行操作時(shí)，流過(guò)刀閘電機(jī)的電流與儲(chǔ)能電機(jī)的電流波形類(lèi)似，僅存在電流幅值和維持時(shí)間的不同，故對(duì)此波形采用和儲(chǔ)能電機(jī)電流相同的處理方法，提取出電機(jī)電流的運(yùn)行值和維持時(shí)間，和開(kāi)關(guān)出廠時(shí)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中所存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到操作電流和時(shí)間變化比例，用戶根據(jù)此比例判斷開(kāi)關(guān)的刀閘機(jī)構(gòu)是否需要檢修。

4 前景展望

智能化開(kāi)關(guān)電器是將計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電器組合，而具有智能功能的開(kāi)關(guān)電器，是國(guó)際上最近才興起的一種產(chǎn)品，由于有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展速度比較快。目前國(guó)內(nèi)在高檔開(kāi)關(guān)柜中（組裝柜），智能化率已達(dá)到50%以上，今后隨著智能化技術(shù)更成熟，智能化單元、傳感器等價(jià)格降低，會(huì)逐步在整個(gè)開(kāi)關(guān)柜中普及。

參考文獻(xiàn)

[1]包紅旗.HGIS與數(shù)字化變電站[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]岳保良，包紅旗.電氣運(yùn)行[M].北京：中國(guó)水利電力出版社，1998.

[3]汪彥，包紅旗.GIS與HGIS在智能變電站中的應(yīng)用分析[M].北京：中國(guó)高興技術(shù)企業(yè)，2014.

作者簡(jiǎn)介：徐元興（1955，6-），漢族，工程師，專(zhuān)科學(xué)歷，上海電力專(zhuān)科學(xué)校，發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，從事電力工程專(zhuān)業(yè)工作。

包紅旗（1958，6-），漢族，高級(jí)工程師，本科學(xué)歷，合肥工業(yè)大學(xué)，電氣工程系，電力系統(tǒng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，從事高電壓專(zhuān)業(yè)工作。

汪彥（1975，8-），漢族，工程師，本科學(xué)歷，南京大學(xué)電子工程系，電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)工作。

程華明（1976，1-），漢族，工程師，本科學(xué)歷，華東船舶工業(yè)學(xué)院，焊接材料系，焊接工藝及設(shè)備專(zhuān)業(yè)，從事電力設(shè)備生產(chǎn)制造專(zhuān)業(yè)工作。endprint

電流變化百分比=■×100%

I：當(dāng)前電機(jī)電流

In：出廠實(shí)驗(yàn)記錄電流值

時(shí)間變化百分比=■×100%

T：當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行時(shí)間

Tn：出廠實(shí)驗(yàn)記錄運(yùn)行時(shí)間

測(cè)控柜采集的電機(jī)電流為電機(jī)負(fù)荷最小時(shí)的運(yùn)行電流值，該值通過(guò)計(jì)算相鄰兩點(diǎn)電流采樣值的變化比來(lái)判斷，再通過(guò)與正常的電機(jī)電流及運(yùn)行時(shí)間的進(jìn)行對(duì)比，我們就能夠?qū)?chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)空轉(zhuǎn)、卡轉(zhuǎn)等情況進(jìn)行判斷。

3.4 刀閘操作機(jī)構(gòu)狀況監(jiān)視

在對(duì)刀閘進(jìn)行操作時(shí)，流過(guò)刀閘電機(jī)的電流與儲(chǔ)能電機(jī)的電流波形類(lèi)似，僅存在電流幅值和維持時(shí)間的不同，故對(duì)此波形采用和儲(chǔ)能電機(jī)電流相同的處理方法，提取出電機(jī)電流的運(yùn)行值和維持時(shí)間，和開(kāi)關(guān)出廠時(shí)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中所存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到操作電流和時(shí)間變化比例，用戶根據(jù)此比例判斷開(kāi)關(guān)的刀閘機(jī)構(gòu)是否需要檢修。

4 前景展望

智能化開(kāi)關(guān)電器是將計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電器組合，而具有智能功能的開(kāi)關(guān)電器，是國(guó)際上最近才興起的一種產(chǎn)品，由于有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展速度比較快。目前國(guó)內(nèi)在高檔開(kāi)關(guān)柜中（組裝柜），智能化率已達(dá)到50%以上，今后隨著智能化技術(shù)更成熟，智能化單元、傳感器等價(jià)格降低，會(huì)逐步在整個(gè)開(kāi)關(guān)柜中普及。

參考文獻(xiàn)

[1]包紅旗.HGIS與數(shù)字化變電站[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]岳保良，包紅旗.電氣運(yùn)行[M].北京：中國(guó)水利電力出版社，1998.

[3]汪彥，包紅旗.GIS與HGIS在智能變電站中的應(yīng)用分析[M].北京：中國(guó)高興技術(shù)企業(yè)，2014.

作者簡(jiǎn)介：徐元興（1955，6-），漢族，工程師，專(zhuān)科學(xué)歷，上海電力專(zhuān)科學(xué)校，發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，從事電力工程專(zhuān)業(yè)工作。

包紅旗（1958，6-），漢族，高級(jí)工程師，本科學(xué)歷，合肥工業(yè)大學(xué)，電氣工程系，電力系統(tǒng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，從事高電壓專(zhuān)業(yè)工作。

汪彥（1975，8-），漢族，工程師，本科學(xué)歷，南京大學(xué)電子工程系，電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)工作。

程華明（1976，1-），漢族，工程師，本科學(xué)歷，華東船舶工業(yè)學(xué)院，焊接材料系，焊接工藝及設(shè)備專(zhuān)業(yè)，從事電力設(shè)備生產(chǎn)制造專(zhuān)業(yè)工作。endprint