配電網(wǎng)戶外智能微機控制器的研究與應用

王彥

鄂爾多斯電業(yè)局伊金霍洛供電分局 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200

機電一體化的斷路器是配電網(wǎng)中的重要元件。為了提高其可靠性，保證配電網(wǎng)的安全運行，在實現(xiàn)變電站自動化和無人值守時，將微機保護、遠動和測量等自動化功能就地分散到開關(guān)設(shè)備上，并對其本身的主要參數(shù)進行在線檢測，結(jié)合人工智能專家系統(tǒng)進行在線故障診斷，使之成為智能化斷路器，是高壓開關(guān)設(shè)備一個嶄新的發(fā)展方向[1]。

1 智能化單元的總體結(jié)構(gòu)

智能化單元是智能斷路器的核心部分，主要完成信號檢測、測量、保護、控制與保護動作出口、故障診斷與報警，并將實時參數(shù)遠傳至監(jiān)控主機供其集中管理與監(jiān)控，并可進行更高級和復雜的專家系統(tǒng)診斷。它直接安裝于斷路器內(nèi)的小間隔內(nèi)。由于戶外斷路器運行環(huán)境惡劣，處于強電磁干擾、強振動環(huán)境下，為保證其工作的可靠性，單元外殼需采用多重金屬密閉防護結(jié)構(gòu)。

智能化單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中MCU為高性能的Inte187C196KC—16/20。為記錄故障發(fā)生前后波形，外擴一片62256（32KB×8）。MAX197A為單電源、多量程、八路輸入帶內(nèi)部采樣/保持、時鐘、基準電壓的信號采集系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換時間6.0μs。X25043將Watchdog定時器、上電復位控制器與512BE2PROM集成到單個芯片內(nèi)，MAX487E為128路RS-485驅(qū)動器。其他部分由ATF1500可編程邏輯陣列實現(xiàn)。該硬件結(jié)構(gòu)為開放式，對配電網(wǎng)各點的不同要求（如輻射點、環(huán)網(wǎng)點、電流型、電壓型），微機控制器的硬件軟件完全一致，可以互換，不同功能可以通過軟件開關(guān)設(shè)置。

圖1 智能化的單元硬件結(jié)構(gòu)

電氣電路采用多級隔離，并設(shè)二級Watchdog電路提高抗干擾性能。第一級為MCU內(nèi)置WDT電路，可以防止程序偶爾鎖死，在MCU本身正常的情況下，自動恢復工作。第二級為X25043提供的外置WDT電路，在第一級失效時（尤其是MCU本身已經(jīng)損壞的情況下）強行復位，并封鎖輸出電路，保證在MCU故障時開關(guān)不會誤動作。

2 斷路器參數(shù)的在線檢測

斷路器的參數(shù)分為電力系統(tǒng)的參數(shù)和斷路器本身的參數(shù)兩部分，電力系統(tǒng)的參數(shù)主要包括常規(guī)的測量與保護信號，如電流、電壓、頻率、有功功率和無功功率等，用以反映負荷情況。斷路器本身的參數(shù)包括母線連接處溫度、脫扣回路斷線、機構(gòu)動作時間、彈簧儲能時間、真空滅弧室真空度或SF6氣體壓力、溫度與濕度等，用以反映斷路器本身的運行狀況[2]。

2.1 本體參數(shù)的檢測

（1）母線連接處溫度。母線連接處通過大電流，若接觸不良會導致該處溫度不正常升高，危及斷路器的可靠運行。在此采用LM35集成溫度傳感器、LM331電壓/頻率變換器，由87C196KC的T2CLK進行計數(shù)，定時讀入計數(shù)值，再換算成溫度值。（2）操作機構(gòu)性能。及時發(fā)現(xiàn)斷路器操作機構(gòu)的潛在危險，有利于配電網(wǎng)的安全運行，消除隱患。操作機構(gòu)性能的在線檢測可利用斷路器的位置輔助接點、彈簧儲能輔助接點或脫扣回路串入電阻，經(jīng)光電隔離進入開關(guān)量輸入電路，由CPU進行定時計數(shù)，與規(guī)定值比較，如差異大，則告警或發(fā)信號至監(jiān)控中心。（3）內(nèi)部溫度濕度。為了反映斷路器的工作環(huán)境，需檢測其內(nèi)部溫度和濕度。一般用相應的傳感器與配套電路來實現(xiàn)。信號經(jīng)光電耦合與V/f轉(zhuǎn)換后，再由MCU計數(shù)。

2.2 電力參數(shù)的檢測

信號來自電流互感器TA和電壓互感器TV，為了實現(xiàn)故障錄波與有功、無功功率計算等功能，需直接交流采樣。在本智能化開關(guān)控制器中，采用圖1所示電路對有關(guān)參數(shù)進行檢測。由于電流測量與電流保護信號取自不同的TA，其精度范圍與精度等級不同，需采用各自的二次變換器，從不同的A/D通道送入微機。由于微機對所有信號巡回檢測，通道之間必然存在延遲，為保證功率計算準確，必須保持同一瞬時的電流電壓值，因此采用四個采樣/保持器。另外，小電流接地系統(tǒng)中，零序TA來的電流信號極小，故從測量傳感器中輸入并多繞幾圈，可以保證對毫安級電流信號的反應能力。

3 故障診斷系統(tǒng)

控制器的軟件算法采用小電流接地系統(tǒng)中用作保護算法的積分法，其依據(jù)是正弦量的半周絕對值積分正比。智能單元內(nèi)部實現(xiàn)的在線診斷，主要是為了提高對一些嚴重故障的快速反應。其他的復雜的診斷為上位主機定時收到各智能單元上傳各類參數(shù)后進行離線分析，用以消除隱患。本系統(tǒng)采用的故障診斷軟件。當負荷過大，觸點溫度過高，真空度或SF6氣體壓力過低，操作機構(gòu)動作時間異常，分閘回路斷線以及斷路器運行環(huán)境惡化等現(xiàn)象出現(xiàn)，控制器均應發(fā)出預告信號，提示檢修，消除事故隱患，以免擴大成災難性事故。而對于斷路器外部如線路故障等，能記錄事故波形，且每次動作均有詳細的SOE記錄，運行人員可以全面了解其動作過程。通過離線分析軟件，計算各諧波分量與故障位置，以便快速查找事故原因與事故定位[3]。

4 結(jié)語

本控制器及其配套自動化系統(tǒng)已在我國各地配電變電站安全運行兩年多。特別是與某農(nóng)電開關(guān)廠合作研制了若干套自備操作電源、紅外遙控裝置的微機智能重合控制器,現(xiàn)已在江西、湖南等地掛網(wǎng)運行,完全取代了進口自動重合器。