低壓智能配電柜設(shè)計(jì)初探

摘 要：為提高低壓配電柜的可操作性、可靠性和穩(wěn)定性，本文對(duì)低壓配電柜智能化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探究。主要聚焦于柜體結(jié)構(gòu)、二次元件的智能化設(shè)計(jì)，簡略涉及通信技術(shù)、即時(shí)報(bào)警，共四部分，以期拋磚引玉，并為新一代的低壓智能配電柜提供一些思考方法。

關(guān)鍵詞：低壓智能配電柜;智能化設(shè)計(jì);低壓綜保

中高壓電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置已普遍采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此建立了智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。但是，由于低壓配電柜的結(jié)構(gòu)和中高壓成套柜大不相同，所以該領(lǐng)域還未普及此標(biāo)準(zhǔn)。為了能將此標(biāo)準(zhǔn)貫徹到低壓配電領(lǐng)域，我們先提出低壓配電柜智能化的一些要求：（1）通信速率提升至100M;（2）更堅(jiān)強(qiáng)的抽屜單元;（3）除電參量、開關(guān)量輸入外，還可監(jiān)測(cè)溫度、弧光等信號(hào)，并包含火災(zāi)報(bào)警等信號(hào);（4）可選的即時(shí)報(bào)警。

一、柜體結(jié)構(gòu)的智能化設(shè)計(jì)

低壓配電柜按結(jié)構(gòu)可分為兩種主要的型式：抽屜式和固定式。其一次元件包括斷路器（或熔斷器）、CT、接觸器、一次電纜等。目前對(duì)一次元件的智能化改造著重于斷路器和CT：（1）對(duì)于斷路器，有智能斷路器的探索，集成測(cè)控裝置在斷路器內(nèi)。該探索國內(nèi)在2005年就已開始，且當(dāng)時(shí)已有產(chǎn)品，但是始終無法普及應(yīng)用。原因在下面會(huì)提及。（2）對(duì)于CT，中高壓電力系統(tǒng)曾經(jīng)嘗試過電子式互感器，但是從應(yīng)用情況看故障率甚高，目前已基本處于禁用狀態(tài)。

以上一次元件的智能化探索，面臨諸多困難和失敗——其本質(zhì)在于可靠性的權(quán)衡。我們期望的可靠的系統(tǒng)，并非指故障率為0（當(dāng)然如果能達(dá)到最好不過）。而是指，在發(fā)生故障的前提下，應(yīng)該如何避免故障擴(kuò)大并形成災(zāi)難。假設(shè)一次元件包含了部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的功能：當(dāng)該元件損壞時(shí)一次回路已進(jìn)入故障狀態(tài)，但是集成系統(tǒng)卻無法獲得相關(guān)的任何信息。

本文的理念：一次元件只負(fù)責(zé)輸配電，二次元件負(fù)責(zé)測(cè)控、保護(hù)和四遙。因此，本文暫不考慮一次元件的智能化。本文將探討于柜體和抽屜單元的智能化設(shè)計(jì)，以使其在結(jié)構(gòu)上滿足低壓配電系統(tǒng)智能化的要求。

下面分別敘述柜體和抽屜單元智能化設(shè)計(jì)方法：

（1）柜體。應(yīng)提供一條專用于敷設(shè)通信線纜的隔離通道，以避免通信信號(hào)受到強(qiáng)電的干擾，也可以避免其受到大質(zhì)量電纜的擠壓，更可以避免一次電纜發(fā)生火情時(shí)導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)信息中斷。該通道可以放置于柜體頂部或底部，構(gòu)成獨(dú)立小室，并橫向貫通柜體。

（2）抽屜單元。抽屜單元一共有兩副一次側(cè)觸頭，一般來說提供一副二次側(cè)觸頭，其靜觸頭均位于柜體上。

我們的目標(biāo)：（1）減少抽屜內(nèi)一次元件的數(shù)量，以獲取最大的空間，改善抽屜內(nèi)散熱的問題;（2）減少二次回路控制線的數(shù)量，改善二次觸頭的損壞率;（3）設(shè)計(jì)專用插件，以滿足敷設(shè)超五類線的要求，達(dá)到100M通信速率的目標(biāo)。

對(duì)應(yīng)的方法：（1）將CT集成至一次側(cè)進(jìn)線動(dòng)觸頭內(nèi)。如此，可省去抽屜內(nèi)CT的安裝空間，并且便于維護(hù)。CT二次側(cè)輸出毫安級(jí)信號(hào)，接入抽屜內(nèi)的綜保。（2）抽屜內(nèi)安裝LM5F/LL5F系列綜保，綜保的性能在第二部分詳述，以減少柜內(nèi)二次回路的數(shù)量。（3）增設(shè)專用的通信插件，但不用RJ45結(jié)構(gòu)。通用的網(wǎng)線內(nèi)有8根線，分為4組——其本質(zhì)是4組雙絞線。對(duì)于100M網(wǎng)絡(luò)而言，通信傳輸僅僅用到其中的2組，從RJ45端子定義可知：1（TXD+）、2（TXD-）為一組，3（RXD+）、6（RXD-）為一組。因抽屜內(nèi)空間很小，傳輸距離短，并不需要4組線全部接入。鑒于此，通信專用插頭可設(shè)計(jì)為4個(gè)端子組成的獨(dú)立插頭。為便于安裝，可在動(dòng)靜觸頭側(cè)，分別引出很短的線，做成固定的RJ45接頭，最后按IEC標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定的試驗(yàn)通過測(cè)試即可應(yīng)用。

綜上所述，柜體和抽屜單元的智能化設(shè)計(jì)，奠定了前述目標(biāo)中提升通信速率的基礎(chǔ)，并構(gòu)建了更堅(jiān)強(qiáng)的抽屜單元。

二、二次元件的智能化設(shè)計(jì)

經(jīng)過近20年的發(fā)展，部分低壓綜合保護(hù)裝置（以下簡稱低壓綜保）已經(jīng)具備了實(shí)現(xiàn)低壓智能配電系統(tǒng)的要求，其中以LM5F/LL5F系列為典型。以下簡述其功能，便于認(rèn)識(shí)低壓綜保已具備哪些功能，在低壓智能配電柜的設(shè)計(jì)中可以起到哪些作用。

低壓綜保按用途可分為兩個(gè)大類：電動(dòng)機(jī)用、線路用?？蓪⑵湫吞?hào)命名為LM系列（低壓電動(dòng)機(jī)用）和LL系列（低壓線路用），目前主流應(yīng)用的為HUAJIAN股份的LM5F和LL5F。其中LM應(yīng)具備的基本性能已有國家標(biāo)準(zhǔn)[2]可參考，LL相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草中（預(yù)計(jì)2020年發(fā)布）。

從低壓智能配電柜的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，我們希望低壓綜保具備這樣的功能：（1）電參量的檢測(cè)。對(duì)于準(zhǔn)確度，卻并非要求達(dá)到計(jì)費(fèi)級(jí)，因?yàn)樵诘蛪号潆娤到y(tǒng)中，計(jì)費(fèi)的關(guān)口僅僅在進(jìn)線柜內(nèi)，沒有必要為此增加額外的成本。因此，綜保兼具測(cè)量和保護(hù)功能是可行的，測(cè)量的準(zhǔn)確度能達(dá)到1%左右就已經(jīng)足以反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)。（2）計(jì)量功能。如有可能，當(dāng)然也希望能反應(yīng)各回路的電度量。同樣的，對(duì)準(zhǔn)確度不做過高要求。（3）保護(hù)功能。應(yīng)能滿足各類型負(fù)載的要求。由于接觸器往往應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)回路中，因此要特別指出的是，為滿足可靠性的要求，LM系列保護(hù)動(dòng)作的出口分為兩個(gè)：作用于斷路器的，和作用于接觸器的。某些保護(hù)功能出口必須動(dòng)作于斷路器，例如單相接地保護(hù)、漏電保護(hù)。因?yàn)檫@兩個(gè)故障狀態(tài)下，故障電流可能超過接觸器的分?jǐn)嗄芰?。?）開關(guān)量輸入檢測(cè)、控制功能。（5）統(tǒng)計(jì)功能?？山y(tǒng)計(jì)外部操作的情況。（6）可編程的控制邏輯。可靈活運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)的工藝要求。（7）故障記錄。希望不僅僅能記錄故障瞬間的狀態(tài)，還能進(jìn)行更詳細(xì)的故障錄波。（8）對(duì)柜體或一次元件故障的保護(hù)報(bào)警功能，例如溫度保護(hù)、弧光保護(hù)、火災(zāi)報(bào)警等等。（9）通信功能。保留目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線（如MODBUS、Profibus-dp等等）的前提下，實(shí)現(xiàn)100M以太網(wǎng)通信，滿足IEC61850協(xié)議的規(guī)定。（10）CT斷線檢測(cè)功能。特別指出，低壓二次回路中，對(duì)于CT斷線的檢測(cè)是極有必要的。（11）控制回路斷線檢測(cè)。低壓二次控制回路的斷線檢測(cè)很容易被忽略，但是很有必要。（12）易維護(hù)與長壽命。從維護(hù)的角度而言，期望低壓綜保的保護(hù)本體與顯示單元分開。從產(chǎn)品壽命的角度出發(fā)，期望低壓綜保的電源模塊能夠獨(dú)立。

以上功能需求，LM5F/LL5F大部分已具備，LM6F/LL6F已經(jīng)完全具備。

綜上所述，利用目前國內(nèi)領(lǐng)先的低壓綜保，減少了以往需單獨(dú)配置的表計(jì)、單相接地保護(hù)、漏電保護(hù)、溫度保護(hù)、火災(zāi)報(bào)警等等元件，極大程度上減少了二次回路控制線，提高了低壓配電系統(tǒng)的可操作性、可靠性和穩(wěn)定性。

三、通信技術(shù)的應(yīng)用

有了上述基礎(chǔ)，現(xiàn)設(shè)想這樣一臺(tái)低壓抽屜柜（固定柜略），從上至下：頂部有獨(dú)立屏蔽的通信通道，第一個(gè)抽屜（也可做成固定式）高度為100mm，用于放置專用的通信處理機(jī)或光纖交換機(jī)，下面有8個(gè)抽屜單元，側(cè)面為二次回路敷設(shè)室。每個(gè)抽屜單元內(nèi)的綜保，通過網(wǎng)線（或光纖）與通信處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。整個(gè)配電室內(nèi)，所有的通信處理機(jī)連接在一起，與站內(nèi)集成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并經(jīng)由站內(nèi)集成系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至上一級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)然，對(duì)于通信處理機(jī)的安排，也可兩三臺(tái)柜放置一套，以節(jié)省成本。

在應(yīng)用IEC61850的前提下，一般直接采用滿足該標(biāo)準(zhǔn)的光纖交換機(jī)，其原理如下圖所示。

四、即時(shí)報(bào)警

上述構(gòu)建了一套完整的低壓智能配電系統(tǒng)，其通信速率在100M。在這個(gè)前提下，一些重要的報(bào)警信息，例如火災(zāi)報(bào)警等等，可以迅速地反映到集成系統(tǒng)平臺(tái)。集成系統(tǒng)平臺(tái)可利用物聯(lián)網(wǎng)模塊，通過4G將被用戶選擇過的重要信息轉(zhuǎn)發(fā)至運(yùn)維人員。

五、結(jié)語

綜上所述，低壓智能配電柜的設(shè)計(jì)，首先要解決柜體結(jié)構(gòu)的問題，以達(dá)到通信速率的要求;其次，應(yīng)用國內(nèi)先進(jìn)的低壓綜保，減少柜內(nèi)的元件，提高低壓配電柜的可操作性、可靠性和穩(wěn)定性;最后，利用現(xiàn)有的通信技術(shù)完成整個(gè)低壓配電系統(tǒng)的智能化集成工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]IEC 60603-7-2：2010 Connectors for electronic equipment-Part 7-2：Detail specification for 8-way，unshielded，free and fixed connectors，for data transmissions with frequencies up to 100 MHz.

[2]GB/T 14598.303-2011數(shù)字式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置通用技術(shù)條件.

作者簡介：吳肇赟（1975-），男，浙江安吉人，本科，工程師，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向。