一種基于無線控制方式的斷路器緊急分閘裝置

洪國鵬，張毅勇，洪文斌，龔文劍，鐘少斌

一種基于無線控制方式的斷路器緊急分閘裝置

洪國鵬，張毅勇，洪文斌，龔文劍，鐘少斌

（國網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000）

鑒于目前電網(wǎng)工作人員都是通過手動的方式實現(xiàn)開關(guān)柜中斷路器各種開關(guān)的操作，導(dǎo)致操作效率低或易造成誤操作，存在耗費(fèi)人力、物力的情況，提出一種基于無線控制方式的斷路器緊急分閘裝置。該裝置通過遠(yuǎn)距離的無線操作，實現(xiàn)裝置的自動操作，有效降低因斷路器無法分閘故障而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本，同時，通過人機(jī)操作界面實現(xiàn)多種操作功能，能降低現(xiàn)場的安全風(fēng)險，提高智能電網(wǎng)的操作水平。

無線控制；斷路器；分閘裝置；電網(wǎng)

目前，在電網(wǎng)系統(tǒng)中無論是在變電站還是在輸變電網(wǎng)中，電網(wǎng)設(shè)備中都設(shè)置了多個開關(guān)，用于調(diào)節(jié)輸電線路中的電壓大小，高壓開關(guān)柜是電網(wǎng)中常見的一種裝置，在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護(hù)等中起著作用。而高壓斷路器作為重要的組成部分，能用于分配電能，通過不頻繁地啟動異步電動機(jī)，對電源線路及電動機(jī)等實行保護(hù)。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或短路及欠壓故障時，斷路器能自動切斷電路，而且在分段故障電流后一般不需要變更零部件，因此，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 研發(fā)思路

目前斷路器的操作需要涉及倒閘操作，而操作人員在倒閘時由于存在一定的安全隱患，因此均要兩人或多人進(jìn)行發(fā)令及監(jiān)護(hù)操作，不但耗費(fèi)人力、物力，同時安全隱患無法有效消除。

項目組調(diào)研了漳州地區(qū)變電站，通過多番研究最終根據(jù)以下5點內(nèi)容進(jìn)行項目的研發(fā)：PLC無線控制系統(tǒng)的實現(xiàn)、裝置記憶功能的實現(xiàn)、斷路器旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)接頭的設(shè)計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及合理性、人機(jī)操作界面的實現(xiàn)。

2 研制要求

本項目的研究方向聚焦于一種基于無線控制方式的斷路器緊急分閘裝置的開發(fā)，研制時需要達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：①提出了利用PLC實現(xiàn)無線控制緊急分閘的方案并設(shè)計了控制策略。整體上縮短了主變試驗的時間，提高了工作效率，進(jìn)一步提高了供電可靠性，保障了電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。②完成了裝置電氣系統(tǒng)硬件的設(shè)計。主要包括PLC選型及擴(kuò)展模塊的確定、伺服電機(jī)的選型設(shè)計、人機(jī)操作LED控制面板的選型及界面設(shè)計、電氣原理圖及總控電路板的設(shè)計、裝置的外觀及結(jié)構(gòu)的設(shè)計等。③完成了自動調(diào)檔裝置軟件流程的設(shè)計及軟件的編制。主要包括無線控制PLC系統(tǒng)的算法的設(shè)計、程序的結(jié)構(gòu)流程設(shè)計、人機(jī)操作界面程序的設(shè)計、系統(tǒng)的運(yùn)行主程序的設(shè)計及程序編制。

3 具體實施

3.1 實施方案

本項目利用了現(xiàn)代先進(jìn)的自動控制技術(shù)及計算機(jī)控制技術(shù)，對電力部門的斷路器進(jìn)行緊急分閘裝置研制。該裝置可實現(xiàn)無線遙控分閘功能，簡單易用，能夠提高電網(wǎng)設(shè)備使用的效率和安全性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及推廣前景。

項目實施中主要完成了以下技術(shù)工作：①采用PLC控制器、人機(jī)交互部件以及伺服電機(jī)組成的控制裝置，從而可以利用軟件編程實現(xiàn)控制策略的調(diào)整，接收用戶參數(shù)設(shè)置后對斷路器進(jìn)行控制；②設(shè)置無線遙控控制斷路器分閘的操作，使操作精確，安全便利，提高了操作的便利性，同時，能夠記憶上一次的操作，從而在有相同需求時，只需啟動按鈕，就可實現(xiàn)相同功能的旋鈕操作；③人機(jī)交互界面的可視化操作，用戶通過該界面能夠根據(jù)不同的需求設(shè)置不同的參數(shù)；④裝置有能夠脫機(jī)3 h供電的電池組，該電池組為可充電電池組。

3.2 技術(shù)參數(shù)

3.2.1 PLC選擇及接線設(shè)計

PLC為可編程的控制器，是一種采用計算機(jī)技術(shù)的控制器件，能夠運(yùn)行軟件程序，完成與繼電器組成硬件邏輯控制相同的控制功能。由于其具有控制靈活、工作可靠、可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、功能、使用性能等各方面不斷被改進(jìn)和提高。目前，PLC種類很多，配套產(chǎn)品也較為成熟。

PLC廠商按照國別可以分為日系和歐美系，主要包括三菱、西門子、歐姆龍、松下、安川等。其中，歐美公司在大、中型PLC領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢，日本公司在小型PLC領(lǐng)域占據(jù)十分重要的位置。由于本項目中的裝置是一種小型的控制系統(tǒng)，所以，采用小型的PLC即可滿足要求。

3.2.2 伺服電機(jī)

選用的伺服電機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)，PLC控制器將人機(jī)交互界面用戶的輸入?yún)?shù)，通過人機(jī)交互部件中的處理器將參數(shù)輸出至PLC控制器中，PLC控制器對數(shù)據(jù)處理后輸出控制信號，實現(xiàn)自動分閘操作。伺服電機(jī)各種參數(shù)均可以通過控制器進(jìn)行控制。

3.2.3 觸摸式操作面板

為了提升操作體驗及設(shè)備的便攜性，本裝置的操作面板擬采用松下公司的智能觸摸屏，型號為GT02。該觸摸屏具有體積小、便于識別、操作簡單等特點。采用了3.8寸LED面板，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，顯示區(qū)域約加寬了20%。分辨率為240×96點、解像度約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的2.8倍。同時采用高對比度的黑色液晶，采用LED背光燈，無需維護(hù)。可以對背光燈進(jìn)行ON/OFF控制，比較節(jié)能。具有圖表顯示功能，進(jìn)一步提高了識別性。具有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，可以連接多臺PLC，同時也可以與無線發(fā)射單元通信?？衫冒踩δ?，保護(hù)主機(jī)數(shù)據(jù)，并管理操作權(quán)限。可利用顯示語言切換功能，簡單制作多國語言畫面。同時具有miniUSB通信口。

該操作面板可以直接利用Terminal GTWIN 軟件制作畫面，該軟件運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)中，可直接在電腦上工作。該軟件具有友好的工作界面，支持9種菜單語言，具有部件庫，可拖動使用部件。利用該軟件，可簡單地制作畫面，不必要進(jìn)行復(fù)雜的編程，大大減少了觸摸屏顯示的編程工作量。

此外，該觸摸屏與可以與松下公司的PLC完美通信，兼容性非常好，可以很好地滿足項目的需要。

3.2.4 電氣原理及電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理分析，系統(tǒng)由供電3 h伺服電源組、電路開關(guān)、系統(tǒng)電源電路器、PLC信號處理器及人機(jī)交互部件、伺服電機(jī)和緊急分閘部件組成。

根據(jù)系統(tǒng)的原理及選定的硬件型號，系統(tǒng)的工作過程為：供電伺服電源能夠為裝置提供脫機(jī)工作的續(xù)航，電路開關(guān)控制電源組的開啟和關(guān)閉。電源電路器將伺服地電源組的電源調(diào)整為系統(tǒng)需要的24 V供電電壓，電源電路器為裝置中的部件提供供電電源，裝置系統(tǒng)中的控制器為PLC信號處理器，信號處理器對裝置中的用戶輸入信號進(jìn)行處理，并根據(jù)處理的信號輸出控制信號，人機(jī)交互部件接收用戶輸入的參數(shù)，并對參數(shù)進(jìn)行處理，同時該部件能夠顯示裝置中的設(shè)置信號及設(shè)置信息，并保存當(dāng)前設(shè)置的設(shè)置參數(shù)。設(shè)置參數(shù)通過交互部件中的PLC處理器處理后輸出至PLC信號處理器，信號處理器的輸出實現(xiàn)了緊急分閘操作。

3.2.5 人機(jī)操作界面設(shè)計

本項目采用了全觸摸式操作面板，操作界面的菜單分為多個級別。

4 技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新

本項目研發(fā)的成果設(shè)計技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包括：①采用PLC控制器、人機(jī)交互部件以及伺服電機(jī)組成的控制裝置，從而可以利用軟件編程實現(xiàn)控制策略的調(diào)整，接收用戶參數(shù)設(shè)置后對電機(jī)進(jìn)行控制；②設(shè)置實現(xiàn)無線控制分閘操作，使操作精確，安全便利，提高了操作的便利性，同時，能夠記憶上一次操作，從而在有相同需求時，只需啟動按鈕，就可實現(xiàn)相同功能的旋鈕操作；③人機(jī)交互界面的可視化操作方面，用戶能夠根據(jù)不同的需求設(shè)置不同的參數(shù)；④裝置有能夠脫機(jī)3 h供電的電池組，該電池組為可充電電池組。而項目的創(chuàng)新點在于：①利用PLC控制器及電機(jī)實現(xiàn)無線控制方式，PLC具有控制靈活、工作可靠的優(yōu)點；②采用LED全觸摸屏人機(jī)操作界面，可以根據(jù)斷路器型號設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)分閘操作。

5 產(chǎn)品效果及前景

5.1 經(jīng)濟(jì)效益高

本裝置的應(yīng)用有效節(jié)省了因斷路器無法分閘故障的 出工成本，縮短了因轉(zhuǎn)負(fù)荷導(dǎo)致的設(shè)備停電時間（縮短80%），減少了負(fù)荷及電量損失，保證了系統(tǒng)供電的可靠性和安全性。

5.2 社會效益好

無線控制方式消除了因人為操作埋下的安全隱患，提高了配網(wǎng)供電可靠性，保證了操作人員的人身安全，同時解放了人手，提升了經(jīng)濟(jì)效益。

5.3 推廣性強(qiáng)

本項目成果的應(yīng)用，提高了管理效率，規(guī)范了操作流程，研發(fā)的產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于各種電氣設(shè)備中。

6 結(jié)束語

本項目研發(fā)了一種基于無線控制方式的斷路器緊急分閘裝置，該裝置通過遠(yuǎn)距離的無線操作，實現(xiàn)裝置自動操作，有效減少了因斷路器分閘故障造成的損失，同時通過人機(jī)操作界面實現(xiàn)多種操作功能，能降低現(xiàn)場的安全風(fēng)險，提高智能電網(wǎng)的操作水平。該項目雖然取得了很大的進(jìn)展，存在明顯的優(yōu)勢，但在技術(shù)方面仍然存在一些有待完善的地方。例如，人機(jī)操作界面存在菜單畫面過多、參數(shù)過多等缺點，電機(jī)控制的精確性仍需要進(jìn)一步提高。這些問題將在后續(xù)研究中逐步得到解決。

［1］卡普塔諾維克.高壓斷路器理論、設(shè)計與試驗方法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

［2］張全元.電氣設(shè)備及運(yùn)行維護(hù)系列高壓斷路器分冊［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［3］特倫斯·布萊文思.無線控制基礎(chǔ)：過程工業(yè)的連續(xù)和離散控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2018.

TM561

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.032

2095－6835（2020）01－0090－02

〔編輯：張思楠〕