GIS 斷路器智能匯控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

戚宣威，王 松，徐 華，陳孝信，韓松杰，劉志祥

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.上海思源弘瑞自動(dòng)化有限公司，上海 201108）

0 引言

斷路器是通斷一次電流、切除電網(wǎng)故障的開關(guān)裝置[1-2]。為確保斷路器正確動(dòng)作，需就地安裝體積龐大的匯控柜，其內(nèi)部有大量電纜和繼電器，通過復(fù)雜物理接線實(shí)現(xiàn)斷路器的分合控制和三相不一致保護(hù)、電機(jī)打壓、防跳等輔助功能[3-6]。

現(xiàn)有的斷路器匯控系統(tǒng)配置模式存在設(shè)備可靠性低、調(diào)試運(yùn)維困難和感知連接受限三方面的問題：

（1）設(shè)備可靠性低。長(zhǎng)期運(yùn)行在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，繼電器容易老化，電纜端子會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，復(fù)雜的回路接線難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。這些安全隱患會(huì)導(dǎo)致斷路器不正確動(dòng)作，嚴(yán)重影響斷路器本體以及大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-9]。2018 年，某省斷路器出現(xiàn)危急和嚴(yán)重缺陷共計(jì)409 臺(tái)次，由于匯控系統(tǒng)二次回路故障造成的缺陷236 臺(tái)次，包括控制回路斷線、位置信號(hào)不正確、繼電器故障和儲(chǔ)能控制回路故障等。由此可見，電纜、繼電器搭接構(gòu)建的匯控系統(tǒng)二次回路可靠性較低，已成為導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)缺陷的重要因素。

（2）調(diào)試運(yùn)維困難。斷路器的匯控柜與實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)接功能的智能終端并未進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，接口復(fù)雜多樣、接線繁雜、互換性差，設(shè)計(jì)院、用戶需單獨(dú)熟悉和管理智能終端與斷路器本體匯控柜的接口，導(dǎo)致相關(guān)的設(shè)計(jì)、基建、調(diào)試和運(yùn)維的工作量增大[10-12]。

（3）感知連接受限。斷路器需要單獨(dú)設(shè)立智能柜，在智能柜內(nèi)通過專門定制的智能終端及合并單元，實(shí)現(xiàn)匯控柜送出的電纜模擬信號(hào)與智能變電站網(wǎng)絡(luò)光纖數(shù)字信號(hào)之間的接口交互。這種接口交互形式增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且需要根據(jù)不同的廠家設(shè)計(jì)不同類型的交互接口，通用性和擴(kuò)展性差。

本文提出了一種斷路器智能匯控系統(tǒng)，突破了幾十年來(lái)斷路器一、二次系統(tǒng)割裂的設(shè)計(jì)模式，采用高防護(hù)數(shù)字設(shè)備重構(gòu)斷路器匯控設(shè)備形態(tài)，通過二次回路板件化實(shí)現(xiàn)斷路器匯控功能的集成；構(gòu)建貼近設(shè)備本體的狀態(tài)全息感知連接平臺(tái)，取消智能終端等信號(hào)轉(zhuǎn)接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與智能變電站網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫對(duì)接，推動(dòng)電力設(shè)備的一、二次融合發(fā)展。

1 總體系統(tǒng)架構(gòu)

本文所提斷路器智能匯控系統(tǒng)針對(duì)的是220 kV 開關(guān)匯控柜，采用3 套智能裝置實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化及與保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)通信，如圖1 所示，包括智能組合控制箱和2 個(gè)雙重化配置的智能裝置。

圖1 一、二次融合智能匯控系統(tǒng)架構(gòu)

智能組合控制箱采用板載繼電器板卡實(shí)現(xiàn)匯控柜內(nèi)操作回路集成，同時(shí)具備CPU（中央處理器）板卡和輸入/輸出板卡，實(shí)現(xiàn)斷路器電機(jī)儲(chǔ)能控制保護(hù)、斷路器隔離開關(guān)遙控和聯(lián)閉鎖、斷路器信號(hào)采集和就地LED 顯示等功能。

2 套智能裝置實(shí)現(xiàn)保護(hù)GOOSE（面向通用對(duì)象的變電站事件）跳閘信號(hào)的接收，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電氣量，驅(qū)動(dòng)智能組合控制箱內(nèi)的分/合閘回路，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了智能終端的功能。功能定義和輸入/輸出接口完全一致：第一套智能裝置實(shí)現(xiàn)第一套保護(hù)分/合閘，第一套斷路器三相不一致保護(hù)；第二套智能裝置實(shí)現(xiàn)第二套保護(hù)分/合閘，第二套斷路器三相不一致保護(hù)。

匯控柜保留模擬盤，以便于現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)設(shè)備檢修和就地手動(dòng)操作。斷路器機(jī)構(gòu)室和隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)室采用航空插頭方式單端預(yù)制接線，匯控柜側(cè)采用端子排接線。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 斷路器分合閘控制

智能組合控制器采用集成電路和板載繼電器實(shí)現(xiàn)斷路器的分/合閘控制回路，從而簡(jiǎn)化二次接線與繼電器配置。

智能組合控制器可接收來(lái)自保護(hù)裝置或者智能裝置的分相跳閘接點(diǎn)，該接點(diǎn)直接與斷路器的跳閘線圈串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)故障期間斷路器的快速分閘控制。

智能組合控制器具備常規(guī)操作箱的TJR，TJQ和TJF 跳閘功能，可通過SHJ 和STJ 繼電器實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)方手動(dòng)分/合閘控制，同時(shí)配置了ZHJ 繼電器實(shí)現(xiàn)重合閘控制，如圖2 所示。

圖2 斷路器分/合閘控制的輸入回路

雙重化配置的智能裝置可以接收來(lái)自智能站保護(hù)裝置的分/合閘報(bào)文，并將報(bào)文信號(hào)轉(zhuǎn)化為硬接點(diǎn)開入至智能組合控制器，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置對(duì)斷路器的分/合閘控制。

2.2 防跳

傳統(tǒng)斷路器采用電壓型繼電器實(shí)現(xiàn)斷路器防跳功能，本方案借鑒操作箱，采用電流型繼電器實(shí)現(xiàn)防跳功能。如圖3 所示，當(dāng)跳閘線圈1 或2勵(lì)磁時(shí)，串入智能組合控制箱合閘回路的電流自保持繼電器的12TBIJC 和22TBIJC 接點(diǎn)閉合，并驅(qū)動(dòng)1TBUJA 和2TBUJA 繼電器得電，從而斷開合閘回路。該設(shè)計(jì)可以在合閘指令一直存在的情況下，防止斷路器跳閘后再次合閘，避免“跳躍”現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 電流保持型防跳回路

同時(shí)，智能組合控制器配置了軟件斷路器防跳功能，可以自動(dòng)根據(jù)斷路器的跳閘與合閘指令，通過軟件邏輯方式實(shí)現(xiàn)“防跳功能”，如圖4 所示。防跳軟壓板投入后，在保護(hù)或遙控跳閘出口未返回的情況下，當(dāng)裝置收到單相合閘或保護(hù)重合閘指令后，將觸發(fā)防跳邏輯對(duì)合閘出口進(jìn)行閉鎖。

圖4 軟件防跳邏輯

2.3 三相不一致保護(hù)

傳統(tǒng)斷路器匯控柜配置的2 套三相不一致保護(hù)分別在2 套智能裝置中實(shí)現(xiàn)。智能裝置采集三相分合位置信號(hào)，判斷斷路器的三相不一致運(yùn)行情況，當(dāng)三相不一致到達(dá)整定延時(shí)時(shí)，通過如圖2 所示的TJF 回路驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘。

智能裝置根據(jù)6 路三相分合位置信號(hào)判斷異常情況并告警，防止某個(gè)接點(diǎn)問題引起保護(hù)誤動(dòng)；采用CPU 軟件實(shí)現(xiàn)三相不一致保護(hù)的計(jì)時(shí)功能，避免傳統(tǒng)匯控柜內(nèi)延時(shí)繼電器因長(zhǎng)期運(yùn)行老化帶來(lái)的計(jì)時(shí)精度問題，從而提升三相不一致保護(hù)的可靠性。

2.4 電機(jī)儲(chǔ)能控制

通過智能組合控制箱實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制、超時(shí)及過載保護(hù)。智能組合控制箱開出接點(diǎn)控制電機(jī)電源的交流接觸器，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電機(jī)的啟、?？刂啤?/p>

智能組合控制箱通過電流傳感器采集電機(jī)電源電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)過流保護(hù)。過流保護(hù)配置兩段，包括瞬時(shí)速動(dòng)的Ⅰ段和延時(shí)動(dòng)作的Ⅱ段。同時(shí)，智能組合控制箱通過CPU 軟件配置電機(jī)電壓超時(shí)保護(hù)功能。

2.5 隔離開關(guān)控制回路

隔離開關(guān)控制及電機(jī)回路全部安裝在隔離開關(guān)機(jī)柜室內(nèi)，智能組合控制箱僅提供分/合閘接點(diǎn)和聯(lián)閉鎖接點(diǎn)。

電氣閉鎖和監(jiān)控閉鎖接點(diǎn)通過二次電纜串接入隔離開關(guān)控制回路以實(shí)現(xiàn)聯(lián)閉鎖功能。本間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)聯(lián)鎖采用電氣和智能組合控制箱串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。全站聯(lián)鎖可以通過智能組合控制箱實(shí)現(xiàn)，從而取消跨間隔的聯(lián)閉鎖回路接線。

2.6 斷路器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能

智能匯控設(shè)備可以自動(dòng)采集記錄儲(chǔ)能電機(jī)動(dòng)作期間的測(cè)量電流和動(dòng)作時(shí)間，并上送至變電站監(jiān)控后臺(tái)，通過搜集和統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)能電機(jī)的歷史電流數(shù)據(jù)，評(píng)估儲(chǔ)能電機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)和健康趨勢(shì)。

同時(shí)，基于智能匯控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)斷路器累計(jì)操作次數(shù)、三相跳合圈動(dòng)作電流及時(shí)間、SF6氣體溫度及壓力、彈簧機(jī)構(gòu)壓力、母線波紋管形變量、GIS（氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備）局部放電、環(huán)境溫濕度等斷路器輔控信息的就地采集與集中上送。同時(shí)能夠基于設(shè)備感知信息采取智能分析策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器狀態(tài)的綜合評(píng)估和主動(dòng)預(yù)警。

2.7 用戶接口

智能匯控系統(tǒng)按照運(yùn)行人員操作習(xí)慣保留了操作模擬盤。智能組合控制器和2 套智能裝置面板保留跳/合閘回路監(jiān)視、裝置告警、控回?cái)嗑€三相不一致保護(hù)動(dòng)作等信號(hào)燈，以用于指示運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)掌握開關(guān)狀態(tài)。同時(shí)，匯控柜端子排采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，從左往右、自上而下按序排列，以便于運(yùn)維人員在檢修調(diào)試期間查找二次回路。端子排的簡(jiǎn)稱及含義如表1 所示。

表1 斷路器匯控設(shè)備端子排標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

3 設(shè)備研發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用情況

3.1 智能匯控系統(tǒng)的軟硬件研發(fā)情況

智能匯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以嵌入式計(jì)算機(jī)采集控制技術(shù)、操作控制回路技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能分析技術(shù)以及光纖通信技術(shù)為核心，研制集保護(hù)、控制和在線監(jiān)測(cè)等功能為一體的智能化GIS 斷路器。該系統(tǒng)主要由斷路器本體、傳感器、IED（智能電子設(shè)備）和預(yù)制線纜組成，取消和簡(jiǎn)化冗余回路，能夠提高整個(gè)二次回路的可靠性。

其中IED 為系統(tǒng)核心，包含2 套保護(hù)執(zhí)行單元、1 套融合控制單元和1 套智能監(jiān)測(cè)匯聚單元，通過光纖以太網(wǎng)口，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或組網(wǎng)方式與保護(hù)、測(cè)控等控制設(shè)備相連，采用IEC 61850 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器間隔的分/合控制、間隔內(nèi)聯(lián)閉鎖、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)感知、智能分析和實(shí)時(shí)信息上送。裝置均采用插件式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，4U 高度鋁合金型材機(jī)箱具備良好的適用性和可替換性，能有效提升現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)效率。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

斷路器智能匯控系統(tǒng)在某220 kV 變電站的2 個(gè)待用間隔順利投運(yùn)，如圖5 所示。智能匯控系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)化的PCB 操作回路板卡取代匯控柜內(nèi)復(fù)雜且非標(biāo)的接線及繼電器，令電纜芯數(shù)和繼電器數(shù)量分別減少至原有的43%和25%；調(diào)試時(shí)間也相應(yīng)縮短至原先的1/4，在降低裝置設(shè)計(jì)安裝、運(yùn)維檢修復(fù)雜度的同時(shí)，全面提升了設(shè)備運(yùn)行可靠性和維護(hù)便捷性。

圖5 智能斷路器匯控系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了“智能設(shè)備就地化、電氣回路板件化、二次接口光纖化、狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)化”的GIS 斷路器控制保護(hù)技術(shù)體系，攻克長(zhǎng)期以來(lái)斷路器本體控制保護(hù)系統(tǒng)不適應(yīng)智能變電站技術(shù)發(fā)展的問題。采用就地化、高可靠、模塊化的智能設(shè)備重構(gòu)斷路器設(shè)備本體的控制保護(hù)及信息處理系統(tǒng)；利用集成電路板件及CPU 軟件程序?qū)崿F(xiàn)了傳統(tǒng)利用電纜和繼電器搭建回路才能實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，提升斷路器本體控制保護(hù)的可靠性；直接將就地采集的信息轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文，并采用光纖與智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)，取消傳統(tǒng)智能終端的信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；實(shí)現(xiàn)斷路器在線監(jiān)測(cè)信息的就地統(tǒng)一收集與標(biāo)準(zhǔn)化輸出，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的全面感知與高效處理。

一、二次融合技術(shù)符合電網(wǎng)數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)，長(zhǎng)期以來(lái)囿于一、二次設(shè)備專業(yè)管理及商業(yè)壁壘等問題，斷路器匯控設(shè)備保持傳統(tǒng)的斷路器和電纜搭接模式。斷路器的匯控設(shè)備通過數(shù)字化升級(jí)，可顯著改善現(xiàn)有斷路器設(shè)備匯控系統(tǒng)的設(shè)備可靠性低、調(diào)試運(yùn)維困難和感知連接受限等問題，技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。未來(lái)將加強(qiáng)該技術(shù)的工程化應(yīng)用，通過技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)字化升級(jí)和管理創(chuàng)新。

目前，智能匯控系統(tǒng)正在進(jìn)一步的優(yōu)化和完善，新版本的裝置將集成實(shí)現(xiàn)間隔層測(cè)控功能，可接收合并單元的測(cè)量SV（采樣值）信息并直接將報(bào)文轉(zhuǎn)換為DL/T 860 報(bào)文上送至站控層。

未來(lái)GIS 斷路器的智能匯控系統(tǒng)可以作為斷路器就地感知連接的終端，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器分/合閘控制以及就地保護(hù)聯(lián)閉鎖功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、計(jì)量等跨專業(yè)數(shù)據(jù)同源采集和邊緣計(jì)算，構(gòu)建貼近斷路器設(shè)備本體的狀態(tài)全息感知連接的平臺(tái)。