高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化發(fā)展綜述

施苗根，毛旭昱，李文靜，蘭加成，王 偉

（杭州凱達(dá)電力建設(shè)有限公司，浙江杭州 310000）

高壓輸電線路的安全性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到終端用戶的供電質(zhì)量，尤其在能量轉(zhuǎn)換率、自然氣候環(huán)境、設(shè)備投入成本等多重因素的影響下，高壓輸電線路的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控難度越來(lái)越大，無(wú)形當(dāng)中也縮短了高壓輸電設(shè)備的使用壽命。而基于STM32F103微控制器原理設(shè)計(jì)的智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)輸電線路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化管理，這不僅解決了供電線路穩(wěn)定性差、故障率高的難題，同時(shí)，也滿足了終端用戶的供電需求。

1 基于STM32F103微控制器原理的智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)與性能

該智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備將STM32F103微控制器作為主控單元，兼容5 V 的I/O 管腳，最高工作頻率能夠達(dá)到72 MHz，同時(shí)，出于對(duì)節(jié)能降耗的考慮，該控制單元具有睡眠、停機(jī)與待機(jī)3種模式，并自帶A/D 轉(zhuǎn)換器與多個(gè)快速I/O 口。其硬件結(jié)構(gòu)主要包括：主控芯片、取電模塊、輸出電流測(cè)量模塊、輸出電壓測(cè)量模塊以及顯示模塊等，其工作流程如圖1所示。

圖1 基于STM32F103微控制器原理的智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備工作流程

1.1 主控芯片

主控芯片選用的是STM32F103芯片，其中，芯片內(nèi)核采用ARM32位的Cortex-M3 CPU，最高工作頻率為72 MHz；存儲(chǔ)器為64 kb 或128 kb 的閃存程序，還有高達(dá)20 kb 的SRAM。

時(shí)鐘、復(fù)位和電源采用2.0～3.6 V 供電和I/O 引腳，上電/斷電復(fù)位（POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測(cè)器（PVD）。該單片機(jī)有80個(gè)快速I/O 端口：26/37/51/80個(gè)I/O 口，所有I/O 口可以映像到16個(gè)外部中斷；幾乎所有端口均可容忍5 V 信號(hào)；并設(shè)置9個(gè)通信接口，包含2個(gè)I2C 接口，3個(gè)USART 接口和2個(gè)SPI 接口。

1.2 取電模塊

該模塊采用的是QC629取電互感器，這種卡扣式互感器最為明顯的優(yōu)勢(shì)是便于安裝和拆卸，一旦互感器出現(xiàn)故障，維修人員能夠快速完成拆卸與維修工作，這就大幅節(jié)省了設(shè)備維修成本。互感器內(nèi)徑為50 mm，在室溫環(huán)境下，取電互感器可以正常工作。該取電互感器主要用于10 kV 控制柜的供電使用，取電電流介于100～1 500 A，獲取的功率值始終在50 W以上，同時(shí)，內(nèi)置12 V/35 A 大容量磷酸鐵鋰電池，具有功率密度大體積小、過(guò)充不燃燒、不爆炸、放電持久、充放電壽命1 500～2 000次等優(yōu)點(diǎn)。裝置采用純正弦波逆變電源，最大功率可達(dá)500 W，最高峰值可達(dá)1 000 W。為了獲取更多的數(shù)據(jù)參量，在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，選取了不同的取電電流，并對(duì)模塊的輸出功率進(jìn)行測(cè)試和監(jiān)控。

1.3 輸出電流與輸出電壓測(cè)量模塊

出于對(duì)方便主控芯片測(cè)量的考慮，輸出電流采用放電電流互感器，該互感器能夠?qū)⒎烹婋娏骺s小為原來(lái)的1/1 000，縮小后的電流經(jīng)過(guò)電阻以后能夠形成電壓信號(hào)，該信號(hào)仍為交流電壓信號(hào)，只有經(jīng)過(guò)運(yùn)放等組成的整流電路才能將交流信號(hào)轉(zhuǎn)變成為直流信號(hào)。而電壓互感器與相關(guān)電路將逆變器輸出的220 V 交流電縮小，1SS226三極管將電壓穩(wěn)定在一個(gè)區(qū)間范圍之內(nèi)，這時(shí)，電路能夠保持正常工作狀態(tài)，當(dāng)交流信號(hào)經(jīng)過(guò)整流電路后，則轉(zhuǎn)變成為直流信號(hào)。

1.4 顯示模塊

顯示模塊采用LM6063液晶顯示屏，通信通道主要借助于Jtag 插座與主控芯片，該模塊在進(jìn)入工作狀態(tài)以后，可以對(duì)充電電流、輸出電壓、放電電流與輸出功率四個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，這樣一來(lái)，更有利于終端操作人員開(kāi)展設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作。除顯示以上參數(shù)信息以外，LCD 顯示屏還能夠顯示出電壓電流、電池的實(shí)時(shí)充電情況與逆變器輸出的電壓電流信息，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確判定出各輸出與輸入設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

2 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的主要技術(shù)特征

2.1 測(cè)量數(shù)字化

測(cè)量數(shù)字化主要是對(duì)電力系統(tǒng)中的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及各項(xiàng)功能參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，以確定設(shè)備是否處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。其中，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)由多個(gè)智能型模塊構(gòu)成，在模塊執(zhí)行測(cè)量與監(jiān)控任務(wù)時(shí)，能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)直接傳輸給站控層網(wǎng)絡(luò)或者過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，在共享網(wǎng)絡(luò)的支持下，測(cè)量信息可以實(shí)現(xiàn)共享。比如在測(cè)量變壓器油溫及開(kāi)關(guān)設(shè)備分、合閘位信息時(shí)，如果變壓器油溫過(guò)高，或者開(kāi)關(guān)設(shè)備處于合閘狀態(tài)，該測(cè)量裝置都可以將最終的測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給智能終端，終端操作人員根據(jù)反饋結(jié)果可以快速判斷出設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障，或者存在的問(wèn)題。這種數(shù)字化、智能化的測(cè)量方式為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。

2.2 控制網(wǎng)絡(luò)化

控制模塊作為高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的重要組成部分，主要對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有效控制，而這種控制方式主要是基于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議來(lái)執(zhí)行程序指令，其控制對(duì)象主要包括變壓器冷卻裝置控制、有載分接開(kāi)關(guān)控制等?？刂品绞街饕峭ㄟ^(guò)智能組件對(duì)高壓設(shè)備與站控層設(shè)備進(jìn)行智能控制。控制的先后順序是：站控層設(shè)備、智能組件、就地控制器。由于網(wǎng)絡(luò)化控制模式具有靈活性特征，因此，在對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，能夠完成傳統(tǒng)控制模式無(wú)法完成的任務(wù)。比如在節(jié)能降耗理念提出以后，電力企業(yè)對(duì)變壓器冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果也提出了更高的要求，但是，如果利用傳統(tǒng)的控制模式控制冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行，節(jié)能效果差強(qiáng)人意，而利用網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，能夠?qū)ψ儔浩鞯呢?fù)載能力進(jìn)行有效控制，節(jié)能效果也逐步突顯出來(lái)。另外，如果利用網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備中的斷路器合閘相位予以控制，能夠有效防止涌流與過(guò)電壓現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 狀態(tài)可視化

智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中的顯示模塊可以將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)展現(xiàn)在顯示屏上，這時(shí)，終端操作人員可以借助于顯示屏上的信息，及時(shí)獲取設(shè)備啟動(dòng)以后的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)。其中，“狀態(tài)”主要是指設(shè)備的處于運(yùn)行模式下的可用狀態(tài)，比如設(shè)備運(yùn)行是否穩(wěn)定、控制狀態(tài)是否正常、負(fù)載能力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求等。終端操作人員如果掌握了這些信息，可以提前制訂出電網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化策略以及故障應(yīng)急處理預(yù)案，建立了這種事前防范機(jī)制，才能延長(zhǎng)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用壽命，電網(wǎng)運(yùn)行的安全性能才能得到切實(shí)改善。比如高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能組件的自診斷、自評(píng)估與自描述功能，可以對(duì)設(shè)備的可靠性狀態(tài)、運(yùn)行控制狀態(tài)、負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可以直接體現(xiàn)在顯示模塊上，而終端操作人員不需要獲取大量的過(guò)程信息與原始數(shù)據(jù)，只需要從這些結(jié)果數(shù)據(jù)當(dāng)中便可以快速判斷出高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，這不僅減少了站控層網(wǎng)絡(luò)的信息流量，同時(shí)，也使智能組件的互換性與互操作性得到真實(shí)體現(xiàn)。

2.4 信息互動(dòng)化

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，將產(chǎn)生大量的運(yùn)行信息，由于這些信息之間存在一種必然的交互關(guān)系，所以才能保證開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，這種信息互動(dòng)化是智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的一個(gè)顯著特征。比如智能組件通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備的可靠性狀態(tài)、控制狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)與負(fù)載能力狀態(tài)等信息直接傳輸?shù)秸{(diào)控系統(tǒng)，這時(shí)，技術(shù)人員可以根據(jù)接收到的信息針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備故障制訂故障應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，進(jìn)而將故障損失降到最低點(diǎn)。另外，高壓設(shè)備的可靠性運(yùn)行狀態(tài)信息與生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間的信息互動(dòng)過(guò)程，可以確定電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是否正常，而檢修人員可以結(jié)合這些信息來(lái)編制檢修計(jì)劃，這就給電力系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)保障。

2.5 功能集成化

設(shè)計(jì)人員在植入傳感器與執(zhí)行器時(shí)，需要事先制訂智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行目標(biāo)，這一目標(biāo)與狀態(tài)感知軟件、指令響應(yīng)軟件有著密切聯(lián)系。如果傳感器、執(zhí)行器與高壓設(shè)備無(wú)法匹配，那么設(shè)備的功能性也將嚴(yán)重缺失，這對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行將產(chǎn)生諸多不利影響。以變壓器繞組光纖測(cè)溫傳感器為例，如果設(shè)計(jì)人員已經(jīng)事先設(shè)計(jì)出了傳感器模型，但在加裝時(shí)卻與設(shè)備出現(xiàn)了不兼容的情況。而功能集成化實(shí)際上屬于一種較為先進(jìn)的制造技術(shù)，尤其在微電子技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，傳感器、執(zhí)行器的體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)大，在這一背景之下，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中的一些智能組件都可以實(shí)現(xiàn)集成化。這樣，既可以減少變電站的占地面積，同時(shí)，也大幅降低了設(shè)備發(fā)生絕緣故障的概率。因此，功能集成化特征也將成為智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備區(qū)別于其他開(kāi)關(guān)設(shè)備的一個(gè)分水嶺。

3 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化發(fā)展前景

3.1 智能傳感技術(shù)

過(guò)去，電力系統(tǒng)多使用電磁式互感器，這種互感器動(dòng)態(tài)范圍小，如果電流過(guò)大，其二次保護(hù)裝置將難以識(shí)別出電力系統(tǒng)的故障隱患，并且輸出信號(hào)需要敷設(shè)電纜到二次設(shè)備，這就需要進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換才能將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。另外，一旦CT 開(kāi)路產(chǎn)生高壓，將直接危及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)與電力設(shè)備的安全。而隨著數(shù)字技術(shù)、PLC 技術(shù)、電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，光電傳感器這種智能化的傳感器逐步在電力系統(tǒng)當(dāng)中得到普遍推廣和應(yīng)用，該技術(shù)以現(xiàn)代光纖作為信號(hào)傳輸載體，可以將電力系統(tǒng)的電信號(hào)快速轉(zhuǎn)變成為光信號(hào)。比如法拉第傳感器，通過(guò)對(duì)該傳感器在275 kV 變電站故障定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用效果可以看出，被測(cè)電流高達(dá)50 kA，適用的溫度區(qū)間介于-20～+80 ℃之間，監(jiān)測(cè)精度為1.5%，一旦變電站出現(xiàn)故障隱患，利用該傳感器可以快速確定故障的準(zhǔn)確位置，這就給故障排除爭(zhēng)取了大量時(shí)間。與電磁式傳感器相比，光電傳感器具有絕緣簡(jiǎn)單可靠、無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)、抗電磁干擾有力強(qiáng)、安裝維修簡(jiǎn)便高效等優(yōu)勢(shì)，因此，這種智能化的傳感器在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用。

3.2 微機(jī)處理技術(shù)

微處理器時(shí)代的到來(lái)使微機(jī)處理技術(shù)得到迅猛發(fā)展，隨著該技術(shù)的日漸成熟，在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的測(cè)量、運(yùn)算、決策、控制、保護(hù)等領(lǐng)域，也逐步表現(xiàn)出智能化特征。雖然微機(jī)系統(tǒng)安裝在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部，但是，由于體積小、功能全，使得高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能化特征表現(xiàn)的尤為明顯。比如智能化斷電保護(hù)功能、電量實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)功能，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。以智能化電力開(kāi)關(guān)柜為例，這種開(kāi)關(guān)柜利用微機(jī)處理技術(shù)可以對(duì)采集的各類信息進(jìn)行加工、分析、判斷、處理。其中，前置處理單元主要將電力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并通過(guò)邏輯運(yùn)算來(lái)發(fā)出報(bào)警、跳閘、操作等執(zhí)行動(dòng)作；而后置管理單元?jiǎng)t主要負(fù)責(zé)對(duì)事故的記錄與各種數(shù)據(jù)信息的打印工作，這就使電力系統(tǒng)的動(dòng)作執(zhí)行與終端管理完美地銜接在一起。

3.3 在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的產(chǎn)生距今已有近50a的歷史，該技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷演化和改進(jìn)，如今已經(jīng)形成了一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)體系，并且監(jiān)測(cè)與診斷范圍逐步擴(kuò)大。比如在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括對(duì)電壓、電流、功率等基本運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，故障診斷技術(shù)可以對(duì)電力系統(tǒng)的過(guò)電流、過(guò)電壓、短路、斷路、接地等故障進(jìn)行診斷，一旦發(fā)現(xiàn)故障隱患，智能組件將自動(dòng)發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)，檢修人員可以根據(jù)故障類型與部位及時(shí)啟動(dòng)故障應(yīng)急處理方案，進(jìn)而最大限度地降低因故障隱患而造成的經(jīng)濟(jì)損失。在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

從圖2可以看出，在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)主要由三部分組成，即信號(hào)變送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及處理和診斷系統(tǒng)。智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備如果具有這三種系統(tǒng)的基本特性，開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與檢修也將朝著智能化與自動(dòng)化方向發(fā)展，這就給電力企業(yè)節(jié)省了大量的人力資源成本、能源消耗成本以及設(shè)備維修成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其智能化水平直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性，因此，電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)始終秉持“與時(shí)俱進(jìn)、持續(xù)創(chuàng)新”的態(tài)度，對(duì)現(xiàn)有的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行技術(shù)、控制技術(shù)、故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)不斷予以改進(jìn)和創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益雙豐收的美好愿景。