基于手車式高壓開關(guān)柜的手車智能控制技術(shù)研究

李 煜 李 卓

（1.北京京能清潔能源電力股份有限公司華南分公司，廣東湛江524000；2.廣州開發(fā)區(qū)粵電新能源有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，開關(guān)設(shè)備智能化在國外和國內(nèi)實(shí)際上已經(jīng)歷了多年研究，并且在智能變電站或新能源集控中心有了一些應(yīng)用[1]。在傳統(tǒng)的手車式高壓開關(guān)柜斷路器手車底盤和接地開關(guān)處增設(shè)電驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通過電氣二次系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，用以驅(qū)動小車的搖入、搖出和接地開關(guān)的分合閘操作。增加的電驅(qū)動部分模塊化嵌入小車底盤和接地開關(guān)，不改變原有開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)和功能，所以不會對原開關(guān)柜的電氣性能和機(jī)械性能造成影響。不打亂重構(gòu)原有開關(guān)柜的五防閉鎖，而是在原有開關(guān)柜完善的機(jī)械五防閉鎖機(jī)構(gòu)之外，再設(shè)計(jì)一套電氣閉鎖系統(tǒng)，兩套五防既可共存又可獨(dú)立起作用，相互不產(chǎn)生干涉，大大提高了高壓設(shè)備操作的安全性。一方面，電動操作和手動操作共存，二者各自都可以獨(dú)立操作，并實(shí)現(xiàn)自由切換，提高了操作的可靠性、靈活性。另一方面，兩種操作互鎖，確保在同一時(shí)間只能使用一種操作模式，從而確保了操作的安全性。

1 項(xiàng)目意義

目前，新能源電站設(shè)備分布廣，作業(yè)點(diǎn)分散，安全管理人員數(shù)量少，無法對作業(yè)現(xiàn)場和現(xiàn)場運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安全可靠的監(jiān)管，不能及時(shí)規(guī)避相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，并且存在一定的安全管理漏洞和風(fēng)險(xiǎn)。為進(jìn)一步推廣集中監(jiān)控管理與電站定期巡檢的模式，并有效提高電站運(yùn)維效率，電站自動化控制程度需要進(jìn)一步提高?；诖耍岢隽烁邏洪_關(guān)柜手車智能控制技術(shù)，該項(xiàng)控制技術(shù)有效提高了電站的自動化程度，同時(shí)也減少了運(yùn)維值班人員巡檢的工作量，降低了電站運(yùn)維人員在操作開關(guān)柜分合閘過程中人身觸電的風(fēng)險(xiǎn)。

2 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)功能及實(shí)施原理

2.1 實(shí)現(xiàn)的功能

（1）接地開關(guān)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，緩慢、平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)合閘/分閘操作。

（2）手動和電動操作機(jī)構(gòu)間具有離合裝置，使電動和手動操作相互獨(dú)立。

（3）電動操作控制單元可遠(yuǎn)程和本地控制接地開關(guān)合閘/分閘，具有電動操作電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)和故障報(bào)警功能，當(dāng)搖進(jìn)/搖出操作過程中出現(xiàn)阻滯時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警，并及時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，防止繼續(xù)進(jìn)行操作，損壞相關(guān)機(jī)械閉鎖[2]。

（4）電動操作控制單元可通過位置輔助裝置來監(jiān)控合閘/分閘情況，避免高壓拉弧對設(shè)備造成損壞，因?yàn)楹祥l與分閘過程中未完全完成合閘或分閘動作的斷路器在通電或斷電瞬間會出現(xiàn)高壓拉弧現(xiàn)象。

（5）控制單元具有步進(jìn)電機(jī)制動功能，以防止電動操作到位后電機(jī)因堵轉(zhuǎn)損壞。

（6）接地開關(guān)本體帶位置信號輔助節(jié)點(diǎn)，并具備完整的五防聯(lián)鎖功能。

2.2 斷路器電動底盤車

電動底盤車的步進(jìn)電機(jī)和絲桿的連接采用齒輪嚙合傳動結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)搖進(jìn)/搖出操作。如圖1所示，底盤車可分別進(jìn)行手動和電動操作，手動和電動操作機(jī)構(gòu)間具有螺母式離合裝置，可在手動操作過程中的任何位置進(jìn)行脫離，離合后可以使電動操作與手動操作相互獨(dú)立。電動操作控制單元可通過遠(yuǎn)程控制來對底盤車進(jìn)行搖進(jìn)/搖出操作，同時(shí)電動操作模式下具有電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)和故障報(bào)警功能，在電動模式下，搖進(jìn)/搖出操作過程中出現(xiàn)阻滯時(shí)會進(jìn)行報(bào)警，并及時(shí)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，防止搖進(jìn)/搖出操作繼續(xù)進(jìn)行，損壞相關(guān)機(jī)械閉鎖?？刂茊卧哂须姍C(jī)制動功能，以防止電動搖進(jìn)/搖出操作完成后步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)工作，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)損壞。同時(shí)，底盤車本體帶位置信號輔助節(jié)點(diǎn)來確定搖進(jìn)/搖出操作是否完成并反饋分合閘情況到遠(yuǎn)程控制終端（人機(jī)交互端），具備完整的五防聯(lián)鎖功能。

圖1 電動操作底盤車結(jié)構(gòu)圖

2.3 電動接地開關(guān)

電動操作主要針對JN15、JN17系列帶關(guān)合能力的線路側(cè)接地開關(guān)。如圖2所示，結(jié)構(gòu)上在手動操作的接地開關(guān)框架中加裝電驅(qū)動裝置及傳動模塊，配合操作控制單元（或和電動斷路器控制器合成為二合一控制單元），實(shí)現(xiàn)接地開關(guān)的電動操作。

圖2 電動操作的接地開關(guān)

2.4 新增步進(jìn)電機(jī)及電動控制裝置工作原理

通過新增的AC/DC電源模塊給遠(yuǎn)程電動控制裝置提供所需直流電，遠(yuǎn)程控制裝置內(nèi)部由電源管理單元、步進(jìn)電機(jī)控制單元、分合閘檢測單元、中央處理單元、堵轉(zhuǎn)檢測單元、無線通信單元等構(gòu)成。其中，電源管理單元負(fù)責(zé)將外部AC/DC電源模塊提供的直流電轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程控制裝置內(nèi)部其他各單元所需的不同電壓等級；步進(jìn)電機(jī)控制單元用于接收中央處理單元傳遞過來的控制信號以驅(qū)動外部的步進(jìn)電機(jī)；分合閘檢測單元用來檢測分閘/合閘的狀態(tài)，將分合閘狀態(tài)信息傳遞給中央處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；中央處理單元將從無線通信單元獲得的控制命令，配合分合閘檢測單元傳遞過來的分合閘狀態(tài)信息進(jìn)行處理，將處理完的信息傳遞給步進(jìn)電機(jī)控制單元來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)完成分合閘動作；堵轉(zhuǎn)檢測單元負(fù)責(zé)檢測步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中是否遇到阻滯情況，一旦遇到阻滯則傳遞信息給中央處理單元，中央處理單元接收到阻滯信號后立即發(fā)出停止運(yùn)行的信號給步進(jìn)電機(jī)控制單元，使步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行；無線通信單元與遠(yuǎn)程控制終端進(jìn)行無線通信，將從遠(yuǎn)程控制終端獲得的控制命令數(shù)據(jù)傳遞給中央控制單元進(jìn)行處理并執(zhí)行，與此同時(shí)，將從中央處理單元傳遞過來的分合閘狀態(tài)信息反饋到遠(yuǎn)程控制終端。

3 項(xiàng)目實(shí)施過程

3.1 斷路器底盤車改造

傳統(tǒng)手車式高壓斷路器小車的底盤是機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該機(jī)械結(jié)構(gòu)中不具備電動搖進(jìn)/搖出機(jī)構(gòu)，無法對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控或電動操作，該項(xiàng)控制技術(shù)是通過在傳統(tǒng)手車式高壓斷路器小車的底盤安裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程控制裝置，同時(shí)改造斷路器的二次接線，安裝電動底盤車控制器，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高壓手車式開關(guān)的遠(yuǎn)程操控及本地的電動操作。

圖3 改造前后傳統(tǒng)手車式高壓斷路器底盤車

3.2 接地開關(guān)改造

傳統(tǒng)手車式高壓開關(guān)柜的接地開關(guān)是機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖4所示，該機(jī)械結(jié)構(gòu)中不具備電動機(jī)及電動控制裝置，無法對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控或本地電動操作，該項(xiàng)控制技術(shù)是通過在傳統(tǒng)手車式高壓開關(guān)柜的接地開關(guān)處安裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)增加電動地刀控制器、相關(guān)二次線回路及遠(yuǎn)程控制裝置，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手車式高壓開關(guān)柜的接地開關(guān)遠(yuǎn)程操控或電動操作。

圖4 改造前后的接地開關(guān)

3.3 遠(yuǎn)程電動控制增加部分的硬件連接

遠(yuǎn)程控制裝置的電源接口外接AC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)輸出接口外接兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，用來驅(qū)動底盤車與接地刀，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電動控制；遠(yuǎn)程控制裝置的分合閘檢測接口分別接入兩路合閘與兩路分閘位置輔助信號，用于檢測底盤車與接地刀的分閘與合閘情況；遠(yuǎn)程控制裝置的外部天線接口外接GPRS天線，用于無線電信號傳輸（注意天線不能放置在金屬箱或金屬籠中，以免信號被屏蔽，影響遠(yuǎn)程無線通信）。

4 具體實(shí)現(xiàn)過程描述

控制終端下發(fā)底盤車合閘命令，底盤車遠(yuǎn)程控制裝置接口的無線通信單元接收控制終端下發(fā)的控制命令，將數(shù)據(jù)傳遞給中央控制單元進(jìn)行處理，同時(shí)中央處理單元對位置輔助裝置傳遞的底盤車位置信息進(jìn)行處理，然后輸出控制信號到步進(jìn)電機(jī)控制單元控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動通過齒輪與軸承傳動，底盤車實(shí)現(xiàn)搖進(jìn)操作。當(dāng)?shù)妆P車運(yùn)行到“即將合閘”位置檢測處，位置輔助裝置輸出信號傳遞到遠(yuǎn)程控制裝置的分合閘檢測單元，將輸出信號傳遞到中央處理單元進(jìn)行處理，中央處理單元輸出減速信號給步進(jìn)電機(jī)控制單元對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行減速處理，進(jìn)而使底盤車緩慢運(yùn)行，直到中央處理單元接收到位置輔助裝置輸出的合閘信號后輸出停止信號給步進(jìn)電機(jī)控制單元，控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)將完成搖進(jìn)操作的狀態(tài)信息通過通信單元傳遞給控制終端，整個(gè)搖進(jìn)任務(wù)完成。

控制終端下發(fā)底盤車分閘命令，底盤車遠(yuǎn)程控制裝置接口的無線通信單元接收控制終端下發(fā)的控制命令，將數(shù)據(jù)傳遞給中央控制單元進(jìn)行處理，同時(shí)中央處理單元對位置輔助裝置傳遞的底盤車位置信息進(jìn)行處理，然后輸出控制信號到步進(jìn)電機(jī)控制單元控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動通過齒輪與軸承傳動，底盤車實(shí)現(xiàn)搖出操作。當(dāng)?shù)妆P車運(yùn)行到“即將分閘”位置檢測處，位置輔助裝置輸出信號傳遞到遠(yuǎn)程控制裝置的分合閘檢測單元，將輸出信號傳遞到中央處理單元進(jìn)行處理，中央處理單元輸出減速信號給步進(jìn)電機(jī)控制單元對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行減速處理，進(jìn)而使底盤車緩慢運(yùn)行，直到中央處理單元接收到位置輔助裝置輸出的分閘信號后輸出停止信號給步進(jìn)電機(jī)控制單元，控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)將完成搖出操作的狀態(tài)信息通過通信單元傳遞給控制終端，整個(gè)搖出任務(wù)完成。

在底盤車搖進(jìn)/搖出操作過程中，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)阻滯時(shí)，遠(yuǎn)程控制裝置中堵轉(zhuǎn)檢測單元檢測到步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)后，中央處理單元輸出停止信號給步進(jìn)電機(jī)控制單元來控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)將故障信號通過無線通信單元上報(bào)給控制終端進(jìn)行故障報(bào)警，并將控制模式切換為手動控制模式。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）整體開關(guān)柜結(jié)構(gòu)沒有變動，增加的電驅(qū)動功能部分是以模塊化形式嵌入底盤車和接地開關(guān)，不改變原有開關(guān)柜結(jié)構(gòu)和功能，即不會對原開關(guān)柜的電氣性能和機(jī)械性能造成影響。

（2）本次改進(jìn)不會打亂重構(gòu)原有開關(guān)柜的五防閉鎖功能，而是在原有開關(guān)柜完善的機(jī)械五防閉鎖機(jī)構(gòu)之外，再新增設(shè)計(jì)一套電氣閉鎖系統(tǒng)，機(jī)械五防與電氣五防這兩套五防既可共存又可獨(dú)立起作用，相互不產(chǎn)生干涉，大大提高了產(chǎn)品操作的安全性。

（3）電動操作模式與手動操作模式共存，二者各自都可以獨(dú)立操作，并實(shí)現(xiàn)自由切換，提高了設(shè)備操作的靈活性。另一方面，兩種操作模式互鎖，確保同一時(shí)間內(nèi)只能使用一種操作模式，確保了操作人員在操作過程中的安全性。

（4）具備運(yùn)行狀態(tài)及分/合閘狀態(tài)檢測功能，通過無線通信將運(yùn)行狀態(tài)信息反饋到管理終端，管理人員可以很容易地知道分/合閘情況。

（5）遠(yuǎn)程控制合閘/分閘，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備集中管理，大大提高了運(yùn)維效率。

6 安全經(jīng)濟(jì)效益

6.1 管理收益

可以從根源上有效監(jiān)控從設(shè)備到整個(gè)配電房的高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)，制定切實(shí)可行的運(yùn)維策略，形成標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)維管理流程和配單流程；同時(shí)，利用運(yùn)行管理軟件平臺和配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)柜集中“三遙”功能。

可實(shí)現(xiàn)多個(gè)配電房集中管理與控制，且不受地理位置的限制。

6.2 經(jīng)濟(jì)收益

遠(yuǎn)程電動控制裝置的加入，有效節(jié)約了在巡檢路途中所耗費(fèi)的人力及物力，可實(shí)現(xiàn)從事后檢修到事前預(yù)防的轉(zhuǎn)變，降低因故障引起的經(jīng)濟(jì)損失。通過有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀況，運(yùn)維人員可以及時(shí)對設(shè)備進(jìn)行檢修，避免設(shè)備因故障后不能及時(shí)檢修導(dǎo)致使用壽命縮短，有效延長了設(shè)備使用壽命。

7 結(jié)語

該項(xiàng)研究成果可以轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品，將成果應(yīng)用到其他分布式新能源電站高壓開關(guān)柜。將傳統(tǒng)的手車式開關(guān)柜改為電動操作，提升了系統(tǒng)的可靠性，在保證人身安全的同時(shí)，使得開關(guān)柜在全生命周期成本上也極具優(yōu)勢。運(yùn)維人員不用外出巡檢即可在遠(yuǎn)程控制中心高效地完成日常運(yùn)行操作與設(shè)備巡檢，節(jié)省了大量的操作工時(shí)、管理成本和交通成本。