劉 靖 宇

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100025)

0 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為我國(guó)智能化開(kāi)關(guān)柜的發(fā)展創(chuàng)造了條件，計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)等等都是智能化開(kāi)關(guān)柜的主要技術(shù)形式，在新時(shí)期，要使電力自動(dòng)化技術(shù)向更高層次發(fā)展，就需要對(duì)智能開(kāi)關(guān)的基本組成及功能進(jìn)行深入研究和探討。

1 智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備的發(fā)展

從智能化控制單位功能發(fā)展情況看，可以分成以下四方面：

1)自診斷功能。當(dāng)智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備中溫度超標(biāo)，分段次數(shù)多的情況下，就會(huì)觸動(dòng)智能系統(tǒng)中的自動(dòng)報(bào)警功能，遇到故障就會(huì)停止運(yùn)行，這樣就能有效防止因系統(tǒng)故障引發(fā)電廠安全問(wèn)題。但是，從目前的情況看，智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備價(jià)格都比較昂貴，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)部分電廠能夠承受的經(jīng)濟(jì)范圍，所以，很多供電企業(yè)都是利用功能模塊完成供電系統(tǒng)建設(shè)，其中應(yīng)用較為頻繁的是“監(jiān)控負(fù)載”模塊功能[1]。該種智能化功能模塊，能夠大大減少應(yīng)用成本，且滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用需求。

2)故障記憶功能。若系統(tǒng)發(fā)生故障，如斷路器反復(fù)分段故障的出現(xiàn)，這時(shí)，智能開(kāi)關(guān)設(shè)備就能記住該種分段狀態(tài)，為技術(shù)人員檢修故障提供了方便。

3)控制負(fù)載功能。所謂的控制負(fù)載功能指的是整定值難以適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)電流運(yùn)行量的情況下，智能開(kāi)關(guān)內(nèi)的反時(shí)限屬性就會(huì)被立刻激活，這樣，就能有效防止系統(tǒng)內(nèi)故障的出現(xiàn)。

4)檢測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)功能?；谥悄芑_(kāi)關(guān)設(shè)備全天候運(yùn)行特征，不管是什么時(shí)間段，只要系統(tǒng)中出現(xiàn)運(yùn)行故障，智能系統(tǒng)就會(huì)立刻做出反應(yīng)[2]。

2 智能化開(kāi)關(guān)柜的特點(diǎn)

1)系統(tǒng)特點(diǎn)。由于智能化開(kāi)關(guān)柜是以現(xiàn)代傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為主要技術(shù)形式，并利用常規(guī)開(kāi)關(guān)柜構(gòu)建控制保護(hù)單元，從而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)情況及時(shí)反饋，通過(guò)在線監(jiān)控分析、故障診斷的智能開(kāi)關(guān)柜?；谠摲N智能設(shè)備具有分析、診斷等各項(xiàng)功能，因而具有系統(tǒng)化特點(diǎn)。

2)通信特點(diǎn)。將變電站智能配電系統(tǒng)、動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)等各種系統(tǒng)形式，通過(guò)計(jì)算機(jī)與智能開(kāi)關(guān)柜控制保護(hù)單元連接起來(lái)，通過(guò)該種智能設(shè)備各功能的實(shí)現(xiàn)，具備了通信功能，從而構(gòu)成了一個(gè)智能化的配電系統(tǒng)[3]。

3)動(dòng)態(tài)發(fā)展特點(diǎn)。隨著我國(guó)科技的快速發(fā)展，各種新技術(shù)也逐漸發(fā)展起來(lái)，當(dāng)然，智能化開(kāi)關(guān)柜也是如此，必將會(huì)隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步而不斷地升級(jí)轉(zhuǎn)換，特別會(huì)在“在線監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)”領(lǐng)域，得到更好的發(fā)展，而已經(jīng)取代二次功能微機(jī)化設(shè)備，將會(huì)在已有的技術(shù)水平上上升到更高的臺(tái)階。

3 智能化開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)

智能化開(kāi)關(guān)柜是在常規(guī)二次設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它簡(jiǎn)化了二次接線，提高了設(shè)備的安全性能，便于維護(hù)管理，功能強(qiáng)大，且具有通信接口，為實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動(dòng)化提供了條件。

3.1 模擬量輸入通道

該種智能設(shè)備的模擬量輸入通道連接主要是與電壓互感器、一次電流互感器等直接連通，并使用TV及TA值小，且強(qiáng)電流范圍為0 A～5 A的電壓變換器，從而實(shí)現(xiàn)模擬量輸入通道連接的目的。無(wú)論是采樣保持器還是低通濾波器都能通過(guò)0 A～5 A,4 mA～20 mA電壓、電流信號(hào)，而其中或許會(huì)通過(guò)的電壓信號(hào)是由TA與TV轉(zhuǎn)換來(lái)的，而送入與轉(zhuǎn)換器中的有關(guān)信息，是通過(guò)上述兩種設(shè)備進(jìn)行的[4]。要想讓模擬量輸入通道的作用充分發(fā)揮出來(lái)，其具體的模擬量應(yīng)該通過(guò)電流出相角、頻率等，計(jì)算出相關(guān)的功能因素?cái)?shù)據(jù)。

3.2 開(kāi)關(guān)量輸入通道

利用光電隔離等技術(shù)，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)各位置信號(hào)及斷路器狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)視，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就能夠立刻做出反應(yīng)，從而將開(kāi)關(guān)量輸入通道的作用全面發(fā)揮出來(lái)。

3.3 脈沖量輸入通道

當(dāng)電源失電信號(hào)及控制回路斷線等各項(xiàng)功能運(yùn)行時(shí)，可以借助光電隔離、合閘操作等技術(shù)，阻斷電源信號(hào)的發(fā)出。

4 智能化開(kāi)關(guān)柜的基本功能

1)測(cè)量功能。智能化開(kāi)關(guān)柜的測(cè)量功能涵蓋很多的方面，應(yīng)用的范圍比較廣，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓、電流、無(wú)功功率等各因素進(jìn)行測(cè)量。

2)保護(hù)功能。能夠?qū)﹄娏麟妷?、不平衡電壓、電流等進(jìn)行保護(hù)。

3)故障錄波功能。故障發(fā)生的前后2 s內(nèi)，各相電壓及零序電流波形，具備故障讀出功能。

4)遙控功能。利用通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控等功能[5]。

5 智能開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)方案

5.1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)際上，智能開(kāi)關(guān)柜也就是在常規(guī)開(kāi)關(guān)柜上設(shè)置一個(gè)控制保護(hù)單元，主要是由單片機(jī)、模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。其中，單片機(jī)系統(tǒng)是智能控制保護(hù)單元的核心。在設(shè)計(jì)智能開(kāi)關(guān)柜時(shí)，可以使用8位或者是16位的中央處理器結(jié)構(gòu)，目前，16位結(jié)構(gòu)使用比較普遍。因?yàn)樗铚y(cè)量及保護(hù)的數(shù)據(jù)計(jì)算量非常大，同時(shí)，還要將故障發(fā)生前后的波形變化情況記錄下來(lái)，因此，外擴(kuò)一片PAM6264，用來(lái)保存相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

5.2 模擬量輸入通道

從智能開(kāi)關(guān)柜智能控制保護(hù)單元的角度看，其所收集到的信息有交流模擬量與開(kāi)關(guān)量?jī)煞N。模擬信號(hào)主要是從電流、電壓互感器中產(chǎn)生的，但是，不管是哪種形式的互感器都無(wú)法滿足模數(shù)變換器輸出的要求，因此，必須要進(jìn)行變換。與此同時(shí)，智能單元及強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)必須要分離開(kāi)。圖1為模擬量輸入通道原理圖。

關(guān)于隔離變換及電壓的轉(zhuǎn)換都是通過(guò)中間變換器完成的。但由于常規(guī)變換器體積大，不易移動(dòng)，而智能單元往往要采用很多變換器，要采用這類體積大的變換器顯然無(wú)法獲得理想效果[6]。因此，可以使用微型互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比于常規(guī)變換器，該種互感器體積小，使用方便，可以直接將其焊接于電路板中，且隔離度非常高。當(dāng)然，這種進(jìn)行保護(hù)的微型互感器與進(jìn)行測(cè)量的互感器具體要求不同，用于保護(hù)的微型互感器輸入的是電網(wǎng)故障電流，數(shù)值大，能偶將電流輸出信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。而對(duì)于模擬量輸入電路來(lái)說(shuō)，無(wú)論是采樣保持還是模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程都只需要使用一塊電子芯片，轉(zhuǎn)換速度快。

5.3 開(kāi)關(guān)量輸入、輸出設(shè)備

開(kāi)關(guān)量輸入包含斷路器等原件觸電及繼電器接點(diǎn)狀態(tài)，對(duì)相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；智能開(kāi)關(guān)自身的接點(diǎn)狀態(tài)，比如開(kāi)關(guān)量輸出回路繼電器節(jié)點(diǎn)及裝置面板上開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)兩種類型。所以，在設(shè)計(jì)方案時(shí)，必須要根據(jù)各接點(diǎn)的性質(zhì)來(lái)優(yōu)化方案，從而使信號(hào)出口信號(hào)得到相應(yīng)的優(yōu)化。

5.4 通信接口電路

對(duì)于智能開(kāi)關(guān)柜的控制保護(hù)單元來(lái)說(shuō)，必須要具備通信接口，可以使用RS-485。其為半雙工通信，通信最大距離可達(dá)1 200 m，這時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率為100 kbit/s。為了使復(fù)雜繁瑣的通信機(jī)制簡(jiǎn)單化，智能電器與系統(tǒng)間通信應(yīng)該使用兩條信號(hào)線連接的方式。系統(tǒng)機(jī)一方利用標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口處的引腳，另外，系統(tǒng)接口電路的通信系統(tǒng)主要有單片機(jī)、接口轉(zhuǎn)換等幾部分組成。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的快速發(fā)展，各類先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，智能開(kāi)關(guān)柜的功能將會(huì)在已有基礎(chǔ)上得到不斷地升級(jí)，并發(fā)展成一體化布局配套水準(zhǔn)，為企業(yè)智能化發(fā)展創(chuàng)造條件。