丁永生

(上海置信電氣股份有限公司，上海 200335)

0 引 言

我國智能電網(wǎng)已進(jìn)入全面建設(shè)階段，為配電網(wǎng)的主體設(shè)備制造行業(yè)提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇[1-2]。配電網(wǎng)直接面對終端用戶的重要環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)分配電能和服務(wù)客戶的重要任務(wù)。由于分布廣泛、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故供電能力、供電可靠性和供電質(zhì)量對社會經(jīng)濟(jì)影響巨大[3]。配電系統(tǒng)設(shè)備是配電環(huán)節(jié)的主體，是智能配電自動化系統(tǒng)與智能配電自動化設(shè)備的有力支撐，作為配電網(wǎng)運行可靠性保證的重要環(huán)節(jié)，配電開關(guān)的重要性更為突出。而配電開關(guān)又是配電系統(tǒng)設(shè)備中的核心之一，配電開關(guān)的發(fā)展對有效提高配電網(wǎng)的供電能力和供電可靠性、保證供電質(zhì)量有重要的意義。因此本文對配電臺區(qū)一二次設(shè)備的多功能融合與信息交互進(jìn)行探討。

1 配電臺區(qū)一二次設(shè)備總體設(shè)計方案

智能配電臺區(qū)包括了諸多的集成特點，分別為設(shè)備、功能、專業(yè)以及系統(tǒng)集成等，本文對當(dāng)前智能配電臺區(qū)的三層兩網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，保留了站控層的架構(gòu)，集成了過程層與間隔層的設(shè)備，并將設(shè)備集中在一個裝置中，以實現(xiàn)模塊化操作。該裝置經(jīng)過站控層設(shè)備與交換機(jī)，采用開關(guān)本體與光纖直連的方式實現(xiàn)信息的交互，在配電臺區(qū)只存在兩層一網(wǎng)，簡化了操作程序與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最終實現(xiàn)智能開關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信息流。智能高壓開關(guān)設(shè)備信息交互架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能高壓開關(guān)設(shè)備信息交互架構(gòu)

二次設(shè)備功能的設(shè)計就是將二次設(shè)備進(jìn)行模塊化，并集中在一個設(shè)備中，這樣的設(shè)備稱為智能主機(jī)[4]。智能主機(jī)各個模塊由背板總線進(jìn)行通信交互，并將形態(tài)監(jiān)控IED、局放檢測IED、合并單元、智能終端和檢測保護(hù)等設(shè)備進(jìn)行融合，以實現(xiàn)開關(guān)自身與站控層之間的交互，還可以進(jìn)行智能技術(shù)方面的支持，例如智能調(diào)控、問題判定和聲學(xué)指紋等技術(shù)[5]。配電臺區(qū)一二次設(shè)備的多功能融合高壓開關(guān)設(shè)備的信息流架構(gòu)如圖2所示。

圖2 多功能融合高壓開關(guān)設(shè)備的信息流架構(gòu)

應(yīng)用分布式管理方式，將對應(yīng)的調(diào)控器賦予各個智能開關(guān)，同時將調(diào)控器安裝于機(jī)構(gòu)箱，完全應(yīng)用調(diào)控器來完成二次設(shè)備的所有功能，實現(xiàn)原有一二次設(shè)備的融合，不必對一二次設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分，使主機(jī)的處理量有效降低。

2 智能化高壓開關(guān)控制回路優(yōu)化研究

2.1 跌落式熔斷器狀態(tài)監(jiān)測流程

智能化設(shè)計方案主要包括熔斷器狀態(tài)監(jiān)測與設(shè)備功能融合。熔斷器狀態(tài)監(jiān)測包括狀態(tài)采集、監(jiān)測板模塊和短程射頻通信。跌落式熔斷器狀態(tài)監(jiān)測流程如圖3所示，本文提出的檢測方法是將跌落式熔斷器狀態(tài)監(jiān)測傳感器固定在熔管上，將角度傳感器內(nèi)置于熔管內(nèi)。若熔管跌落，角度傳感器的初始角度發(fā)生變化。若水平角度低于門限，則確認(rèn)為跌落。如果熔管再一次閉合，水平角度高于門限，則確認(rèn)為閉合。

將接地、隔離接地開關(guān)結(jié)構(gòu)和斷路器進(jìn)行優(yōu)化，使得匯控柜到機(jī)構(gòu)之間的線路減少。統(tǒng)計斷路器、開關(guān)機(jī)構(gòu)到智能組件柜的電纜數(shù)量。由開關(guān)設(shè)備控制器對智能高壓開關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)字化，優(yōu)化并取消掉傳統(tǒng)開關(guān)備用輔助接點，最后對備用輔助開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 漏電開關(guān)控制板與無功補償控制板模塊設(shè)計

對于漏電開關(guān)控制板模塊設(shè)計，漏電開關(guān)本體僅作為電氣量采集和分合閘執(zhí)行功能，控制板負(fù)責(zé)對電路保護(hù)、控制、監(jiān)測及通信，插裝在智能終端中?？刂瓢逍∧K與智能終端通過IEC101、MODBUS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，模塊化重合閘斷路器如圖4所示。實現(xiàn)了斷路器合閘與跳閘的功能，二次設(shè)備在進(jìn)行回路控制時，能夠?qū)崿F(xiàn)對一次設(shè)備的控制。因此控制回路在二次設(shè)備中的重要性非常大，是二次設(shè)備受到一次設(shè)備控制的重要過程[6]。

圖4 模塊化重合閘斷路器

對于無功補償控制板模塊設(shè)計，首先剔除智能電容器的顯示屏，將無功補償控制板插裝在智能終端中，實現(xiàn)補償計算和電容自動投切控制功能，同時實現(xiàn)智能終端對電壓和電流的取樣。模塊與智能終端通過IEC101、MODBUS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過對電網(wǎng)上每一相的電壓與電流進(jìn)行采集，應(yīng)用互感器將電流電壓轉(zhuǎn)換為微電流信號，并應(yīng)用電能計量芯片ATT7022E對電流信號進(jìn)行計算，得出功率因數(shù)、無功功率以及有功功率，再采用主控芯片STM32F103RBT6進(jìn)行計算處理，以確認(rèn)線路是否受到了無功補償，同時與控制芯片相連的還有儲存模塊、下載接口以及通信接口。智能機(jī)構(gòu)控制器的通信板設(shè)計如圖5所示。

圖5 智能機(jī)構(gòu)控制器的通信板設(shè)計

2.3 智能終端模塊功能融合設(shè)計

本次研究除滿足常規(guī)功能外，還融合了漏電保護(hù)與控制，無功補償檢測與控制，以及高壓熔斷器監(jiān)測等功能。取消本體的顯示功能，通過手持終端近程與智能終端進(jìn)行藍(lán)牙通信，實現(xiàn)顯示操作和調(diào)試等人機(jī)交互。同時智能終端的硬件和軟件采用模塊化功能設(shè)計，支持帶電熱插拔，可擴(kuò)展、易更換和易維護(hù)?？筛鶕?jù)需求選配定貨、無需額外投入，并支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置及在線軟件升級，如圖6所示。

圖6 智能終端模塊功能融合

本文研究了配電臺區(qū)一二次設(shè)備融合技術(shù)可行性，提出了多功能信息融合交互方法；并基于電路保護(hù)、控制、監(jiān)測及通信功能的漏電開關(guān)控制板模塊，設(shè)計了對功率因數(shù)采集、無功補償容量計算和電容自動投切等功能的無功補償控制板模塊；融合了熔斷器監(jiān)測板、漏電開關(guān)控制板和無功補償控制板等模塊可熱插拔以及可擴(kuò)展功能的智能終端；實現(xiàn)了智能終端信息匯聚與平臺共享；解決了以往臺區(qū)智能化功能中存在的信息孤島、功能重復(fù)堆砌和數(shù)據(jù)管理缺失等問題，提升了設(shè)備的智能化水平。

3 試驗及推廣應(yīng)用

本次研究將智能機(jī)構(gòu)控制器配置在高壓開關(guān)設(shè)備的各個機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，智能機(jī)構(gòu)控制器中的二次設(shè)備功能用于接收上層分合閘指令，通過CPU處理后，控制電路驅(qū)動IGBT，最后實現(xiàn)高壓開關(guān)的分合閘操作。對斷路器分合狀態(tài)等進(jìn)行仿真模擬，應(yīng)用示波器記錄兩個通道的RS485信號線脈沖輸出與結(jié)束時刻的電壓，并計算出智能機(jī)構(gòu)控制器的延時。分閘延時、合閘測試示波器波形，如圖7所示。

由圖7可以看出:操作分閘時，當(dāng)分閘指令傳輸至智能機(jī)構(gòu)控制器，輸出電壓平均延遲時間為3.81 ms；操作合閘時，當(dāng)合閘指令傳輸至智能機(jī)構(gòu)控制器，輸出電壓平均延遲時間為3.83 ms。

圖7 分閘延時、合閘測試示波器波形

本文研究的ZW32(H)-12/630-25一二次深度融合柱上斷路器成套裝置，在國網(wǎng)福建廈門供電公司翔安分中心馬巷供電局桂東線掛網(wǎng)運行，至今未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象和安全隱患。在掛網(wǎng)運行期間，ZW32(H)-12/630-25一二次深度融合柱上斷路器運行狀態(tài)良好，數(shù)據(jù)采集精確，如圖8、圖9所示。

圖8 桂東線02桿現(xiàn)場掛網(wǎng)圖和遙測遙信數(shù)據(jù)

圖9 桂東線33桿現(xiàn)場掛網(wǎng)圖和遙測遙信數(shù)據(jù)

實現(xiàn)一二次設(shè)備多功能融合后，智能配電網(wǎng)集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為合理，單個配電開關(guān)站的成本最高可以節(jié)約5.1萬元，且二次屏柜的數(shù)量由原來的2個減少至1個，這樣使得安裝面積減小約0.6 m2。配電裝置的集成使得配電系統(tǒng)進(jìn)一步簡化，減少了設(shè)備安裝調(diào)試的時間，該項經(jīng)濟(jì)價值估算為0.9萬元。因此對二次設(shè)備進(jìn)行多功能融合后，可以為配電臺區(qū)的每個土建開關(guān)站節(jié)約土地0.6 m2，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益6.0萬元。

4 結(jié)束語

本文提出了一種配電臺區(qū)一二次設(shè)備多功能融合成套裝置，并運用實例對配電臺區(qū)的一二次設(shè)備的融合進(jìn)行實證。結(jié)果表明，一二次深度融合柱上斷路器成套裝置掛網(wǎng)運行后，至今未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象和安全隱患。在配電臺區(qū)實現(xiàn)二次設(shè)備的多功能融合后，單個配電開關(guān)站的的成本最高可以節(jié)約5.1萬元，且安裝面積減小約0.6 m2。配電裝置的集成使得配電系統(tǒng)進(jìn)一步簡化，減少了設(shè)備安裝調(diào)試的時間，該項經(jīng)濟(jì)價值估算為0.9萬元。相信今后能夠在技術(shù)上進(jìn)行突破，開發(fā)出更加完善的融合裝置。