戚宣威，王 松，徐 華，陳孝信，韓松杰，劉志祥

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.上海思源弘瑞自動化有限公司，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，通過復雜物理接線實現(xiàn)斷路器的分合控制和三相不一致保護、電機打壓、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。長期運行在現(xiàn)場環(huán)境下，繼電器容易老化，電纜端子會出現(xiàn)松動，復雜的回路接線難免會出現(xiàn)錯誤。這些安全隱患會導致斷路器不正確動作，嚴重影響斷路器本體以及大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[7-9]。2018 年，某省斷路器出現(xiàn)危急和嚴重缺陷共計409 臺次，由于匯控系統(tǒng)二次回路故障造成的缺陷236 臺次，包括控制回路斷線、位置信號不正確、繼電器故障和儲能控制回路故障等。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，已成為導致斷路器出現(xiàn)缺陷的重要因素。

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

（3）感知連接受限。斷路器需要單獨設(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，實現(xiàn)匯控柜送出的電纜模擬信號與智能變電站網(wǎng)絡(luò)光纖數(shù)字信號之間的接口交互。這種接口交互形式增加了系統(tǒng)的復雜性，且需要根據(jù)不同的廠家設(shè)計不同類型的交互接口，通用性和擴展性差。

本文提出了一種斷路器智能匯控系統(tǒng)，突破了幾十年來斷路器一、二次系統(tǒng)割裂的設(shè)計模式，采用高防護數(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，取消智能終端等信號轉(zhuǎn)接設(shè)備，實現(xiàn)與智能變電站網(wǎng)絡(luò)的無縫對接，推動電力設(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)針對的是220 kV 開關(guān)匯控柜，采用3 套智能裝置實現(xiàn)一次設(shè)備智能化及與保護和監(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現(xiàn)匯控柜內(nèi)操作回路集成，同時具備CPU（中央處理器）板卡和輸入/輸出板卡，實現(xiàn)斷路器電機儲能控制保護、斷路器隔離開關(guān)遙控和聯(lián)閉鎖、斷路器信號采集和就地LED 顯示等功能。

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

匯控柜保留模擬盤，以便于現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備檢修和就地手動操作。斷路器機構(gòu)室和隔離開關(guān)機構(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現(xiàn)斷路器的分/合閘控制回路，從而簡化二次接線與繼電器配置。

智能組合控制器可接收來自保護裝置或者智能裝置的分相跳閘接點，該接點直接與斷路器的跳閘線圈串聯(lián)，從而實現(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 繼電器實現(xiàn)就地/遠方手動分/合閘控制，同時配置了ZHJ 繼電器實現(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自智能站保護裝置的分/合閘報文，并將報文信號轉(zhuǎn)化為硬接點開入至智能組合控制器，從而實現(xiàn)保護裝置對斷路器的分/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現(xiàn)防跳功能。如圖3 所示，當跳閘線圈1 或2勵磁時，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 接點閉合，并驅(qū)動1TBUJA 和2TBUJA 繼電器得電，從而斷開合閘回路。該設(shè)計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，智能組合控制器配置了軟件斷路器防跳功能，可以自動根據(jù)斷路器的跳閘與合閘指令，通過軟件邏輯方式實現(xiàn)“防跳功能”，如圖4 所示。防跳軟壓板投入后，在保護或遙控跳閘出口未返回的情況下，當裝置收到單相合閘或保護重合閘指令后，將觸發(fā)防跳邏輯對合閘出口進行閉鎖。

圖4 軟件防跳邏輯

2.3 三相不一致保護

傳統(tǒng)斷路器匯控柜配置的2 套三相不一致保護分別在2 套智能裝置中實現(xiàn)。智能裝置采集三相分合位置信號，判斷斷路器的三相不一致運行情況，當三相不一致到達整定延時時，通過如圖2 所示的TJF 回路驅(qū)動斷路器跳閘。

智能裝置根據(jù)6 路三相分合位置信號判斷異常情況并告警，防止某個接點問題引起保護誤動；采用CPU 軟件實現(xiàn)三相不一致保護的計時功能，避免傳統(tǒng)匯控柜內(nèi)延時繼電器因長期運行老化帶來的計時精度問題，從而提升三相不一致保護的可靠性。

2.4 電機儲能控制

通過智能組合控制箱實現(xiàn)電機控制、超時及過載保護。智能組合控制箱開出接點控制電機電源的交流接觸器，實現(xiàn)儲能電機的啟、?？刂啤?/p>

智能組合控制箱通過電流傳感器采集電機電源電流，實現(xiàn)電機過流保護。過流保護配置兩段，包括瞬時速動的Ⅰ段和延時動作的Ⅱ段。同時，智能組合控制箱通過CPU 軟件配置電機電壓超時保護功能。

2.5 隔離開關(guān)控制回路

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

電氣閉鎖和監(jiān)控閉鎖接點通過二次電纜串接入隔離開關(guān)控制回路以實現(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)的方式實現(xiàn)。全站聯(lián)鎖可以通過智能組合控制箱實現(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)測功能

智能匯控設(shè)備可以自動采集記錄儲能電機動作期間的測量電流和動作時間，并上送至變電站監(jiān)控后臺，通過搜集和統(tǒng)計儲能電機的歷史電流數(shù)據(jù)，評估儲能電機設(shè)備的工作狀態(tài)和健康趨勢。

同時，基于智能匯控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)斷路器累計操作次數(shù)、三相跳合圈動作電流及時間、SF6氣體溫度及壓力、彈簧機構(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。同時能夠基于設(shè)備感知信息采取智能分析策略，以實現(xiàn)對斷路器狀態(tài)的綜合評估和主動預(yù)警。

2.7 用戶接口

智能匯控系統(tǒng)按照運行人員操作習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、控回斷線三相不一致保護動作等信號燈，以用于指示運行人員現(xiàn)場掌握開關(guān)狀態(tài)。同時，匯控柜端子排采用標準化設(shè)計，從左往右、自上而下按序排列，以便于運維人員在檢修調(diào)試期間查找二次回路。端子排的簡稱及含義如表1 所示。

表1 斷路器匯控設(shè)備端子排標準化設(shè)計

3 設(shè)備研發(fā)及現(xiàn)場工程應(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)計以嵌入式計算機采集控制技術(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、控制和在線監(jiān)測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，取消和簡化冗余回路，能夠提高整個二次回路的可靠性。

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

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

斷路器智能匯控系統(tǒng)在某220 kV 變電站的2 個待用間隔順利投運，如圖5 所示。智能匯控系統(tǒng)利用標準化的PCB 操作回路板卡取代匯控柜內(nèi)復雜且非標的接線及繼電器，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)試時間也相應(yīng)縮短至原先的1/4，在降低裝置設(shè)計安裝、運維檢修復雜度的同時，全面提升了設(shè)備運行可靠性和維護便捷性。

圖5 智能斷路器匯控系統(tǒng)

4 結(jié)語

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)測平臺化”的GIS 斷路器控制保護技術(shù)體系，攻克長期以來斷路器本體控制保護系統(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現(xiàn)的邏輯功能，提升斷路器本體控制保護的可靠性；直接將就地采集的信息轉(zhuǎn)化為標準報文，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)智能終端的信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；實現(xiàn)斷路器在線監(jiān)測信息的就地統(tǒng)一收集與標準化輸出，實現(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，長期以來囿于一、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，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)試運維困難和感知連接受限等問題，技術(shù)優(yōu)勢顯著。未來將加強該技術(shù)的工程化應(yīng)用，通過技術(shù)進步推動電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)字化升級和管理創(chuàng)新。

目前，智能匯控系統(tǒng)正在進一步的優(yōu)化和完善，新版本的裝置將集成實現(xiàn)間隔層測控功能，可接收合并單元的測量SV（采樣值）信息并直接將報文轉(zhuǎn)換為DL/T 860 報文上送至站控層。

未來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，在實現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器分/合閘控制以及就地保護聯(lián)閉鎖功能的同時，實現(xiàn)測控、狀態(tài)監(jiān)測等功能，從而實現(xiàn)自動化、狀態(tài)監(jiān)測、計量等跨專業(yè)數(shù)據(jù)同源采集和邊緣計算，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。