張宇洲

（國(guó)能漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川 431614）

國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要電力給予大力支持，當(dāng)前，電力企業(yè)為保證系統(tǒng)安全且高質(zhì)量運(yùn)行，根據(jù)智能技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)不斷完善，特別是在高壓輸電線路方面，由于其安全性、穩(wěn)定性對(duì)用戶供電質(zhì)量有著較大的影響，再加上受到能量轉(zhuǎn)換率、自然環(huán)境、氣候條件、設(shè)備投入成本等諸多因素的影響，高壓輸電線路運(yùn)行難度較大，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備使用壽命縮短，所以推進(jìn)智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備升級(jí)改進(jìn)成為各個(gè)電力企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的技術(shù)進(jìn)行分析，旨在為高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、可視化管理提供可以借鑒的思路，保證供電線路高效率穩(wěn)定運(yùn)行。

1 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 基于分布式控制的信息處理技術(shù)

智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)用時(shí)，分布式控制思維是常見(jiàn)技術(shù)之一，此技術(shù)既將一次設(shè)備、二次設(shè)備缺陷有效彌補(bǔ)，而且在智能化推動(dòng)下形成了更加完善的分析及處理模式，構(gòu)建了強(qiáng)大的信息控制結(jié)構(gòu)，信息處理量減少的同時(shí)給予智能開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行提供較好的支持?？刂破鲬?yīng)用環(huán)節(jié)便可以實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備下放，控制器與主機(jī)相連接，便可以直接獲取指令，通過(guò)分合閘、儲(chǔ)能主機(jī)、機(jī)構(gòu)加熱器等諸多模塊搭建適合的應(yīng)用模式，具備了測(cè)量與監(jiān)測(cè)效能，保證高效傳輸。同時(shí)觸頭位移、儲(chǔ)能電機(jī)電流、振動(dòng)等傳感器的配置可實(shí)時(shí)接收、分析、匯總多樣化信息；處理數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)利用光纖傳至智能主機(jī)中，與傳統(tǒng)模式相比，二次回路、電纜結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)被取消，信息傳遞更及時(shí)、高效；結(jié)合匯總的信息完成裝配及調(diào)試方案的制定，集成管理一次、二次設(shè)備。

1.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

智能設(shè)備控制機(jī)制中，機(jī)器學(xué)習(xí)算法得到了廣泛的應(yīng)用，采用算法處理形式收集、分析GIS故障樣本，對(duì)故障預(yù)兆、類型及特點(diǎn)準(zhǔn)確掌握，進(jìn)而更好地完成匹配算法、輸出向量等一些工作內(nèi)容，在此基礎(chǔ)之上構(gòu)建智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備評(píng)估模型，第一步是信號(hào)變送系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)量、基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)方式選擇的同時(shí)，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備與傳感器連接，集約化管理數(shù)據(jù)信息，保證控制監(jiān)督環(huán)節(jié)作用充分發(fā)揮；第二步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，預(yù)處理數(shù)據(jù)以后結(jié)合數(shù)據(jù)采集工序處理方法，保證信號(hào)的評(píng)估、基礎(chǔ)參數(shù)調(diào)用合規(guī)；第三步信號(hào)傳輸系統(tǒng)傳遞的是信號(hào)內(nèi)容，進(jìn)而構(gòu)建較為完善的信息管理模式；第四步數(shù)據(jù)評(píng)估以及診斷系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理工序以后操作數(shù)據(jù)評(píng)估和診斷系統(tǒng)，以專家?guī)鞛橹匾罁?jù)，保證獲取的結(jié)果全面且準(zhǔn)確，科學(xué)輸出以后實(shí)現(xiàn)管理的統(tǒng)一化。

1.3 多參量數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)

傳感技術(shù)近年來(lái)得到了較快的發(fā)展，在各行各業(yè)中多種類型傳感器發(fā)揮了極其重要的作用，傳感器在高壓斷路器中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了信息的高效分析，監(jiān)測(cè)更加科學(xué)、更加合理，有效管理傳感器反饋的多種問(wèn)題及情況，應(yīng)用效能較高。傳感器在智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用做到了動(dòng)態(tài)跟蹤與精準(zhǔn)化分析，安裝于不同位置的傳感器獲取的信號(hào)是不同的，根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)可對(duì)高壓開(kāi)關(guān)運(yùn)行情況有效評(píng)估，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在諸多問(wèn)題，特別是在細(xì)節(jié)評(píng)估與分析中優(yōu)勢(shì)更加突出。通過(guò)多個(gè)信號(hào)提取大量特征量，分析以及對(duì)比這些數(shù)據(jù)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)冗余管控效能的支持下可以保證管理規(guī)范性，工作效能也會(huì)隨之提升。

1.4 運(yùn)行維護(hù)技術(shù)

智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行是否良好直接關(guān)系到了應(yīng)用效果及質(zhì)量，所以系統(tǒng)分析中掌握常態(tài)化運(yùn)行維護(hù)技術(shù)也是極其重要的。其中智能處理模塊可以對(duì)設(shè)備管理環(huán)節(jié)出現(xiàn)的多種事故進(jìn)行預(yù)警，借助評(píng)估及分析一些準(zhǔn)確性較高的參數(shù)體現(xiàn)事故類型與等級(jí)。比如，智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)載情況、運(yùn)行年限等，在深入分析的基礎(chǔ)上形成精密的模型，通過(guò)準(zhǔn)確的計(jì)算以及批標(biāo)的參考，構(gòu)建合理化、科學(xué)化、可控性較強(qiáng)的智能電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)，由設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，兼顧運(yùn)行及后續(xù)維護(hù)，形成了一站式、全過(guò)程、一體化監(jiān)督管理機(jī)制。

1.5 基于二次設(shè)備功能升級(jí)技術(shù)

以傳統(tǒng)二次設(shè)備運(yùn)行為基礎(chǔ)，借助模塊形式搭建集成管理系統(tǒng)，在智能主機(jī)支持下形成了具備較強(qiáng)可操作性的處理體系，將智能主機(jī)每個(gè)模塊有效銜接。智能主機(jī)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)模塊通過(guò)背板，總結(jié)及時(shí)處理信息，實(shí)時(shí)集成保護(hù)、合并、監(jiān)測(cè)等功能單元，基于二次設(shè)備應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)督，站控層設(shè)備逐漸形成，開(kāi)關(guān)本體交互處理性能增強(qiáng)。二次設(shè)備功能升級(jí)時(shí)滿足智能高壓開(kāi)關(guān)先進(jìn)的技術(shù)需求，技術(shù)模塊匹配度更高，其中主要包括以下技術(shù)手段：（1）狀態(tài)評(píng)估和故障診斷技術(shù)，實(shí)時(shí)評(píng)估及分析智能設(shè)備中的數(shù)據(jù)，匯總的基礎(chǔ)上確保形成初步診斷方案，為操作人員實(shí)踐提供充足的數(shù)據(jù)；（2）智能控制技術(shù)，以智能控制單元為核心，構(gòu)建可控性強(qiáng)的調(diào)控模式，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行情況處理數(shù)字化指令；（3）聲學(xué)指紋技術(shù)，以應(yīng)用擴(kuò)展目標(biāo)、核心設(shè)備運(yùn)行規(guī)范性為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)流程，提高應(yīng)用效能。二次設(shè)備升級(jí)是對(duì)原技術(shù)的改進(jìn)，模塊化設(shè)計(jì)單元、集成化控制體系的形成不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)備成本的降低，而且為設(shè)備資源高效配置、集約化管理奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的技術(shù)應(yīng)用案例

本次研究以STM32F103微控制器原理為切入點(diǎn)，針對(duì)智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)以及性能進(jìn)行分析，此智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備主控單元為STM32F103微控制器，同時(shí)兼容5V的I/O管腳，工作頻率最高可達(dá)72MHz，為達(dá)到更好的節(jié)能降耗效果，此控制單元設(shè)計(jì)了三種模式，分別為睡眠、停機(jī)以及待機(jī)，并且配備了多個(gè)快速I(mǎi)/O口以及A/D轉(zhuǎn)換器。硬件結(jié)構(gòu)包含六大模塊，具體工作流程見(jiàn)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

2.1 主控芯片

此案例中使用了STM32F103芯片，內(nèi)核是ARM32位的Cortex-M3CPU，工作頻率最高可達(dá)72MHz；使用的是64kb或128kb存儲(chǔ)器，具備了閃存功能，SRAM達(dá)到了20kb。同時(shí)，時(shí)鐘、復(fù)位和電源使用了2.0～3.6V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）。此單片機(jī)中設(shè)置了80個(gè)快速I(mǎi)/O端口，26/37/51/80個(gè)I/O口，這些端口均可映像至16個(gè)外部中斷；每個(gè)端口可以容忍5V信號(hào)；另外，還設(shè)計(jì)了通信接口9個(gè)，I2C、SPI接口各2個(gè)，USART接口3個(gè)。

2.2 取電模塊

此模塊使用了QC629卡扣式取電互感器，最突出的特點(diǎn)便是安裝方便、拆卸快捷，如果互感器發(fā)生故障，工作人員會(huì)在第一時(shí)間進(jìn)行維修，成本大大節(jié)省。此互感器內(nèi)徑是50mm，取電互感器在室溫環(huán)境下便可以正常運(yùn)行。此取電互感器多用在10kV控制柜中，取電電流為100～1500A，獲取的功率數(shù)值保持在50W以上，另外，內(nèi)部設(shè)置了相應(yīng)的大容量磷酸鐵鋰電池，規(guī)格為12V/35A，功率密度較大，體積卻非常小，即使供電過(guò)量也不會(huì)出現(xiàn)燃燒、爆炸等危險(xiǎn)情況，放電持久性較強(qiáng)，充電及放電壽命達(dá)到了1500～2000次。此裝置使用的是純正弦波逆變電源，功率最大達(dá)到了500W，峰值最高達(dá)到了1000W。為了可以獲取較多數(shù)據(jù)參數(shù)，此模塊在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)選用的是不同取電電流，時(shí)刻測(cè)試以及監(jiān)控模塊輸出功率。

2.3 輸出電流與輸出電壓測(cè)量模塊

為了便于主控芯片更好地測(cè)量，輸出電源時(shí)，使用了放電電流互感器，可實(shí)現(xiàn)電流放電的大幅度縮小，與原來(lái)相比，能夠縮小1/10左右，電流縮小以后，經(jīng)電阻的時(shí)候便可以出現(xiàn)電壓信號(hào)，此信號(hào)便是交流電壓信號(hào)，當(dāng)經(jīng)過(guò)運(yùn)放等組成整流電路的時(shí)候，才可以使交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。電壓互感器、配套電路縮小了逆變器輸出的220V交流電，而1SS226三極管則會(huì)使電壓始終保持在穩(wěn)定狀態(tài)下，此時(shí)，電路運(yùn)行是正常的，如果交流信號(hào)經(jīng)整流電路后，此時(shí)便會(huì)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。

2.4 顯示模塊

此模塊使用了LM6063液晶屏，通信過(guò)程中采用Jtag插座和主控芯片相結(jié)合的形式，此模塊處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)可實(shí)時(shí)顯示充電電流、輸出電壓、放電電流、輸出功率等重要參數(shù)，能夠使操作人員更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到設(shè)備具體運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并第一時(shí)間采取有效措施。除了可以將重要參數(shù)信息顯示出來(lái)以外，LCD顯示屏還可以將電壓電流、電池充電、逆變器電壓電流信息輸出情況清晰的呈現(xiàn)，在監(jiān)測(cè)以上數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)輸出、輸入設(shè)備具體運(yùn)行情況準(zhǔn)確評(píng)估與判斷。

3 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)未來(lái)發(fā)展前景

3.1 智能傳感技術(shù)

以前的電力系統(tǒng)中電磁式互感器較為常見(jiàn)，此互感器輻射范圍小，若電流較大的時(shí)候，二次保護(hù)裝置無(wú)法將電力故障識(shí)別出來(lái)，信號(hào)輸出時(shí)，還要將電纜敷設(shè)至二次設(shè)備，經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換后，才會(huì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。同時(shí)如果CT開(kāi)路存在高壓，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、電力設(shè)備均有可能出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。而在數(shù)字技術(shù)、PLC及電子技術(shù)支持下，光電傳感器在電力系統(tǒng)中更好地被推廣與使用，此技術(shù)基于光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，電信號(hào)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。例如，法拉第傳感器，此傳感器故障定位、查詢效果非常好，在相關(guān)試驗(yàn)中顯示，如果電流達(dá)到50kA，溫度在-20～+80℃時(shí)，監(jiān)測(cè)精度高達(dá)1.5%左右，在變電站故障發(fā)生以后，通過(guò)此傳感器可將故障位置準(zhǔn)確找到，節(jié)省了時(shí)間。光電傳感器和電磁式傳感器對(duì)比，前者絕緣效果較好，不需要二次開(kāi)路，風(fēng)險(xiǎn)自然也較低，同時(shí)具備較強(qiáng)的抗電磁干擾性、安裝簡(jiǎn)單、維修方便等諸多優(yōu)勢(shì)。

3.2 微機(jī)處理技術(shù)

微機(jī)處理技術(shù)逐漸成熟，并廣泛應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備測(cè)量、運(yùn)算、控制等環(huán)節(jié)。微機(jī)系統(tǒng)體積較小，但是功能齊全，在智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中優(yōu)點(diǎn)更突出。例如，智能斷電保護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電量以及開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況等，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全。在智能電力開(kāi)關(guān)柜中應(yīng)用微機(jī)處理技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)多種信息采集、加工，同時(shí)，又能夠做出準(zhǔn)確判斷、及時(shí)處理。前置處理單元實(shí)現(xiàn)了電力信號(hào)數(shù)字量轉(zhuǎn)化，借助邏輯運(yùn)算執(zhí)行報(bào)警、跳閘等操作；后置管理單元記錄事故，并完成打印操作，執(zhí)行和管理有效銜接，工作效率更高。

3.3 在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

此技術(shù)在不斷改進(jìn)中逐漸構(gòu)建獨(dú)立技術(shù)體系，擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)以及診斷的范圍。例如，在線監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)的電壓、電流、功率等關(guān)鍵性參數(shù)；故障診斷中診斷電流、短路、斷路等問(wèn)題；故障發(fā)生后，智能組件自動(dòng)報(bào)警，工作人員結(jié)合故障類型、位置將故障應(yīng)急處理預(yù)案啟動(dòng)，逐漸推進(jìn)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備監(jiān)控以及維修向著智能化、自動(dòng)化發(fā)展，人資成本、能源消耗、維修成本均可以實(shí)現(xiàn)大幅度降低。

4 結(jié)語(yǔ)

在電力系統(tǒng)運(yùn)行全過(guò)程中，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備是非常重要的組成部分，智能化水平的高與低會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性帶來(lái)直接影響，所以，電力企業(yè)要積極引進(jìn)新技術(shù)，緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，在不斷創(chuàng)新中改進(jìn)、優(yōu)化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)手段，在促進(jìn)自身經(jīng)濟(jì)效益提高的同時(shí)，更好地服務(wù)于用戶、服務(wù)于社會(huì)。