童本羽，楊冠魯

1.華僑大學(xué)信息學(xué)院，福建泉州 362000

2.泉州億興電力有限公司，福建泉州 362000

3.華僑大學(xué)信息學(xué)院，福建泉州 362000

1 概述

回顧智能化開關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，早在20 世紀90 年代日本某開關(guān)柜生產(chǎn)企業(yè)便將電子式保護裝置，可編程序控制器（PLC），操作回路故障檢測，雙金屬片母線測溫裝置等設(shè)備綜合應(yīng)用在開關(guān)柜上，實現(xiàn)了對開關(guān)柜工作狀態(tài)的多方位監(jiān)控?；诋?dāng)時技術(shù)的限制，早期的智能開關(guān)設(shè)備更多使用了定性檢測方式，適應(yīng)性差且設(shè)備集中度也相對較低。

近年來，隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等的蓬勃發(fā)展，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，新的電力設(shè)備通訊規(guī)約的制定，智能化開關(guān)設(shè)備得到了空前發(fā)展。目前，國內(nèi)許多開關(guān)柜生產(chǎn)廠家都有在智能化開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域進行嘗試，也發(fā)展了眾多的設(shè)備和應(yīng)用方案。

智能化開關(guān)柜是在普通開關(guān)柜基礎(chǔ)上，大范圍的利用計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)字模擬信號處理以及傳感器等技術(shù)的最新研究結(jié)果，通過網(wǎng)絡(luò)電力儀表、智能檢測設(shè)備、新型智能化斷路器、微機智能保護等設(shè)備，達到了對功率、功率因數(shù)、電壓、電流、頻率、電能計量等電氣數(shù)據(jù)參數(shù)以及對斷路器的分合狀態(tài)、手車的位置、開關(guān)柜的溫濕度信息、故障信息進行監(jiān)視；對斷路器和接地刀的分合狀態(tài)、手車位置和開關(guān)柜的溫濕度進行控制，通過網(wǎng)絡(luò)通訊接口與中央控制室的計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)無人值守和遠程監(jiān)控功能。

2 中壓開關(guān)柜的智能化技術(shù)改造過程

2.1 操作的自動化

這是智能化的初級階段，這是中壓開關(guān)柜實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。這一階段以開關(guān)柜的操作自動化、程序化為目標(biāo)，即開關(guān)柜可以通過預(yù)先設(shè)置的一些程序，實現(xiàn)各運行狀態(tài)之間的自動轉(zhuǎn)換。對于固定柜來說這一目標(biāo)較為容易實現(xiàn)，但是對于手車柜卻一直是一個瓶頸。隨著各類電動操作手車柜的出現(xiàn)，實現(xiàn)了各類型中壓開關(guān)柜操作自動化的全覆蓋，也為中壓開關(guān)柜真正實現(xiàn)智能化奠定了基礎(chǔ)。

2.2 在線監(jiān)測和自診斷技術(shù)

這是開關(guān)柜智能化階段，這一階段以實現(xiàn)對開關(guān)柜智能監(jiān)控為目標(biāo)，即將柜內(nèi)安裝的各類傳感器采集的開關(guān)柜運行中的各種電參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、特性參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等，通過智能控制裝置的集中處理，實現(xiàn)對開關(guān)柜自身狀態(tài)、運行狀態(tài)的自動檢測、診斷分析和故障預(yù)警、故障定位等功能。

2.3 配電系統(tǒng)的研究

這是在前兩個階段的基礎(chǔ)上，以實現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化為目標(biāo)，即以單柜的智能化開關(guān)柜為基本組成單元，使每個配電室、開閉所等形成一個個智能化網(wǎng)絡(luò)，可以完成包括日常巡視、事故預(yù)警、故障點隔離、負荷管理（節(jié)能管理）、運行方式優(yōu)化調(diào)整等智能化管理功能。

3 改造的內(nèi)容

3.1 自動操作功能

中壓開關(guān)柜的自動操作功能是指斷路器、隔離（負荷）開關(guān)和接地開關(guān)三部分除了能夠?qū)崿F(xiàn)電動分合閘操作外，三部分之間的順序操作也能自動完成，而且可以按照預(yù)設(shè)的程序，或者控制裝置提出的指令，實現(xiàn)指定的操作步驟。對于固定類開關(guān)柜實現(xiàn)三部分操作的自動化、程序化并不困難，但對于手車柜，由于是以手車的移動來代替隔離開關(guān)的分合操作，而影響手車移動的各種因素較復(fù)雜，因此相對于固定安裝的隔離開關(guān)，實現(xiàn)手車移動的自動控制需要考慮的問題也較多：

3.1.1 自適應(yīng)控制

根據(jù)檢測電動操作過程中電機電流的數(shù)值來推斷手車進出或接地開關(guān)分合過程的工作位置，來控制電機轉(zhuǎn)速及扭矩，使電動操作的全過程均處于最優(yōu)可控狀態(tài)，減少電機出現(xiàn)故障頻率

3.1.2 驅(qū)動電機的軟啟動和軟停止。

通過降低電動機的起動電流，減少配電容量，同時減少起動應(yīng)力，延長電動機使用壽命。電機的平穩(wěn)的起動和軟停止避免電機受啟動時沖擊電流損傷和防止電壓跌落影響其他元器件正常工作，能有效精確地控制電機啟動和停止過程。

3.1.3 分段變速控制

即通過電機的實現(xiàn)多檔分段變速來控制電機運轉(zhuǎn)速度，保證手車及接地開關(guān)在達到設(shè)定的參數(shù)位置時，以安全低度運轉(zhuǎn)，避免機構(gòu)設(shè)備之間因高速運行沖撞變形而使機械壽命縮短。

3.1.4 釋放應(yīng)力控制

即手車進出或者接地開關(guān)分合到位后，可控制電動執(zhí)行機構(gòu)釋放應(yīng)力，有效避免電動機構(gòu)變形和電機堵轉(zhuǎn)。

3.1.5 自動退位控制

在電動操作過程出現(xiàn)故障時，能根據(jù)視頻或感應(yīng)功能檢測到手車或接地開關(guān)所處的狀態(tài)，同時自動智能的回到安全位置或由維修人員發(fā)送操作指令回到指定安全位置。

3.2 開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測

開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢測是目前世界電力技術(shù)發(fā)展的重點研究對象。開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢測需具備先進的傳感器和計算機技術(shù)在開關(guān)柜實時狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用與研究。所以，找出可行的檢測技術(shù)設(shè)備和辦法，包括在設(shè)備絕緣檢測以及電氣、機械和物理數(shù)據(jù)等研究，對開關(guān)實現(xiàn)智能化是非常關(guān)鍵的一個過程。

智能化改造前的開關(guān)柜，一般都是以機械制造為主線，確保開關(guān)機械動作可靠正常，然后輔以二次保護功能的開關(guān)柜。這種開關(guān)柜，只保證機械特性而無法檢測其自身狀態(tài)，需要人工巡視、操作或故障檢查及經(jīng)驗來判斷其狀態(tài)，因此，已不適應(yīng)今后實現(xiàn)自動化。根據(jù)實際運行情況及智能化需要，開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測可以分為運行狀態(tài)的監(jiān)測和設(shè)備性能的監(jiān)測。

運行狀態(tài)的監(jiān)測主要內(nèi)容包括電流、電壓、母線溫度等參數(shù)；斷路器分合閘狀態(tài)、儲能狀態(tài)、接地開關(guān)分合閘狀態(tài)、帶電狀態(tài)等運行狀態(tài)信息；運行環(huán)境（溫、濕度）信息，以及運行過程中出現(xiàn)的局部放電、氣體泄漏（GIS 柜）等信息。

設(shè)備性能的監(jiān)測主要是斷路器特征參數(shù)的監(jiān)測、絕緣件的絕緣狀態(tài)，以及一些輔助電機、加熱裝置等的狀態(tài)。

斷路器特征參數(shù)包括真空度、機械特性，如分(合)閘時間、觸頭行程、超行程、開距、分(合)閘不同期性、分(合)閘速度等、分(合)閘線圈電流、觸頭的電磨損、輔助開關(guān)觸點、絕緣和儲能電機電流等。

3.3 視頻獲取

智能開關(guān)柜內(nèi)，在斷路器室，母線室處均安裝有攝像頭。通過安裝的攝像裝置，根據(jù)開關(guān)柜工作時的視頻圖像能夠方便的幫助檢修工作人員知道開關(guān)柜里面的工作狀態(tài)。在斷路器或者地刀等機構(gòu)進行操作時，可通過視頻圖像確認操作是否到位。

4 智能化控制系統(tǒng)的研究

傳統(tǒng)的開關(guān)柜對保護功能的要求只需對電流、電壓等電氣參數(shù)和部分狀態(tài)量進行處理，根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)出分合閘指令。而智能開關(guān)柜由于需要對安裝在開關(guān)柜內(nèi)的大量的傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)處理的結(jié)果進行故障的診斷、分析和開關(guān)的自動化操作，因此傳統(tǒng)的開關(guān)柜保護裝置已無法適應(yīng)開關(guān)柜智能化的需要。

智能化的開關(guān)柜實際上是一個智能的微系統(tǒng)，由傳感器、前置機和后臺機組成。與傳統(tǒng)的前置機僅僅是一個數(shù)據(jù)采集處理單元不同的是，智能開關(guān)柜的前置機不僅僅執(zhí)行對采集數(shù)據(jù)的存儲、處理和上傳功能，而且需要執(zhí)行后臺機下發(fā)的控制指令，對相應(yīng)設(shè)備進行控制，并協(xié)調(diào)設(shè)備彼此間的工作。同時為了使管理界面更為清晰，在斷路器上還可以設(shè)置專門的數(shù)據(jù)處理終端，通過RS485 網(wǎng)絡(luò)與開關(guān)柜前置機連接。

智能開關(guān)柜的后臺機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、故障診斷、控制指令的下發(fā)、系統(tǒng)管理等功能。與傳統(tǒng)的保護裝置不同的是，智能開關(guān)柜的后臺機不但能對本柜的設(shè)備進行管理，而且可以通過以太網(wǎng)實現(xiàn)柜與柜之間的通信和數(shù)據(jù)交換，使不同開關(guān)柜之間形成一個網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)整個配電系統(tǒng)的智能化。

5 結(jié)論

智能化后的開關(guān)柜在總體設(shè)計方案、綜合性能上具有領(lǐng)先水平，產(chǎn)品機械壽命等技術(shù)指標(biāo)方面均優(yōu)于同類產(chǎn)品，同時在視頻監(jiān)視、絕緣及母線監(jiān)測和柜內(nèi)實時監(jiān)測系統(tǒng)的整合等技術(shù)方面已經(jīng)成熟。實踐表明，智能化后的開關(guān)柜綜合性能達到了領(lǐng)先水平，能適應(yīng)國家電網(wǎng)智能化發(fā)展的需要，符合國家對開關(guān)柜產(chǎn)品的要求，而且可以為用戶對配電設(shè)備監(jiān)控提供有效支持，減少維護工作量，提高供電的可靠性。因此智能化開關(guān)柜具有良好的社會效益，市場前景十分廣闊。

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