丁永生

(上海置信電氣股份有限公司，上海 200335)

0 引 言

我國(guó)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(duì)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(duì)社會(huì)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(dòng)化系統(tǒng)與智能配電自動(dòng)化設(shè)備的有力支撐，作為配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性保證的重要環(huán)節(jié)，配電開(kāi)關(guān)的重要性更為突出。而配電開(kāi)關(guān)又是配電系統(tǒng)設(shè)備中的核心之一，配電開(kāi)關(guān)的發(fā)展對(duì)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(duì)配電臺(tái)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(tái)區(qū)一二次設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案

智能配電臺(tái)區(qū)包括了諸多的集成特點(diǎn)，分別為設(shè)備、功能、專業(yè)以及系統(tǒng)集成等，本文對(duì)當(dāng)前智能配電臺(tái)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(guò)程層與間隔層的設(shè)備，并將設(shè)備集中在一個(gè)裝置中，以實(shí)現(xiàn)模塊化操作。該裝置經(jīng)過(guò)站控層設(shè)備與交換機(jī)，采用開(kāi)關(guān)本體與光纖直連的方式實(shí)現(xiàn)信息的交互，在配電臺(tái)區(qū)只存在兩層一網(wǎng)，簡(jiǎn)化了操作程序與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信息流。智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備信息交互架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備信息交互架構(gòu)

二次設(shè)備功能的設(shè)計(jì)就是將二次設(shè)備進(jìn)行模塊化，并集中在一個(gè)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(gè)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(cè)IED、合并單元、智能終端和檢測(cè)保護(hù)等設(shè)備進(jìn)行融合，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(wèn)題判定和聲學(xué)指紋等技術(shù)[5]。配電臺(tái)區(qū)一二次設(shè)備的多功能融合高壓開(kāi)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(kāi)關(guān)設(shè)備的信息流架構(gòu)

應(yīng)用分布式管理方式，將對(duì)應(yīng)的調(diào)控器賦予各個(gè)智能開(kāi)關(guān)，同時(shí)將調(diào)控器安裝于機(jī)構(gòu)箱，完全應(yīng)用調(diào)控器來(lái)完成二次設(shè)備的所有功能，實(shí)現(xiàn)原有一二次設(shè)備的融合，不必對(duì)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(kāi)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(cè)流程

智能化設(shè)計(jì)方案主要包括熔斷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與設(shè)備功能融合。熔斷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括狀態(tài)采集、監(jiān)測(cè)板模塊和短程射頻通信。跌落式熔斷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程如圖3所示，本文提出的檢測(cè)方法是將跌落式熔斷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(mén)限，則確認(rèn)為跌落。如果熔管再一次閉合，水平角度高于門(mén)限，則確認(rèn)為閉合。

將接地、隔離接地開(kāi)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(jì)斷路器、開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)到智能組件柜的電纜數(shù)量。由開(kāi)關(guān)設(shè)備控制器對(duì)智能高壓開(kāi)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(kāi)關(guān)備用輔助接點(diǎn)，最后對(duì)備用輔助開(kāi)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 漏電開(kāi)關(guān)控制板與無(wú)功補(bǔ)償控制板模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于漏電開(kāi)關(guān)控制板模塊設(shè)計(jì)，漏電開(kāi)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(duì)電路保護(hù)、控制、監(jiān)測(cè)及通信，插裝在智能終端中?？刂瓢逍∧K與智能終端通過(guò)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(shí)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(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(guò)程[6]。

圖4 模塊化重合閘斷路器

對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償控制板模塊設(shè)計(jì)，首先剔除智能電容器的顯示屏，將無(wú)功補(bǔ)償控制板插裝在智能終端中，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償計(jì)算和電容自動(dòng)投切控制功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能終端對(duì)電壓和電流的取樣。模塊與智能終端通過(guò)IEC101、MODBUS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過(guò)對(duì)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(hào)，并應(yīng)用電能計(jì)量芯片ATT7022E對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得出功率因數(shù)、無(wú)功功率以及有功功率，再采用主控芯片STM32F103RBT6進(jìn)行計(jì)算處理，以確認(rèn)線路是否受到了無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)與控制芯片相連的還有儲(chǔ)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(jì)如圖5所示。

圖5 智能機(jī)構(gòu)控制器的通信板設(shè)計(jì)

2.3 智能終端模塊功能融合設(shè)計(jì)

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(wú)功補(bǔ)償檢測(cè)與控制，以及高壓熔斷器監(jiān)測(cè)等功能。取消本體的顯示功能，通過(guò)手持終端近程與智能終端進(jìn)行藍(lán)牙通信，實(shí)現(xiàn)顯示操作和調(diào)試等人機(jī)交互。同時(shí)智能終端的硬件和軟件采用模塊化功能設(shè)計(jì)，支持帶電熱插拔，可擴(kuò)展、易更換和易維護(hù)。可根據(jù)需求選配定貨、無(wú)需額外投入，并支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置及在線軟件升級(jí)，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(tái)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(cè)及通信功能的漏電開(kāi)關(guān)控制板模塊，設(shè)計(jì)了對(duì)功率因數(shù)采集、無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算和電容自動(dòng)投切等功能的無(wú)功補(bǔ)償控制板模塊；融合了熔斷器監(jiān)測(cè)板、漏電開(kāi)關(guān)控制板和無(wú)功補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了智能終端信息匯聚與平臺(tái)共享；解決了以往臺(tái)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(wèn)題，提升了設(shè)備的智能化水平。

3 試驗(yàn)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(kāi)關(guān)設(shè)備的各個(gè)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(guò)CPU處理后，控制電路驅(qū)動(dòng)IGBT，最后實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)的分合閘操作。對(duì)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(gè)通道的RS485信號(hào)線脈沖輸出與結(jié)束時(shí)刻的電壓，并計(jì)算出智能機(jī)構(gòu)控制器的延時(shí)。分閘延時(shí)、合閘測(cè)試示波器波形，如圖7所示。

由圖7可以看出:操作分閘時(shí)，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(shí)間為3.81 ms；操作合閘時(shí)，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(shí)間為3.83 ms。

圖7 分閘延時(shí)、合閘測(cè)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(guó)網(wǎng)福建廈門(mén)供電公司翔安分中心馬巷供電局桂東線掛網(wǎng)運(yùn)行，至今未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象和安全隱患。在掛網(wǎng)運(yùn)行期間，ZW32(H)-12/630-25一二次深度融合柱上斷路器運(yùn)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(chǎng)掛網(wǎng)圖和遙測(cè)遙信數(shù)據(jù)

圖9 桂東線33桿現(xiàn)場(chǎng)掛網(wǎng)圖和遙測(cè)遙信數(shù)據(jù)

實(shí)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(gè)配電開(kāi)關(guān)站的成本最高可以節(jié)約5.1萬(wàn)元，且二次屏柜的數(shù)量由原來(lái)的2個(gè)減少至1個(gè)，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(jiǎn)化，減少了設(shè)備安裝調(diào)試的時(shí)間，該項(xiàng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值估算為0.9萬(wàn)元。因此對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行多功能融合后，可以為配電臺(tái)區(qū)的每個(gè)土建開(kāi)關(guān)站節(jié)約土地0.6 m2，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益6.0萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種配電臺(tái)區(qū)一二次設(shè)備多功能融合成套裝置，并運(yùn)用實(shí)例對(duì)配電臺(tái)區(qū)的一二次設(shè)備的融合進(jìn)行實(shí)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(yùn)行后，至今未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象和安全隱患。在配電臺(tái)區(qū)實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的多功能融合后，單個(gè)配電開(kāi)關(guān)站的的成本最高可以節(jié)約5.1萬(wàn)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(jiǎn)化，減少了設(shè)備安裝調(diào)試的時(shí)間，該項(xiàng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值估算為0.9萬(wàn)元。相信今后能夠在技術(shù)上進(jìn)行突破，開(kāi)發(fā)出更加完善的融合裝置。