隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展, 各領(lǐng)域?qū)ε潆娋W(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程和供電穩(wěn)定性提出了更高要求, 因此不僅帶動(dòng)了開(kāi)關(guān)柜的發(fā)展, 而且對(duì)開(kāi)關(guān)裝置運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)控提出了全新要求。開(kāi)關(guān)柜是以開(kāi)關(guān)為基礎(chǔ)的成套設(shè)備, 也是中低壓開(kāi)關(guān)裝置的基本工作形態(tài)。近年來(lái), 智能開(kāi)關(guān)柜的概念逐漸得到了更多智能電網(wǎng)研究人員的重視。智能開(kāi)關(guān)柜作為開(kāi)關(guān)柜、計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字處理技術(shù)相融合的產(chǎn)物, 不僅包含了測(cè)量和可編程邏輯控制, 還包含了通信等功能。

智能變電站中, 開(kāi)關(guān)柜是主要改造的設(shè)備, 不僅要求開(kāi)關(guān)柜在使用過(guò)程中能夠精準(zhǔn)運(yùn)行, 還需要按照實(shí)際評(píng)估結(jié)果與智能電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行交互, 以保證智能電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。智能開(kāi)關(guān)柜能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的調(diào)控進(jìn)行有效優(yōu)化。智能開(kāi)關(guān)柜在智能配電網(wǎng)中的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能夠?qū)崟r(shí)對(duì)電氣回路中的電壓、電流、觸頭以及每個(gè)開(kāi)關(guān)位置等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。智能開(kāi)關(guān)柜還能夠?qū)﹂_(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè), 檢測(cè)的主要內(nèi)容有開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的溫度和濕度。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的溫度和濕度出現(xiàn)異常時(shí), 就會(huì)針對(duì)異常情況發(fā)出警報(bào)。此外, 智能開(kāi)關(guān)柜不僅能夠?qū)?nèi)部是否存在局部放電的情況進(jìn)行檢測(cè), 而且能夠?qū)τ|頭的絕緣水平進(jìn)行檢測(cè), 當(dāng)觸頭絕緣水平超過(guò)限度時(shí), 會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。智能開(kāi)關(guān)柜在系統(tǒng)中自動(dòng)設(shè)定檢修和維護(hù)功能, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器預(yù)計(jì)電氣特性參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

智能電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中, 只有充分發(fā)揮智能開(kāi)關(guān)柜的技術(shù)優(yōu)勢(shì), 才能夠有效防止原有開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)的機(jī)械問(wèn)題和絕緣事故等。

當(dāng)前的智能電網(wǎng)建設(shè)中, 智能開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的技術(shù)前提是在線監(jiān)測(cè)與診斷。因此, 為實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)設(shè)備, 就需要提取開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行中表現(xiàn)出的各種不同狀態(tài)。為提取開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行中的表現(xiàn)狀態(tài), 就不能缺少傳感器。現(xiàn)階段, 使用較為廣泛的方法主要是SF₆氣體組分在線監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)及觸頭電氣壽命評(píng)估等。隨著傳感技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究, 逐漸興起了幾種新型光纖傳感技術(shù), 如光電測(cè)量、光線溫度以及在線測(cè)量等。當(dāng)前的監(jiān)測(cè)研究過(guò)程中, 大部分研究者仍采用傳統(tǒng)的單一參量手段。檢測(cè)絕緣狀態(tài)的過(guò)程中, 幾乎不會(huì)使用多參量綜合檢測(cè)手段。但是有相關(guān)人員在監(jiān)測(cè)絕緣狀態(tài)的過(guò)程中, 使用了一些數(shù)字信號(hào)分析技術(shù), 并得到了明顯的效果, 再加上當(dāng)前彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)配裝液壓機(jī)構(gòu)的高壓斷路器也在一定程度上滿足了相關(guān)規(guī)定, 所以彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)配裝液壓機(jī)構(gòu)的高壓斷路器得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

在各種設(shè)備都得到發(fā)展的情況下, 研制推出了全固體絕緣的開(kāi)關(guān)柜。這種開(kāi)關(guān)柜能夠有效減少SF₆氣體對(duì)當(dāng)前環(huán)境造成的負(fù)面影響。目前, 我國(guó)智能配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)智能開(kāi)關(guān)柜的發(fā)展起到了決定性作用。智能開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)方面主要是利用免維護(hù)和模塊化方式, 并且智能化開(kāi)關(guān)的設(shè)備還需要具有自動(dòng)識(shí)別的效果。

智能電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中, 要求智能開(kāi)關(guān)柜擁有多元化的功能和內(nèi)容, 但目前對(duì)智能開(kāi)關(guān)柜的功能和內(nèi)容還并沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范。但是智能開(kāi)關(guān)柜必須配備常規(guī)開(kāi)關(guān)柜的功能, 還需要具有自檢和自控功能, 以匹配當(dāng)前智能電網(wǎng)中綜合自動(dòng)化的要求準(zhǔn)則。為了使智能開(kāi)關(guān)柜達(dá)到自檢和自控的功能, 需要在智能開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)過(guò)程中, 著重注意智能開(kāi)關(guān)柜的在線監(jiān)測(cè)功能和通信功能。

智能開(kāi)關(guān)柜的數(shù)據(jù)通信主要包含以下5種。 (1) Transducer將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)紺CU。 (2) CCU與本地人機(jī)模塊進(jìn)行信息交互。 (3) CCU與后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。 (4) 自動(dòng)控制功能。 (5) 數(shù)據(jù)管理功能。5種功能均需要智能開(kāi)關(guān)柜對(duì)具體的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入和顯示。

智能開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)中, 智能開(kāi)關(guān)柜的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含兩層。其中, 底層是開(kāi)關(guān)柜配備的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元, 如圖1所示。這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元能夠有效地對(duì)反映開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)的模擬信號(hào)和開(kāi)關(guān)量進(jìn)行搜集和處理, 并對(duì)搜集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析和故障報(bào)警顯示, 隨后將采集到的數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)管理設(shè)備。后臺(tái)管理設(shè)備是工控機(jī), 能夠通過(guò)接收到的下位機(jī)傳輸而來(lái)的相關(guān)數(shù)據(jù)為主變電站構(gòu)建出一個(gè)完整的數(shù)據(jù)管理機(jī)制, 并通過(guò)完整的數(shù)據(jù)管理機(jī)制來(lái)查詢調(diào)用各個(gè)開(kāi)關(guān)柜的實(shí)際參數(shù), 從而做到對(duì)全站開(kāi)關(guān)柜的檢測(cè)和管理。此外, 后臺(tái)管理機(jī)能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)采集和命令控制。

智能開(kāi)關(guān)柜的各現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元可以根據(jù)其功能分為輸入單元、中央控制單元、開(kāi)關(guān)量輸出單元、人機(jī)交互單元及通信模塊。

智能開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元的輸入單元就是被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)參量的入口路徑, 是將被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)參量轉(zhuǎn)換為cpu module端的重要功能部件。cpu module是監(jiān)測(cè)模塊的核心基礎(chǔ), 主要負(fù)責(zé)分析搜集到的信號(hào), 并從分析結(jié)果中分析開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)和潛藏的運(yùn)行故障。輸入單元還需要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存上級(jí)管理中心給出的操作指令和參數(shù)。開(kāi)關(guān)量輸出單元主要負(fù)責(zé)接受中央控制模塊輸出的指令, 隨后按照所接收的指令來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行操作控制。人機(jī)交互模塊主要負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)和發(fā)出警報(bào)。通信模塊則是關(guān)乎監(jiān)測(cè)模塊能否網(wǎng)絡(luò)化的核心部分, 主要功能是負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊與后臺(tái)管理機(jī)的信息傳輸。由于現(xiàn)階段智能開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)存在統(tǒng)一的指標(biāo), 所以要盡量選擇智能控制設(shè)備和保護(hù)裝置共同運(yùn)行的新型設(shè)計(jì)方案。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 目前開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出的電子式互感裝置能夠在電力測(cè)量和保護(hù)方面有著更好的表現(xiàn)。因此, 選擇電子式互感裝置, 以突出開(kāi)關(guān)柜的智能性。通常各類型開(kāi)關(guān)柜均可以選擇電子式互感裝置, 但需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇。例如, 10 kV的智能開(kāi)關(guān)柜需要選擇小信號(hào)模擬量輸出的電流電壓一體化電子式互感裝置。測(cè)量電流是否泄漏的過(guò)程中, 由于絕緣特性的參量具有多元化的特點(diǎn), 所以出于經(jīng)濟(jì)性的考慮, 需要選擇檢測(cè)絕緣件的泄漏電流。

當(dāng)前智能開(kāi)關(guān)柜的溫度檢測(cè)方式主要包括熱紅外測(cè)溫、色片測(cè)溫、光纖光柵測(cè)溫及無(wú)線測(cè)溫。依據(jù)目前的科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì), 后三種方法更符合開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)應(yīng)用。經(jīng)研究表明, 高壓無(wú)線測(cè)溫方式與智能開(kāi)關(guān)柜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加契合, 所以智能開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)方案選擇了無(wú)線測(cè)溫。

智能開(kāi)關(guān)柜中, 要對(duì)CB真空度進(jìn)行定時(shí)、定期地檢查, 以防發(fā)生事故。當(dāng)前技術(shù)背景下, 真空度的檢測(cè)手段主要為離線監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)。使用這兩種手段對(duì)CB真空度進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí), 在線監(jiān)測(cè)比離線監(jiān)測(cè)更具實(shí)時(shí)性, 但檢測(cè)裝置的運(yùn)行一定不能影響CB的正常運(yùn)行。真空度在線監(jiān)測(cè)又包含電光變換法等形式, 可以根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行選擇。

配電網(wǎng)的智能化主要體現(xiàn)在能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)中的設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè), 并及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷。經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐和研究, 中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備已經(jīng)獲得了顯著成就, 目前已經(jīng)可以利用合適的通信手段對(duì)變電站進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)采集和處理、信號(hào)傳輸及故障分析處理等融合構(gòu)成了中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 主要運(yùn)用于絕緣性能的監(jiān)測(cè)、機(jī)械性能的監(jiān)測(cè)以及電氣性能的監(jiān)測(cè)。

隨著電子式互感裝置的研發(fā), 電力測(cè)量和保護(hù)得到了重大突破。選擇電子式互感裝置能夠優(yōu)化智能開(kāi)關(guān)柜的智能性。但應(yīng)用電子式互感裝置時(shí), 需要結(jié)合實(shí)際情況, 選擇最為合適的電子式互感裝置。智能電網(wǎng)的不斷建設(shè)和發(fā)展使開(kāi)關(guān)裝置變得更加信息化和自動(dòng)化。雖然目前國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)在此領(lǐng)域做出了大量的工作, 但還未得到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為開(kāi)發(fā)出更加智能的開(kāi)關(guān)柜, 需要投入更多的資源。本文針對(duì)智能開(kāi)關(guān)柜的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)狀進(jìn)行分析, 并給出相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì), 以期為相關(guān)研究人員提供幫助。