开关柜智能操控装置的模块化设计与实现

技术与应用 开关柜智能操控装置的模块化 设计与实现 彭跃辉 寇新民 陈富国 (河南平高电气股份有限公司，河南平顶山467001) 摘要开关柜智能操控装置是开关柜中诸多分立测控装置的载体，是开关柜智能化水平的重 要体现。随着开关柜智能操控装置集成功能的增多和增强，模块化设计思想在优化装置设计和灵 活配置方面发挥着越来越重要的作用。在该新型操控装置的研制过程中，充分考虑了装置的软硬 件功能划分、模块接合和防护隔离，并进行了相应的模块化设计。同时基于台开发了配套的调试软件，方便了间隔类型配置、偏差修正和系统调试。基于本文开发的新型 开关柜智能操控装置已经通过了严格的电磁兼容检验和电气性能及安全检验，充分证明了该装置 在复杂工况下的优异性能。 关键词：开关柜；智能操控；模块化 Heo，e67001) is a of t of of is o e a he is to he 控装置是集成开关柜二次控制、保护和检测 单元的载体。除了传统的“五防”功能外，操控装 置还能够集成一次回路状态指示、高压带电显示、 主回路电力参数采集和触头测温等诸多分立装置的 功能，因此操控装置的智能化水平在很大程度上决 定了开关柜的智能化程度。 由于变电站间隔类型的不同，在工程应用中操 控装置必须与实际间隔类型相匹配。此外，对于改 变了主接线方式的改造站，操控装置必须能够灵活 配置。因此，模块化设计思想在操控装置的研制过 72 中非常重要。 1 智能操控装置硬件模块化设计 智能操控装置的主要功能为：接入和采集开关 柜各种状态信息，并进行就地显示和远传。按照模 块化设计思想设计的硬件系统整体方案如图1所 示。该硬件系统主要包括核心模块、状态及信号采 集模块、显示模块、控制模块、存储模块和通信模块。 核心模块由能路组成，主要进行程序处理、协议实现及数据临时存储等功能【1】。状态及信号 采样模块主要对一次设备状态信号、温湿度传感器 信号、高压带电传感器信号及主回路电力参数等进 行采集，通过光电隔离后，送入核心处理器。显示 模块通过柜相关状态进行显示，以便于观察。控制模块根 据核心处理器的控制策略，控制对应小型继电器的 动作，输出相应信号。系统参数及开关柜状态参数 主要由在系统掉 电后长久保存。通信模块用于将开关柜状态信息转 换为标准的 接受远程监控系统的操作指令，完成相关参数的设置。 一次设备 状态显示【 及 光 I 电 隔 匾 离 鋈 光 曼 电 6。 隔 u 离 通 信 图1 智能操控装置硬件整体方案 11 主接线动态模拟 一次主接线是指由母线、变压器、断路器、隔 离开关、接地开关、电流互感器以及电压互感器等 主要电气设备按照一定顺序用导体相互连接起来构 成的电气回路 由于投运后的开关柜是完全封闭的，因此柜内 的主接线形式并不能直观的反映给运行人员。传统 意义上的开关柜会在柜门上布置柜内一次主接线 图，并用不同颜色区分不同电压等级，如交流10压等级为绛红色，交流35交流110流220是， 这种简单的柜内主接线图并不能动态指示开关柜内 断路器位置、手车位置、接地开关位置以及弹簧储 能等状态信息，因此也不能给运行人员以直观指示。 由于这些状态信息为开关量，因此可以通过对 这些开关量做输入状态检测，然后通过特定形状的 可实现一次主接线图的动态模 拟。基于这一思想，本设计采用红绿“v”字灯模 拟断路器位置状态，红绿“十”字灯模拟隔离开关 和接地开关位置状态，红色术与应用 态，如图2所示，虚线部分表示开关位置可以调整。 工程应用中该动态模拟图可以根据实际一次主接线 形式做相应匹配。 图2 主接线动态模拟图 当手车处于工作位置，手车状态指示灯红色垂 直模拟条点亮；当手车处于试验位置，手车状态指 示灯绿色水平模拟条点亮；当手车未达到工作位置 或实验位置，红色垂直模拟条与绿色水平模拟条同 时闪烁；断路器合闸时，断路器状态指示灯红色模 拟条点亮；断路器分闸时，断路器状态指示灯绿色 模拟条点亮；接地闸刀闭合时，地刀状态指示灯红 色垂直模拟条点亮；接地闸刀断开时，地刀状态指 示灯绿色模拟条点亮；弹簧已储能，红色储能指示 灯点亮，弹簧未储能，则储能指示灯熄灭。 12 高压带电指示 带电显示装置用于向运行人员提供高压电气设 备安装处主回路电压状态的信息【3J。 本设计的高压带电指示模块原理如图3所示。 高压传感器为支柱绝缘子式，内部埋设由高强介电 功能性材料制成的抽压式电容芯棒。 向 AD 转 换 上! 高压传感器 母线电压采样 模数转换 图3 高压带电指示回路原理图 高压传感器通过电容耦合原理从高压带电回路 抽取一定比例的电压供给母线电压采样电路。母线 电压采样电路主要由保护器件、线性光耦隔离和采 样电阻构成，最后进行模数转换。由于采用了高精 度此操控装置可以实现带电闭锁 启控和断电闭锁解除的精准控制，保证了装置动作 的可靠性。 13 主回路电力参数采集 主回路电力参数采集模块是一种利用数字采样 技术对电力参数进行采集、分析和处理的模块化智 2贰I 73 态=度器 二 器 一 状=湿感 = 感 一 一一一一一错一榧一错一 技术与应用 能组件。电力参数采集方案如图4所示。 l担亘廷亘巫墨1 回翻 玉 圈 豢l 囵殂西亘亟圈 匹 跬 盈 回硅透盈 婆l 叵 莳距愿盈 样l 三相计量芯片 4 主回路电力参数采集方案 本设计主要适用于335，主回路电力参数采集前端选用额定输入电流为 5一次回路直接引 自开关柜内电流和电压互感器二次回路。为确保参 数采集的精度和功能完善性，本设计选用了锐能微 公司的适用于三相三线制和三相四线制的相多功能防窃电计量芯片，可以实现一次回路电 流、电压、有功功率、无功功率、有功电能、无功 电能、功率因数和频率的在线测量【4j。 14温湿度控制 由于开关柜运行受环境影响比较大，环境变化、 机械磨损等都会使得开关柜在长期运行时产生凝 露，容易造成绝缘事故，因而开关柜内的温湿度控 制不能忽略5】。传统的温湿度控制器往往采用4 20输并作为一个独立的装置安装于开关柜中，调理 电路复杂且模拟信号很容易受到恶劣工况下电磁环 境的干扰，从而造成以温湿度值为判断依据进行逻 辑控制电路的混乱，甚至酿成事故。 本设计采用的总线隔离式温湿度控制回路如图 5所示。图5中，是 超低功耗、大电流和超高速的半导体器件，其反向 恢复时间极短，仅为几纳秒，正向导通压降仅为 04V。为数字式 温湿度传感器接口。 图5温湿度控制回路原理图 74 016年第2期 以没有信号传输时，由于上 拉电阻2和6的作用，彼此隔离的为低电平时，电流通过R 和光耦耦内部的砷化镓发光二极管点亮，使光耦输出大 约为04耦输出加上肖特基二极管 同样的，当 流通过 和光耦发光二极管点亮，是光耦输出大约为04。光耦输出加上肖特基二极管导通压降使 得15报警及闭锁 实时、准确和可靠的报警信号输出是实现开关 柜安全操作的重要保障。本设计结合最新的传感器 技术，有效的实现了如图6所示的开关柜智能操控 装置报警及闭锁机制。 面 一 孟茵 i 垡堂皇塑 笪l= I 曼 堂皇塑巫丛 些 I i 报警及闭锁源 报警及闭锁机制 图6报警及闭锁机制 当人体热释电红外感应传感器感测到有人员靠 近时，会自动打开照明、液晶显示器背光并进行开 关柜内是否带电的语音提示。如果有误推于年或误 动刀闸，将进行开关误操作语音提示。当高压母线 带电超过阈值，将进行防止误操作。 16 85通信 85总线是被广泛应用的上业串行总线，其 采用平衡发送与差分接收的方式实现数字信号的传 输，具有极强的抑制共模干扰的能力。 本设计中，图7所示。 E B l I _d 2 S _d 3 广_d 4 C 1 7 85通信模块原理图 技术与应用 者基于软件。 在本文的研究过程中，一方面，模块化设计思 想明确了装置各项软、硬件功能的划分，增强了不 同主接线形式操控装置配置的灵活性，提高了开发 效率；另一方面，相比传统设计方法，模块化设计 思想在操控装置的实际工程应用中优化了大量的重 复性配置与调试工作，节省了可观的人力、物力， 优势明显。 2】 参考文献 nc10数据手册：高性能16位数字信号控制器 L201507221孙兴丽，刘曙光种开关柜智能操控装置的设计 3 4 5】 6 与实现J高压电器，2009，45(1)：7680 5081201O高压带电显示装置(深圳市锐能微科技有限公司三相多功能防窃电计 量芯片L20150722 me张露，章国宝开关柜智能监控装置的设计与实现 J工业控制计算机，2014，27(1)：3941 ，供15离 0152作者简介 彭跃辉(1985一)，男，硕士研究生，河南省平顶山市人， 程师 主要从事高压开关智能组件及变电站状态监测类产品研发(上接第61页) l 0O O 8O 蔓060 壹040 0 20 0 O 05 0 10 0 15 0 20 ts 图11 基于电流跟踪型相开关信号 。2。 O 0 15 O 2O ts 图12 基于滞环控制策略下 8O 兰060 毫040 O 2O O 0 10 0 15 O 2O ts 图6 技柬 2016年第2期 4 结论 本文将滞环控制技术和电压空间矢量脉冲调制 技术相结合，应用于真环