集中式智能環(huán)網(wǎng)柜方案

魏永樂(lè)， 譚博學(xué)， 徐 璐， 李 濤， 王 暉

(山東理工大學(xué) 智能電網(wǎng)研究中心， 山東 淄博 255091)

環(huán)網(wǎng)供電技術(shù)日益成熟，環(huán)網(wǎng)柜(Ring Main Unit,RMU)以其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、安全可靠、方便供電等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1]，隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展及智能配電網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)供電質(zhì)量和可靠性的要求不斷提高.環(huán)網(wǎng)柜要求小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，具有配網(wǎng)自動(dòng)化的功能[2].目前國(guó)內(nèi)外大部分的做法是利用現(xiàn)有的產(chǎn)品，在普通環(huán)網(wǎng)柜的基礎(chǔ)上配置電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、故障指示器、繼電保護(hù)模塊、配電終端單元(Distribution Terminal Unit，DTU)等，可以使環(huán)網(wǎng)柜具備測(cè)控與保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜基本智能化[3].

傳統(tǒng)DTU的架構(gòu)是核心單元加外圍部件，還配備了備用電源及通信模塊.其不足之處：(1)DTU里面的功能部件過(guò)于冗雜，造成DTU本身體積較大，在安裝及維護(hù)上不方便;(2)造成環(huán)網(wǎng)柜對(duì)DTU的依賴(lài)性增強(qiáng)，如現(xiàn)在許多環(huán)網(wǎng)柜使用的是DTU自帶后備電源，如果DTU出現(xiàn)故障，容易造成環(huán)網(wǎng)柜整個(gè)二次控制回路掉電，不利于提高供電的可靠性;(3)環(huán)網(wǎng)柜里一些模塊的功能重復(fù)，如一些環(huán)網(wǎng)柜在配備DTU的同時(shí)還在每個(gè)環(huán)網(wǎng)柜間隔上配備看門(mén)狗裝置，功能重復(fù)太多，不利于設(shè)備整體功能及性能的優(yōu)化;(4)環(huán)網(wǎng)柜整體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理想的架構(gòu)，各功能模塊之間的配合沒(méi)有實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合.

針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種新型集中式智能環(huán)網(wǎng)柜方案.首先對(duì)環(huán)網(wǎng)柜本體進(jìn)行小型化改造，其次對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的操作機(jī)構(gòu)、集中式智能控制器、智能電源等作了智能化處理，最后對(duì)環(huán)網(wǎng)柜通信模塊進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜的不間斷通信.

1 集中式智能環(huán)網(wǎng)柜總體方案

智能環(huán)網(wǎng)柜是利用現(xiàn)代的電力電子、自動(dòng)化控制、傳感測(cè)量等技術(shù)將10kV負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜、斷路器柜、熔斷器柜、互感器與保護(hù)裝置、通信裝置、計(jì)量?jī)x表等模塊組合在一起，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)一次設(shè)備與二次設(shè)備的良好結(jié)合[4].

集中式智能環(huán)網(wǎng)柜整體框架如圖1所示.

圖1 集中式智能環(huán)網(wǎng)柜總體方案圖

集中式智能環(huán)網(wǎng)柜主要包含環(huán)網(wǎng)柜本體、操作機(jī)構(gòu)、互感器、集中式智能控制器、通信終端、智能電源等.本方案采用的組合式光電互感器能夠給電源系統(tǒng)充電和提供環(huán)網(wǎng)柜各回路電流電壓信號(hào).電源系統(tǒng)能夠給環(huán)網(wǎng)柜各回路提供操作電源，并配備了后備電源，在環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)線失電時(shí)能夠持續(xù)提供工作電源.方案中采用的集中式智能控制器，安裝方便、體積小巧，和傳統(tǒng)DTU的核心單元相當(dāng)，能夠很好的監(jiān)測(cè)環(huán)網(wǎng)柜每回路的電氣量和非電氣量信號(hào).集中式智能控制器將采集到的信號(hào)處理之后傳輸給通信終端，由通信終端完成環(huán)網(wǎng)柜對(duì)外通信，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜的配網(wǎng)自動(dòng)化功能.

2 集中式環(huán)網(wǎng)柜的構(gòu)成

2.1 環(huán)網(wǎng)柜本體

環(huán)網(wǎng)柜的本體結(jié)構(gòu)分為氣箱、操作機(jī)構(gòu)室、電纜室和母線連接室(部分柜有)[5].本方案中環(huán)網(wǎng)柜本體采用上斷路器下負(fù)荷開(kāi)關(guān)的形式.斷路器具有體積小、重量輕、適于頻繁操作、滅弧能力強(qiáng)、機(jī)械壽命及電氣壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；負(fù)荷開(kāi)關(guān)采用三工位、真空滅弧的開(kāi)關(guān)本體，具有全絕緣、斷口可視、可防內(nèi)燃弧等優(yōu)點(diǎn).充當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)使用，提供一個(gè)明顯的斷點(diǎn)，方便維護(hù)與檢修.整組柜子采用共箱式結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)裝置和硬母線密閉在同一個(gè)金屬封閉外殼內(nèi)，一般采用SF6作為滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)[6]，環(huán)網(wǎng)柜整體上具有可靠的安全性、優(yōu)異的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，結(jié)構(gòu)緊湊及免維護(hù)等特點(diǎn).

2.2 操作機(jī)構(gòu)

環(huán)網(wǎng)柜的操作機(jī)構(gòu)能夠?qū)Νh(huán)網(wǎng)柜的開(kāi)關(guān)本體進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜的合分閘動(dòng)作，主要可以分為手動(dòng)機(jī)構(gòu)和和彈簧操作機(jī)構(gòu).手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)是一種靠人手進(jìn)行分合閘操動(dòng)的操作機(jī)構(gòu)；彈簧操作機(jī)構(gòu)是一種利用已儲(chǔ)能的彈簧作為動(dòng)力來(lái)操動(dòng)的機(jī)構(gòu)，其彈簧的儲(chǔ)能是通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)完成的[7].

環(huán)網(wǎng)柜操作機(jī)構(gòu)的可靠性是保證環(huán)網(wǎng)柜供電可靠性的前提，以前的操作機(jī)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，只是單純的完成合分閘動(dòng)作，但是智能環(huán)網(wǎng)柜要求其操作機(jī)構(gòu)必須向智能化的方向發(fā)展.操作機(jī)構(gòu)的通用性應(yīng)進(jìn)一步提高，能夠滿(mǎn)足常見(jiàn)的如DC24V、DC48V、DC110V、DC220V、AC220V等電壓等級(jí)；電動(dòng)操作裝置在接受用戶(hù)操作指令后，首先要判斷操作條件是否滿(mǎn)足，如不滿(mǎn)足“五防聯(lián)鎖”閉鎖條件時(shí)，控制裝置會(huì)給用戶(hù)明確提示，以方便用戶(hù)進(jìn)行處理[8].操作機(jī)構(gòu)本身應(yīng)具備機(jī)械五防的要求，確保機(jī)構(gòu)的正常動(dòng)作.

2.3 互感器

互感器是用來(lái)給環(huán)網(wǎng)柜的保護(hù)裝置提供電流、電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能，電壓互感器可以為環(huán)網(wǎng)柜的控制回路提供操作電源.本方案采用的互感器為組合式光電互感器，具有體積小、重量輕、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)[9]，有利于環(huán)網(wǎng)柜測(cè)量精度的提高.

該互感器還配備防開(kāi)路保護(hù)模塊，使用一體化設(shè)計(jì)，確保光電式互感器在發(fā)生故障時(shí)不會(huì)感應(yīng)出高電壓，使人身和設(shè)備免受危害，最大限度地提高設(shè)備使用的安全性.

2.4 集中式智能控制器

本方案提出的集中式智能控制器,是集數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)功能、繼電保護(hù)、故障檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制、饋線自動(dòng)化于一體的智能配電終端.控制器能夠可靠的對(duì)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)會(huì)配合配電子站、主站實(shí)現(xiàn)配電線路的正常監(jiān)控和故障識(shí)別、隔離和非故障區(qū)段恢復(fù)供電，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化.

本方案采用的集中式智能控制器具有如下特點(diǎn)：

(1)制器本身的體積小巧，可擴(kuò)展性較好，有助于環(huán)網(wǎng)柜向小型化、智能化方向發(fā)展.

(2)控制器能夠同時(shí)電流采集互感器的保護(hù)側(cè)和測(cè)量側(cè)電流，不需要再配置單獨(dú)的保護(hù)模塊，既能滿(mǎn)足對(duì)電流測(cè)量精度的要求也能滿(mǎn)足在故障時(shí)可靠的動(dòng)作.這樣能夠節(jié)省環(huán)網(wǎng)柜的整體空滿(mǎn)足環(huán)網(wǎng)柜向小型化、智能化的方向發(fā)展.

(3)將環(huán)網(wǎng)柜中的一些功能模塊都整合在控制器當(dāng)中，整個(gè)柜子會(huì)更加簡(jiǎn)潔.

(4)控制器采集的信號(hào)豐富，保護(hù)功能全面，低氣壓事故、超溫、裝置異常等都能做到保護(hù)跳閘和故障報(bào)警.

(5)整個(gè)環(huán)網(wǎng)柜的維護(hù)量會(huì)減小，操作起來(lái)更加方面，以后會(huì)實(shí)現(xiàn)免維護(hù).

2.5 通信終端

通信終端將集中式智能控制器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，以便智能環(huán)網(wǎng)柜安全可靠的與主站/子站通信，通信速度快能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜實(shí)時(shí)在線監(jiān)控以及配電網(wǎng)中故障的快速處理.通信終端配備以太網(wǎng)接口、GPRS/CDMA通訊接口、RS-232/485接口，實(shí)現(xiàn)主站/子站的不間斷通信.

2.6 智能電源

環(huán)網(wǎng)柜的操作機(jī)構(gòu)、控制器、通信終端等二次設(shè)備都需要實(shí)現(xiàn)不間斷供電.為了提高供電的可靠性，要求在供電電源失電時(shí)，二次回路仍然會(huì)有電源，能夠繼續(xù)可靠的動(dòng)作，環(huán)網(wǎng)柜中必須具有備用電源.為了提高供電電源的可靠性本電源的設(shè)計(jì)主要采用了如下方法：

(1)環(huán)網(wǎng)柜一般采用雙進(jìn)線，兩條進(jìn)線互為備用給電源的充電模塊供電，當(dāng)其中一條進(jìn)線失電時(shí)，由繼電器將另一條進(jìn)線的220V電源轉(zhuǎn)給充電模塊，保證整個(gè)柜子的二次回路繼續(xù)供電.

(2)當(dāng)環(huán)網(wǎng)柜的兩條進(jìn)線都失電的時(shí)候，為了使二次回路繼續(xù)帶電，需要由備用電源繼續(xù)供電.現(xiàn)在主要的備用電源是不間斷電源(UPS)和蓄電池，還有的采用超級(jí)電容供電.為了提高供電的可靠性，本電源方案采用蓄電池與超極電容相結(jié)合，兩種電源可互為備用，能夠進(jìn)一步提高供電的可靠性.

智能電源的方案如圖2所示.

圖2 智能電源方案圖

智能電源的電源管理模塊主要功能[10]：

(1)充電功能.在充電電源有電時(shí)，可靠的對(duì)后備電源進(jìn)行恒壓、恒流充電.

(2)保護(hù)功能.包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)以及輸出短路保護(hù)、過(guò)放電保護(hù).

(3)不間斷供電功能.交流電源與后備電源的控制回路相互獨(dú)立，在一方出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不影響二次設(shè)備的正常供電.

(4)告警功能.在充電電源失電、電池欠壓、過(guò)壓、過(guò)熱等異常情況以及電池活化時(shí)發(fā)出告警信號(hào).

(5)電池活化功能.活化方式可以設(shè)置自動(dòng)定期活化也可以手動(dòng)控制活化或遠(yuǎn)方遙控活化.

3 集中式智能環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用

集中式智能環(huán)網(wǎng)柜在城市小區(qū)智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，如圖3所示.

圖3 智能環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)用示意圖

圖3是通過(guò)集中式智能環(huán)網(wǎng)柜構(gòu)建的一個(gè)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，在正常工作的時(shí)候，集中式智能控制器采集環(huán)網(wǎng)柜每個(gè)間隔信號(hào)，然后通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)配網(wǎng)主站進(jìn)行通信，采取的通信方式有光纖、無(wú)線等.在配網(wǎng)主站能夠清楚詳細(xì)的看到環(huán)網(wǎng)柜每個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)、電氣量及非電氣量信息.

當(dāng)在F1處發(fā)生故障時(shí)，故障上游處變電站A的出線斷路器K1及環(huán)網(wǎng)柜1的兩個(gè)進(jìn)線K11和K12均能檢測(cè)到故障信號(hào)，而故障下游處的K22則檢測(cè)不到故障信號(hào).集中式智能控制器將采集到的故障信號(hào)傳輸?shù)脚渚W(wǎng)主站，配網(wǎng)主站對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分析和邏輯判斷，故障點(diǎn)肯定位于兩邊信號(hào)不通的區(qū)段，兩邊都能或者都不能檢測(cè)到故障信號(hào)的區(qū)段則不是故障線路，所以可快速容易的將故障點(diǎn)定位在K12和K21之間.開(kāi)關(guān)K12會(huì)跳閘，開(kāi)關(guān)K21保持分閘狀態(tài)并閉鎖,將故障區(qū)段切除.配網(wǎng)主站接收到隔離成功信息,通過(guò)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)K11合閘，恢復(fù)非故障區(qū)域供電.

同理，當(dāng)在F2處發(fā)生故障時(shí)，集中式智能控制器將采集到的故障信號(hào)傳輸?shù)脚渚W(wǎng)主站，配網(wǎng)主站對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分析和邏輯判斷.通過(guò)故障點(diǎn)處在兩邊感受到信號(hào)不通的區(qū)段的判據(jù)，將故障定位在K22和K31之間.開(kāi)關(guān)K3會(huì)跳開(kāi)然后自動(dòng)重合，開(kāi)關(guān)K31、K22跳開(kāi)后不再閉合，將故障區(qū)段切除.配網(wǎng)主站接收到隔離成功信息,通過(guò)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)K21合閘，恢復(fù)非故障區(qū)域供電.在整個(gè)過(guò)程中，從發(fā)現(xiàn)故障到故障隔離最后將非故障區(qū)域恢復(fù)供電所需要的時(shí)間非常的少，能夠最大限度的提高供電的可靠性，這是采用智能環(huán)網(wǎng)柜的優(yōu)越性所在.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種只保留傳統(tǒng)DTU核心單元的集中式智能環(huán)網(wǎng)柜方案，該方案優(yōu)化了環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)，剔除了環(huán)網(wǎng)柜中一些功能重復(fù)的部分；減小了環(huán)網(wǎng)柜對(duì)功能模塊的依賴(lài)性，提高了供電的可靠性；減小了環(huán)網(wǎng)柜的體積，實(shí)現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)柜的小型化.

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