隔離開關(guān)智能操作控制裝置的研制

黃欣，陸洪建，王磊，劉亮，吳明凱

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，隔離開關(guān)是隔離電源、倒閘操作用以連通和切斷小電流回路，保證檢修人員安全的重要設(shè)備[1]。隔離開關(guān)使用量大、應(yīng)用廣、工作可靠性要求高，其安全可靠操控對電網(wǎng)、人身、設(shè)備安全至關(guān)重要。目前隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)控制回路是由各種繼電器、接觸器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等分立器件搭建組成，元件數(shù)量大，機(jī)械觸點多，自動化程度低及電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行中受沙塵、震動、機(jī)械卡澀和接觸不良等影響常發(fā)生隔離開關(guān)誤動、拒動的問題。不同廠家、不同操作機(jī)構(gòu)的控制回路也不盡相同，一旦出現(xiàn)回路或元器件故障，需運(yùn)維人員對照圖紙逐個排查，存在故障定位耗時長、難度大等問題，給運(yùn)行維護(hù)造成極大不便，嚴(yán)重影響運(yùn)維人員正常的停送電操作。由此，提出并研制一種可以實時監(jiān)測、評估和預(yù)警并提高隔離開關(guān)操作控制系統(tǒng)的智能化水平裝置[2-4]，以提高運(yùn)行和檢修人員對隔離開關(guān)故障定位與排除的效率，降低隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)行的故障率，提高隔離開關(guān)運(yùn)行可靠性。

1 隔離開關(guān)智能操作控制裝置結(jié)構(gòu)

該裝置基于電力電子技術(shù)，在設(shè)計時將原有分散的功能進(jìn)行集中整合，采用高度集成的硬件模式，實現(xiàn)裝置的集成化、小型化和智能化。利用多型傳感器深度感知隔離開關(guān)運(yùn)行過程中的電壓、電流、溫濕度、行程位置、分合閘邏輯等全狀態(tài)信息，實現(xiàn)隔離開關(guān)的智能實時監(jiān)測、評估和預(yù)警。在設(shè)計上采用雙板卡CPU架構(gòu)，以便同時滿足實時全景展示和變頻控制的功能，其中主控板集成人機(jī)I/O接口、控制邏輯的實時判斷和預(yù)警、微機(jī)保護(hù)控制等功能；電機(jī)驅(qū)動CPU實現(xiàn)驅(qū)動IGBT功率器件[5]，實現(xiàn)變頻調(diào)速和硬件保護(hù)功能，兩CPU并行工作，各司其職，協(xié)調(diào)互動，共同完成整個裝置的應(yīng)用功能。裝置整體結(jié)構(gòu)見圖1。

整個裝置采用了霍爾原理與傳感器組合應(yīng)用模式，設(shè)計了 MC9S12XA256CAG 型主控 CPU 和電機(jī)驅(qū)動CPU并行工作的雙CPU架構(gòu)，共分為3塊PCB板(主控板、變頻驅(qū)動板、強(qiáng)弱電接口轉(zhuǎn)換板)，集成了人機(jī) I/O 接口、微機(jī)保護(hù)控制等功能，進(jìn)而研發(fā)了就地型微機(jī)控制單元，實現(xiàn)了保護(hù)、控制、調(diào)速和溫濕度監(jiān)測一體化，可監(jiān)測狀態(tài)量達(dá)到 15 項，裝置內(nèi)部模塊見圖 2。

2 隔離開關(guān)操作控制系統(tǒng)智能化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于可視化思路的故障診斷技術(shù)

2.1.1 全狀態(tài)信息深度感知與整合技術(shù)

針對隔離開關(guān)操作控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能分散、無法有效監(jiān)測的問題，提出在有限的空間內(nèi)通過一體化信息采集技術(shù)，利用多型傳感器深度感知隔離開關(guān)運(yùn)行過程中的電壓、電流、溫濕度、行程位置、分合閘邏輯等全狀態(tài)信息并進(jìn)行集中加工和整合，研制了一種集全景感知、變頻調(diào)速、實時診斷、微機(jī)保護(hù)、溫濕度監(jiān)控為一體的智能操作控制裝置，實現(xiàn)功能一體化的信息采集和展示，可監(jiān)測狀態(tài)量提升至15項，解決了原有操作回路復(fù)雜、故障率高、誤操作風(fēng)險高的問題。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)

圖2 裝置內(nèi)部模塊

2.1.2 基于分合閘邏輯實時校核的控制系統(tǒng)診斷技術(shù)

針對不同廠家的操作機(jī)構(gòu)難以適配問題，提出圖形化組態(tài)的自適應(yīng)技術(shù)方案，主要基于智能電子設(shè)備配置文件描述，研究分合閘操作控制邏輯的適配模型(見圖3)，通過組態(tài)化配置，滿足不同廠家、不同操作機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求，實現(xiàn)“一機(jī)通用”的設(shè)計理念。

圖3 邏輯組態(tài)模型

針對操作前控制系統(tǒng)故障難以實時發(fā)現(xiàn)及故障后處理難的問題，設(shè)計了基于輸入狀態(tài)與內(nèi)置分合閘邏輯實時校對的可視化的異常定位、描述功能，研究了變電站高壓隔離開關(guān)繼電器搭接控制邏輯典型電路，將隔離開關(guān)接觸器、門控開關(guān)、分閘/合閘外部閉鎖、常開/常閉輔助開關(guān)開入裝置，將不滿足的信號用不同顏色醒目區(qū)分，并遠(yuǎn)傳后臺，邏輯診斷與預(yù)警單元根據(jù)采集到的實時輸入狀態(tài)信息與內(nèi)置的分合閘邏輯進(jìn)行實時校對與預(yù)警(如圖4)，實現(xiàn)工作現(xiàn)場的快速故障定位，將控制系統(tǒng)的故障診斷由事后處置轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)防，為隔離開關(guān)控制操作提供可視化決策參考，故障定位時間由平均半小時以上降低至秒級。

圖4 控制回路邏輯處理主程序

2.1.3 隱形機(jī)械故障及隔離開關(guān)位置輔助判別技術(shù)

針對隔離開關(guān)一次設(shè)備機(jī)械故障和分合閘位置無法精準(zhǔn)判別問題，建立了分合閘時間、電流特征自學(xué)習(xí)比對模型，提出電機(jī)分合閘時間與電流變化特征自學(xué)習(xí)方法。針對合閘時間，記錄隔離開關(guān) 12 個周期分合閘時間，去除波動影響值，并取得理想操作時間，當(dāng)某次實際操作時間與理想操作時間之間偏差超過10%，判斷操作時間異常，自動記錄并報警。通過分析隔離開關(guān)傳動機(jī)構(gòu)銹蝕卡澀、平衡彈簧失效、合閘不到位等機(jī)械故障情況下的電機(jī)電流特征，輔助判別電機(jī)在開合閘過程中是否存在機(jī)械故障、分合是否到位。

2.2 隔離開關(guān)操控過程的安全防護(hù)技術(shù)

2.2.1 綜合一體化軟、硬件保護(hù)技術(shù)

針對傳統(tǒng)空開、熱磁繼電器存在的保護(hù)功能單一、精度低、誤差大、抗干擾性差，無法對隱形機(jī)械故障可靠判別等問題，綜合利用微機(jī)保護(hù)技術(shù)，高速采集系統(tǒng)運(yùn)行中的電壓、電流及功率模塊溫度信息，集成過熱、過載、堵轉(zhuǎn)、短路、過壓、三相不平衡等保護(hù)邏輯，實現(xiàn)操作過程中的多種冗余保護(hù)。

為保證智能功率模塊(intelligent power module，IPM)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計了短路、橋臂直通、去飽和保護(hù)、過載等多重硬件防護(hù)技術(shù)，避免在回路發(fā)生嚴(yán)重故障時引起功率模塊燒毀，通過系列軟硬件保護(hù)技術(shù)，大幅提升了裝置、元件運(yùn)行可靠性。

2.2.2 機(jī)構(gòu)電源安全管控技術(shù)

針對非操作期間要對電源管理重度依賴人工問題，開展“多重防誤”閉鎖控制邏輯研究，提出了電機(jī)電源“即用即通”的防誤閉鎖控制策略:在現(xiàn)場操作指令下達(dá)后，裝置先檢查變頻驅(qū)動的分合指令輸出狀態(tài)，并確保變頻驅(qū)動輸出狀態(tài)是關(guān)閉狀態(tài)，并通過電動操作機(jī)構(gòu)合上進(jìn)線空氣開關(guān)；再綜合進(jìn)線電源電壓狀態(tài)、分合閘邏輯、所述電動空氣開關(guān)位置、分合閘操作指令，共同判斷是否執(zhí)行分合閘操作，若下達(dá)命令時裝置分合指令處于輸出狀態(tài)，裝置判斷為錯誤邏輯，將閉鎖電機(jī)電源合閘指令；同時裝置還具備超時斷開進(jìn)線空氣開關(guān)的機(jī)制，在20 min內(nèi)沒有進(jìn)行任何操作時，自動斷開進(jìn)行空氣開關(guān)?；谏鲜鲞壿?，并結(jié)合現(xiàn)場的裝置內(nèi)部聯(lián)鎖邏輯、交流系統(tǒng)測控裝置軟件防誤判別、一次設(shè)備閉鎖板機(jī)械結(jié)構(gòu)閉鎖，構(gòu)成“四重”防誤措施，顯著提升現(xiàn)場操作可靠性。

2.3 狹小空間內(nèi)的電力電子開關(guān)控制技術(shù)

2.3.1 狹小空間內(nèi)的三維建模和仿真技術(shù)

針對回路復(fù)雜，安裝空間密閉狹小的問題，提出高度集成的硬件一體化設(shè)計方案，利用IPM體型小、集成度高、能耗低、電動機(jī)構(gòu)控制電路簡單、動作速度快的優(yōu)點，對裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形尺寸、PCB板及元器件布局進(jìn)行了三維建模和仿真設(shè)計(如圖5所示)。利用 PCB 分層模塊化設(shè)計技術(shù)，將原有分散的功能進(jìn)行集中整合，改變了傳統(tǒng)分立元件組裝的硬件方案，設(shè)計了分相組合控制邏輯方案，研發(fā)了可調(diào)節(jié)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)空間的合理應(yīng)用，元器件數(shù)量減少70%，內(nèi)部接線減少超50%。

圖5 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計

裝置集成化、小型化、輕量化設(shè)計思路，為全面適配現(xiàn)場GIS設(shè)備、敞開式刀閘奠定了基礎(chǔ)，其低成本、更換及維護(hù)方便等優(yōu)點貼合一線人員工作需求，便于大范圍推廣。

2.3.2 狹小密閉空間內(nèi)的功率器件散熱技術(shù)

針對功率開關(guān)器件自身存在通態(tài)損耗和開斷損耗導(dǎo)致發(fā)熱量大的問題，采用三級傳導(dǎo)散熱設(shè)計方案，將鍍鋅鋁合金散熱片緊貼功率模塊，通過導(dǎo)熱硅膠增加熱傳導(dǎo)。結(jié)合裝置機(jī)箱、機(jī)構(gòu)箱體輔助進(jìn)行熱源擴(kuò)散，實現(xiàn)隔離開關(guān)戶外的長期連續(xù)性工作，免受發(fā)熱影響。

2.3.3 基于IGBI控制的精確變頻調(diào)速控制技術(shù)

針對傳統(tǒng)隔離開關(guān)控制回路存在的接點抖動、一次觸頭分合閘瞬間易發(fā)生觸頭碰撞彈跳、電弧灼燒的情況，提出了基于IGBT變頻調(diào)速技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動方法，通過獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角位置信號以及電機(jī)驅(qū)動輸出電源的電流采樣信號；采用帶速度反饋的電機(jī)矢量控制算法，產(chǎn)生矢量控制的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波形；設(shè)計驅(qū)動回路對PWM波形進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換，獲得電氣信號并進(jìn)行IPM智能功率控制，輸出三相PWM電壓信號至電機(jī)，實現(xiàn)電機(jī)精確控制。

通過空間矢量扇區(qū)分析，動態(tài)矢量控制操作機(jī)構(gòu)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和轉(zhuǎn)矩，精確牽引隔離開關(guān)動觸頭運(yùn)行位置，使其在分合閘時加速運(yùn)動，快速越過易產(chǎn)生電弧區(qū)域，易扯弧區(qū)域轉(zhuǎn)角速度大幅提高。

3 隔離開關(guān)操作智能化技術(shù)方案

裝置即可應(yīng)用在一體式隔離開關(guān)，也可多臺裝置組合應(yīng)用到分相隔離開關(guān)，通過三項裝置之間的聯(lián)動控制，實現(xiàn)單相獨立操作和三項聯(lián)動操作。

3.1 三相一體式隔離開關(guān)

在隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)配置1套該裝置，該裝置負(fù)責(zé)和外部系統(tǒng)通訊(包括遠(yuǎn)程/就地操作切換、邏輯異常告警信號、控分、控合等)。

3.2 三相分立式隔離開關(guān)

需配置3套裝置，分別配置在三相隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，各裝置獨立負(fù)責(zé)該相隔離開關(guān)的分、合閘操作以及相應(yīng)的電動機(jī)保護(hù)功能，其中可將任一套裝置配置成管理機(jī)，可實現(xiàn)對其他兩相的管理和三相聯(lián)動，并接收外部系統(tǒng)信號，實現(xiàn)對各相隔離開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程開合閘操作，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 三相分離式隔離開關(guān)配置

3.3 系統(tǒng)特點

A,B,C相智能控制裝置分別放入對應(yīng)的控制箱。各相控制裝置分別負(fù)責(zé)本相隔離開關(guān)的分、合閘操作以及相應(yīng)的電動機(jī)保護(hù)功能。

B相配置為具備管理單元的智能控制，負(fù)責(zé)和監(jiān)控系統(tǒng)通訊，將隔離開關(guān)狀態(tài)，分合閘邏輯，電機(jī)故障等上送給監(jiān)控系統(tǒng)，同時也接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的各種操作指令。B相負(fù)責(zé)和A，C相通訊，接收A,C相各設(shè)備的運(yùn)行信息，并同時將后臺監(jiān)控中心下發(fā)的各種控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給A,C相執(zhí)行，以實現(xiàn)分閘、合閘及三相聯(lián)動等操作。

經(jīng)過以上聯(lián)網(wǎng)控制方式，使控制回路清晰簡潔，各相之間僅通過有限的通訊電纜或硬接點電纜實現(xiàn)全部操作。當(dāng)運(yùn)維檢修時，檢修人員只需到具體的操作相就地操作，而無需在各操作相之間來回奔走，大大提高了運(yùn)檢效率。

4 結(jié) 論

1)提出了基于圖形化、組態(tài)化的隔離開關(guān)控制邏輯實現(xiàn)方法，設(shè)計了基于輸入狀態(tài)與內(nèi)置分合閘邏輯實時校對的可視化異常定位、描述功能。

2)提出了高密度集成的硬件模式方案，設(shè)計了全狀態(tài)量采集電路，并基于電機(jī)電流等模擬量開發(fā)了隱形機(jī)械故障、刀閘位置輔助判別技術(shù)，研制了集成化、小型化、輕量化隔離開關(guān)智能操作控制裝置。

3)提出了電機(jī)電源“即用即通”的防誤閉鎖控制邏輯，并與裝置聯(lián)鎖、測控軟件防誤、一次設(shè)備閉鎖共同構(gòu)成“四重”防誤體系。

4)提出了基于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)控制技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動方法，開發(fā)了軟硬件綜合保護(hù)技術(shù)方法。

5)有效解決了現(xiàn)有隔離開關(guān)操作控制系統(tǒng)自動化程度低、可靠性差、不能有效監(jiān)視和可靠保護(hù)、出現(xiàn)故障難以快速定位等問題。

6)該裝置已通過開普檢測研究院檢測，可適配敞開式、GIS等全場景隔離開關(guān)控制操作系統(tǒng)，通過對現(xiàn)場2組隔離開關(guān)進(jìn)行改裝，在750 kV敞開式站區(qū)進(jìn)行真實場景驗證，歷經(jīng)2年時間，實現(xiàn)單臺10萬次無故障分合，充分驗證抗干擾能力及裝置可靠性，使用效果良好，現(xiàn)已在國網(wǎng)寧夏電力、國網(wǎng)山東電力等網(wǎng)省公司所轄多座變電站應(yīng)用。