集中式智能環網柜方案

魏永樂， 譚博學， 徐 璐， 李 濤， 王 暉

(山東理工大學 智能電網研究中心， 山東 淄博 255091)

環網供電技術日益成熟，環網柜(Ring Main Unit,RMU)以其體積小、結構緊湊、安裝方便、維護簡單、安全可靠、方便供電等諸多優點而被廣泛應用[1]，隨著電力工業的快速發展及智能配電網的建設，對供電質量和可靠性的要求不斷提高.環網柜要求小型化、智能化、網絡化，具有配網自動化的功能[2].目前國內外大部分的做法是利用現有的產品，在普通環網柜的基礎上配置電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)、電動操作機構、故障指示器、繼電保護模塊、配電終端單元(Distribution Terminal Unit，DTU)等，可以使環網柜具備測控與保護功能，實現環網柜基本智能化[3].

傳統DTU的架構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里面的功能部件過于冗雜，造成DTU本身體積較大，在安裝及維護上不方便;(2)造成環網柜對DTU的依賴性增強，如現在許多環網柜使用的是DTU自帶后備電源，如果DTU出現故障，容易造成環網柜整個二次控制回路掉電，不利于提高供電的可靠性;(3)環網柜里一些模塊的功能重復，如一些環網柜在配備DTU的同時還在每個環網柜間隔上配備看門狗裝置，功能重復太多，不利于設備整體功能及性能的優化;(4)環網柜整體結構遠沒有達到理想的架構，各功能模塊之間的配合沒有實現優化組合.

針對以上問題，提出一種新型集中式智能環網柜方案.首先對環網柜本體進行小型化改造，其次對環網柜的操作機構、集中式智能控制器、智能電源等作了智能化處理，最后對環網柜通信模塊進行改造，實現環網柜的不間斷通信.

1 集中式智能環網柜總體方案

智能環網柜是利用現代的電力電子、自動化控制、傳感測量等技術將10kV負荷開關柜、斷路器柜、熔斷器柜、互感器與保護裝置、通信裝置、計量儀表等模塊組合在一起，實現電網一次設備與二次設備的良好結合[4].

集中式智能環網柜整體框架如圖1所示.

圖1 集中式智能環網柜總體方案圖

集中式智能環網柜主要包含環網柜本體、操作機構、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充電和提供環網柜各回路電流電壓信號.電源系統能夠給環網柜各回路提供操作電源，并配備了后備電源，在環網柜進線失電時能夠持續提供工作電源.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DTU的核心單元相當，能夠很好的監測環網柜每回路的電氣量和非電氣量信號.集中式智能控制器將采集到的信號處理之后傳輸給通信終端，由通信終端完成環網柜對外通信，實現環網柜的配網自動化功能.

2 集中式環網柜的構成

2.1 環網柜本體

環網柜的本體結構分為氣箱、操作機構室、電纜室和母線連接室(部分柜有)[5].本方案中環網柜本體采用上斷路器下負荷開關的形式.斷路器具有體積小、重量輕、適于頻繁操作、滅弧能力強、機械壽命及電氣壽命長等優點；負荷開關采用三工位、真空滅弧的開關本體，具有全絕緣、斷口可視、可防內燃弧等優點.充當隔離開關使用，提供一個明顯的斷點，方便維護與檢修.整組柜子采用共箱式結構，開關裝置和硬母線密閉在同一個金屬封閉外殼內，一般采用SF6作為滅弧介質和絕緣介質[6]，環網柜整體上具有可靠的安全性、優異的開關動作，結構緊湊及免維護等特點.

2.2 操作機構

環網柜的操作機構能夠對環網柜的開關本體進行操作，從而實現環網柜的合分閘動作，主要可以分為手動機構和和彈簧操作機構.手動操作機構是一種靠人手進行分合閘操動的操作機構；彈簧操作機構是一種利用已儲能的彈簧作為動力來操動的機構，其彈簧的儲能是通過電動機驅動來完成的[7].

環網柜操作機構的可靠性是保證環網柜供電可靠性的前提，以前的操作機構過于簡單，只是單純的完成合分閘動作，但是智能環網柜要求其操作機構必須向智能化的方向發展.操作機構的通用性應進一步提高，能夠滿足常見的如DC24V、DC48V、DC110V、DC220V、AC220V等電壓等級；電動操作裝置在接受用戶操作指令后，首先要判斷操作條件是否滿足，如不滿足“五防聯鎖”閉鎖條件時，控制裝置會給用戶明確提示，以方便用戶進行處理[8].操作機構本身應具備機械五防的要求，確保機構的正常動作.

2.3 互感器

互感器是用來給環網柜的保護裝置提供電流、電壓信號，從而實現繼電保護功能，電壓互感器可以為環網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、抗干擾性能好等優點[9]，有利于環網柜測量精度的提高.

該互感器還配備防開路保護模塊，使用一體化設計，確保光電式互感器在發生故障時不會感應出高電壓，使人身和設備免受危害，最大限度地提高設備使用的安全性.

2.4 集中式智能控制器

本方案提出的集中式智能控制器,是集數據采集與監控(SCADA)功能、繼電保護、故障檢測、遠程控制、饋線自動化于一體的智能配電終端.控制器能夠可靠的對環網柜進行監控，同時會配合配電子站、主站實現配電線路的正常監控和故障識別、隔離和非故障區段恢復供電，實現配電自動化.

本方案采用的集中式智能控制器具有如下特點：

(1)制器本身的體積小巧，可擴展性較好，有助于環網柜向小型化、智能化方向發展.

(2)控制器能夠同時電流采集互感器的保護側和測量側電流，不需要再配置單獨的保護模塊，既能滿足對電流測量精度的要求也能滿足在故障時可靠的動作.這樣能夠節省環網柜的整體空滿足環網柜向小型化、智能化的方向發展.

(3)將環網柜中的一些功能模塊都整合在控制器當中，整個柜子會更加簡潔.

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

(5)整個環網柜的維護量會減小，操作起來更加方面，以后會實現免維護.

2.5 通信終端

通信終端將集中式智能控制器的電信號轉換為光信號，以便智能環網柜安全可靠的與主站/子站通信，通信速度快能夠實現對環網柜實時在線監控以及配電網中故障的快速處理.通信終端配備以太網接口、GPRS/CDMA通訊接口、RS-232/485接口，實現主站/子站的不間斷通信.

2.6 智能電源

環網柜的操作機構、控制器、通信終端等二次設備都需要實現不間斷供電.為了提高供電的可靠性，要求在供電電源失電時，二次回路仍然會有電源，能夠繼續可靠的動作，環網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計主要采用了如下方法：

(1)環網柜一般采用雙進線，兩條進線互為備用給電源的充電模塊供電，當其中一條進線失電時，由繼電器將另一條進線的220V電源轉給充電模塊，保證整個柜子的二次回路繼續供電.

(2)當環網柜的兩條進線都失電的時候，為了使二次回路繼續帶電，需要由備用電源繼續供電.現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合，兩種電源可互為備用，能夠進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，可靠的對后備電源進行恒壓、恒流充電.

(2)保護功能.包括過流保護、過壓保護以及輸出短路保護、過放電保護.

(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立，在一方出現問題時不影響二次設備的正常供電.

(4)告警功能.在充電電源失電、電池欠壓、過壓、過熱等異常情況以及電池活化時發出告警信號.

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

3 集中式智能環網柜的應用

集中式智能環網柜在城市小區智能配電系統中的應用，如圖3所示.

圖3 智能環網柜應用示意圖

圖3是通過集中式智能環網柜構建的一個配網自動化系統，在正常工作的時候，集中式智能控制器采集環網柜每個間隔信號，然后通過通信網絡對配網主站進行通信，采取的通信方式有光纖、無線等.在配網主站能夠清楚詳細的看到環網柜每個開關的狀態、電氣量及非電氣量信息.

當在F1處發生故障時，故障上游處變電站A的出線斷路器K1及環網柜1的兩個進線K11和K12均能檢測到故障信號，而故障下游處的K22則檢測不到故障信號.集中式智能控制器將采集到的故障信號傳輸到配網主站，配網主站對故障信號進行分析和邏輯判斷，故障點肯定位于兩邊信號不通的區段，兩邊都能或者都不能檢測到故障信號的區段則不是故障線路，所以可快速容易的將故障點定位在K12和K21之間.開關K12會跳閘，開關K21保持分閘狀態并閉鎖,將故障區段切除.配網主站接收到隔離成功信息,通過調度自動化系統將開關K11合閘，恢復非故障區域供電.

同理，當在F2處發生故障時，集中式智能控制器將采集到的故障信號傳輸到配網主站，配網主站對故障信號進行分析和邏輯判斷.通過故障點處在兩邊感受到信號不通的區段的判據，將故障定位在K22和K31之間.開關K3會跳開然后自動重合，開關K31、K22跳開后不再閉合，將故障區段切除.配網主站接收到隔離成功信息,通過調度自動化系統將開關K21合閘，恢復非故障區域供電.在整個過程中，從發現故障到故障隔離最后將非故障區域恢復供電所需要的時間非常的少，能夠最大限度的提高供電的可靠性，這是采用智能環網柜的優越性所在.

4 結束語

本文提出了一種只保留傳統DTU核心單元的集中式智能環網柜方案，該方案優化了環網柜結構，剔除了環網柜中一些功能重復的部分；減小了環網柜對功能模塊的依賴性，提高了供電的可靠性；減小了環網柜的體積，實現了環網柜的小型化.

[1] 李振文.計及分布式發電與環網柜的配電網規劃方法研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[2] 朱訓林，陳偉. 10kV配網自動化系統的實現 [J].自動化應用，2013(6)：106-107.

[3] 劉健，程紅麗，張志華.配電自動化系統中配電終端配置數量規劃[J].電力系統自動化,2013(12)：44.

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[5] 王加臣，吉玉雯，魯曄.淺談環網柜在配電網中的應用[J].電力安全技術，2010(7)：62-63.

[6] 唐黎芬.XIRIA真空環網柜在配電系統中的應用[J].電力自動化，2011(1)：8-9.

[7] 王法.斷路器操作機構的設計與實現[D].合肥：中國科技大學，2011.

[8] 陳延秋，魏映華.“五防”閉鎖技術在變電站的應用[J].自動化應用，2012(11)：86-87.

[9] 李豹，張薔，毛海鵬，等. 光電互感器及其測量系統在HVDC中的應用研究[J].高壓電器，2013(5)：101-105.

[10] 劉影.UPS與直流電源在維護及管理中的作用[J].中國新技術新產品，2013(8)：13.