基于PLC集控系統的高壓成套設備智能化的研究

周清平

（華自科技股份有限公司，長沙 410205）

當前社會經濟飛速發展，用電規模不斷增大，電網[1]架構也愈來愈復雜，其安全與穩定性關系著國計民生，而電網中作為電能輸送與控制的關鍵部件高壓成套設備，無論是其結構的合理性、功能的完備性，還是操作維護的安全性，運行的可靠性皆對電網的堅強穩定及終端用戶的用電安全形成較大影響。

在追求防護的安全性同時，人們也要求操作與維護上的便捷性，高壓成套設備由此日益革新，外形越來越小，防護功能越來越強大，操控性也更好。過去固定式安裝與維護的部件，改進為移動手車式安裝與維護，操作更加方便，然而這是以損失防護的堅固性作為代價的。本文論述的是基于PLC集控系統的高壓成套設備的智能化[2]的研究，不僅能從根本上解決操作維護的安全防護性問題，而且能極大提升開關設備操控的便捷性及智能化程度，對電力系統的安全穩定及國民經濟的發展具有重要意義。

1 高壓成套設備的重要性及發展狀況

1.1 高壓設備應用的重要性

在電力輸配電[3]網絡中，為加大傳輸能力、減少線路損失，一般是采取升高電壓以高等級電壓進行電能傳輸，至用戶終端時再經過變壓降低電壓等級。作為電能控制與分配的關鍵部件高壓成套設備，其可靠操作及安全運行，關系到整個電網系統甚至用戶終端的運行穩定。電力成套控制設備在研發設計、生產制造及運行維護等各環節首要考慮的問題就是“五防”操作安全，既要保證設備的穩定可靠，更要保障人身安全。

為滿足“五防”功能要求以及相關標準規范，目前中高壓[4]開關成套設備在合閘操作、正常運行、停電檢修及故障跳閘等各環節皆須進行安全功能布置及防護設計。設備內配置真空斷路器[5]能在電網系統或控制裝置發生故障情況下快速分斷，且分斷能力大；為保證設備可靠分斷及停電檢修安全，要求在斷路器上樁頭帶電側加裝隔離開關裝置，并通過外部觀察窗清晰觀察到隔離開關樁頭的分斷狀態；接地開關裝置在停電檢修時閉合，保證開關設備可靠接地及儲能終端負載的及時放電；柜門的開啟與關閉同時應與隔離裝置、斷路器裝置及接地裝置等實現聯動與互鎖。

1.2 當前發展狀況

隨著人們對電力控制設備的操作與控制要求不斷提高，除了要滿足安全防護要求外，還需要操作的快捷與便利性。過去以固定式安裝方式為主體的隔離裝置、斷路器分斷裝置等重要一次設備，在安裝、更換、檢修維護時非常不方便，不但花費大量的人力物力，而且因狹窄的操作空間存在較大的安全隱患。經過多年的技術改進及產品升級，目前實現了斷路器裝置的手車移動式裝配，不再需要固定式安裝，斷路器依據現場操作或檢修要求，隨時可方便移出部件，而且相同規格的裝置具有完全的互換性，極大地方便了成套設備的檢修與維護。

高壓成套設備除了實現關鍵部件手車式安裝外，柜體的小型化也成為當前的發展趨勢。通過采用優良的絕緣材料或其他復合絕緣方式，達到了縮小總設備外形尺寸及內部空間的目的。開關設備的小型化改進，既可以實現減少設備的占地面積，又可降低設備的結構及內部材料成本。

2 日常操作維護中存在的問題

手車式高壓成套設備的操作控制不同于普通電動機起停回路的控制方式，為滿足高壓設備的“五防”功能要求，斷路器分斷裝置在合閘送電、停電檢修過程中，必須與隔離、接地裝置及防護柜門聯動。設備合閘送電一般程序為：①關閉防護門；②分斷接地裝置；③手車隔離裝置遙進到工作位置；④斷路器儲能機構儲能；⑤斷路器裝置合閘。設備停電檢修一般程序為：①斷路器裝置分閘；②手車隔離裝置退出到試驗位置；③接地裝置閉合；④開啟防護門。

移開式手車成套設備在操作維護便捷性方面不斷創新的同時，也帶來了設備使用時的不安全性及維護時的事故隱患。真空斷路器、接觸器[6]、負荷開關等手車式安裝，具備隔離功能，但要求手車設備與底盤車具備可靠的互鎖功能，同時要求與接地開關裝置、防護柜門進行聯鎖。為達到安全互鎖的要求，過去采用的連桿、鎖板、鋼絲繩等硬聯接機構，逐步被程序鎖、電磁鎖等半機械半電氣聯鎖機構所取代，機構硬度明顯減弱，它能滿足正常的程序動作及互鎖，但若外部力量參與機構操控（如值班維護人員手動進行隔離、接地等分合閘操作），遇操控力度把握不當或流程錯誤情況下野蠻操作，則極易造成聯鎖機構受損，從而使聯鎖失效。

3 基于集控系統的成套設備智能化

在現有手車式開關成套開關柜[7]的基礎上，利用當今先進的計算機技術、網絡及通信技術、高級測量技術以及自動控制技術，采用集中控制思想，實現成套設備的智能化，而且能有效解決設備常規與手動控制存在的問題。

3.1 系統總體實現框圖

基干集控系統的成套開關設備智能化，即智能集控開關成套設備，不同于常規設備的信號檢測，除了具備電量運行參數、設備過程狀態、故障預警信號等進行監測外，還能對采集到的各類數據進行分析、判斷及處理，實現設備內關鍵部件或裝置的自主調節與控制，同時能接受外部及上層系統控制指令。

3.2 主要功能

智能集控開關成套設備的功能主要包括電氣系統電量參數、柜內溫濕度、母線及斷路器樁頭的溫度等模擬量的檢測，設備內關鍵部件的運行狀態的監視，以及重要裝置的遙控等，可實現設備的不間斷在線監測[8]、上傳數據的分析與處理、就地操控或遠程遙控、故障預測與報警等功能，并可接受上層指令，達到集中監控、遠傳調度與無人值守的目的。

圖1 設備智能化控制圖

設備的模擬量檢測主要包含系統運行電量參數以及設備使用環境狀況的監測。開關設備投入使用過程中，監測的電量參數包括系統相電壓、線電壓、線電流、零序電流、頻率、有功、無功、功率因素等。

對開關成套設備內的隔離手車工作/試驗位置、斷路器裝置的儲能/合閘/分閘狀態、接地裝置的合閘/分閘狀態、儀表室/斷路器室/電纜室等防護門的開啟/關閉狀態進行監視，全方位掌握設備內關鍵部件的運行狀況。當系統或設備發生故障時，能通過對采集到的開關狀態信號進行判斷與分析，從而提前進行故障的報警或提示。

通過前期的系統運行模擬量參數及設備部件開關量參數的采集，成套設備集控系統進行分析與處理，一方面可以在設備運行過程中進行故障的預處理，避免事故的發生；另一方面可以接受外部及上層系統控制指令，進行相關流程控制，實現一鍵式合閘送電及停電檢修操作。

3.3 一鍵式送電與檢修操控

1）一鍵式操控的作用

手車式開關成套設備實行系統智能集控后，不再要求人們分步驟按流程進行隔離、分斷、接地等手動操作，而是一鍵實現分、合集控，不僅提升操作的簡潔程度，而且能從根本上杜絕人為不當操作造成的聯鎖失效問題。

成套設備集控方法一鍵式操作既可靠地實現了高壓設備隔離、接地與分斷裝置之間的操作互鎖要求，同時又有效地解決了人為的誤操作及野蠻操作等問題，特別是為手車式開關設備的自動化[9]、智能化及遠程控制奠定了基礎，降低了人工操作成本，避免了不必要的運維事故產生，對于電力系統長期穩定運行及社會經濟效益具有十分重要的意義。

2）一鍵式操控的原理

手車移開式成套設備集控方法使操作過程極大簡化，可實現一鍵式分合閘，避免了人為的誤操作以及裝置機械操作力度不當或野蠻操作造成的“五防”失效。控制系統包括一套PLC主控制裝置及相應的傳感器及執行機構，在接收到外部操作指令后，主控制器采集相應元件狀態，通過執行機構操作控制隔離、接地或分斷裝置等。分合閘控制程序，使各機構與元件之間相互配合，方便、安全、快捷地完成一整套功能組合指令。

考慮到移動隔離手車執行機構的旋轉定位以及機構防堵轉功能，通過執行機構控制底盤手車移進或退出的過程中，預設的限位開關定位手車的狀態位置。為防止運行中因機構卡死或限位失效，主控制器實時監測執行機構的運行荷載，超過定值時即起動保護，終止當前操作，并執行相反指令操作，或依據預設程序運作。

集控系統主要包括：

（1）主控制器：PLC控制器。

（2）隔離裝置：真空斷路器底盤手車。

（3）分斷裝置：真空斷路器。

（4）接地裝置：檢修接地開關。

（5）防護柜門：斷路器室、電纜室及變壓器室防護柜門。

系統框圖如圖2所示。

圖2 集控系統框圖

3）分合閘操控流程

與成套設備常規控制方式相比，基于集控系統的智能化開關柜[10]將使開關設備的操作過程極大簡化，控制安全及防護可靠，完全杜絕了人為誤操作存在的安全隱患，其控制流程包括準備階段及合分閘操作過程。

操作前準備階段：①成套開關設備控制電源合閘，分斷裝置手車就位，防護柜門關閉等；②主控制器通過位置、狀態傳感器采集底盤手車、分斷裝置、接地裝置及防護門位置與運行狀態；③斷路器分斷裝置儲能機構儲能。

設備合閘受電過程：①人工通過開關設備面板合閘按鈕或后臺系統給定合閘指令；②主控制器收到指令后，檢查各防護門的關閉狀況，若未關閉，則通過聲光不斷提示；③防護門關閉，主控制器判斷斷路器工作狀態，若已合閘，則對斷路器發出分閘指令；④斷路器分閘，主控制器判斷接地裝置工作狀態，若已合閘，則對接地裝置發出分閘指令；⑤接地裝置分閘，主控制器判斷底盤手車位置狀態，若未處于工作位置，則對手車執行機構發出推進指令；⑥底盤手車推進到工作位置后，主控制器對斷路器發出合閘指令；⑦開關設備合閘受電過程完成。

設備分閘斷電過程：①人工通過開關設備面板分閘按鈕或后臺系統給定分閘指令；②主控制器收到指令后，判斷斷路器工作狀態，若已合閘，則對斷路器發出分閘指令；③斷路器分閘，主控制器判斷底盤手車位置狀態，若未處于試驗位置，則對手車執行機構發出退出指令；④底盤手車退出到試驗位置后，主控制器對接地裝置發出合閘指令；⑤接地裝置合閘，防護柜門可開啟，設備處理檢修狀態；⑥開關設備分閘斷電過程完成。

4 結論

本文從高壓成套設備在電力系統中的重要性出發，闡述了設備當前所作的各方面的改進與提升，以及在實際運行中存在的缺陷，有針對性地提出了基于集控系統的高壓成套設備的智能化，不僅有效解決目前設備存在的“五防”安全互鎖問題，而且實現了智能化監控，為智能變電站、智能電網的建設奠定了基礎。作為設備智能化中最重要的功能，本文重點論述了設備的“一鍵式操控”，徹底有效地解決了設備的運行檢修操控難題。然而，本文中基于集控系統的設備智能化理論是在集控系統穩定性及傳輸時效性完全滿足要求的前提下提出的，實際應用中電路及電子元件的性能還無法安全滿足要求，因此如何提高控制系統的穩定可靠及通信傳輸效率將是下一階段研究的方向與課題。

圖3 集控系統流程圖