配電臺區一二次設備多功能融合與信息交互的應用研究

丁永生

(上海置信電氣股份有限公司，上海 200335)

0 引 言

我國智能電網已進入全面建設階段，為配電網的主體設備制造行業提供了前所未有的發展機遇[1-2]。配電網直接面對終端用戶的重要環節，擔負分配電能和服務客戶的重要任務。由于分布廣泛、網絡結構復雜，故供電能力、供電可靠性和供電質量對社會經濟影響巨大[3]。配電系統設備是配電環節的主體，是智能配電自動化系統與智能配電自動化設備的有力支撐，作為配電網運行可靠性保證的重要環節，配電開關的重要性更為突出。而配電開關又是配電系統設備中的核心之一，配電開關的發展對有效提高配電網的供電能力和供電可靠性、保證供電質量有重要的意義。因此本文對配電臺區一二次設備的多功能融合與信息交互進行探討。

1 配電臺區一二次設備總體設計方案

智能配電臺區包括了諸多的集成特點，分別為設備、功能、專業以及系統集成等，本文對當前智能配電臺區的三層兩網架構進行了優化，保留了站控層的架構，集成了過程層與間隔層的設備，并將設備集中在一個裝置中，以實現模塊化操作。該裝置經過站控層設備與交換機，采用開關本體與光纖直連的方式實現信息的交互，在配電臺區只存在兩層一網，簡化了操作程序與網絡架構，最終實現智能開關設備網絡信息流。智能高壓開關設備信息交互架構如圖1所示。

圖1 智能高壓開關設備信息交互架構

二次設備功能的設計就是將二次設備進行模塊化，并集中在一個設備中，這樣的設備稱為智能主機[4]。智能主機各個模塊由背板總線進行通信交互，并將形態監控IED、局放檢測IED、合并單元、智能終端和檢測保護等設備進行融合，以實現開關自身與站控層之間的交互，還可以進行智能技術方面的支持，例如智能調控、問題判定和聲學指紋等技術[5]。配電臺區一二次設備的多功能融合高壓開關設備的信息流架構如圖2所示。

圖2 多功能融合高壓開關設備的信息流架構

應用分布式管理方式，將對應的調控器賦予各個智能開關，同時將調控器安裝于機構箱，完全應用調控器來完成二次設備的所有功能，實現原有一二次設備的融合，不必對一二次設備進行嚴格區分，使主機的處理量有效降低。

2 智能化高壓開關控制回路優化研究

2.1 跌落式熔斷器狀態監測流程

智能化設計方案主要包括熔斷器狀態監測與設備功能融合。熔斷器狀態監測包括狀態采集、監測板模塊和短程射頻通信。跌落式熔斷器狀態監測流程如圖3所示，本文提出的檢測方法是將跌落式熔斷器狀態監測傳感器固定在熔管上，將角度傳感器內置于熔管內。若熔管跌落，角度傳感器的初始角度發生變化。若水平角度低于門限，則確認為跌落。如果熔管再一次閉合，水平角度高于門限，則確認為閉合。

將接地、隔離接地開關結構和斷路器進行優化，使得匯控柜到機構之間的線路減少。統計斷路器、開關機構到智能組件柜的電纜數量。由開關設備控制器對智能高壓開關設備進行控制和數字化，優化并取消掉傳統開關備用輔助接點，最后對備用輔助開關進行優化。

2.2 漏電開關控制板與無功補償控制板模塊設計

對于漏電開關控制板模塊設計，漏電開關本體僅作為電氣量采集和分合閘執行功能，控制板負責對電路保護、控制、監測及通信，插裝在智能終端中。控制板小模塊與智能終端通過IEC101、MODBUS進行數據交互，模塊化重合閘斷路器如圖4所示。實現了斷路器合閘與跳閘的功能，二次設備在進行回路控制時，能夠實現對一次設備的控制。因此控制回路在二次設備中的重要性非常大，是二次設備受到一次設備控制的重要過程[6]。

圖4 模塊化重合閘斷路器

對于無功補償控制板模塊設計，首先剔除智能電容器的顯示屏，將無功補償控制板插裝在智能終端中，實現補償計算和電容自動投切控制功能，同時實現智能終端對電壓和電流的取樣。模塊與智能終端通過IEC101、MODBUS進行數據交互。通過對電網上每一相的電壓與電流進行采集，應用互感器將電流電壓轉換為微電流信號，并應用電能計量芯片ATT7022E對電流信號進行計算，得出功率因數、無功功率以及有功功率，再采用主控芯片STM32F103RBT6進行計算處理，以確認線路是否受到了無功補償，同時與控制芯片相連的還有儲存模塊、下載接口以及通信接口。智能機構控制器的通信板設計如圖5所示。

圖5 智能機構控制器的通信板設計

2.3 智能終端模塊功能融合設計

本次研究除滿足常規功能外，還融合了漏電保護與控制，無功補償檢測與控制，以及高壓熔斷器監測等功能。取消本體的顯示功能，通過手持終端近程與智能終端進行藍牙通信，實現顯示操作和調試等人機交互。同時智能終端的硬件和軟件采用模塊化功能設計，支持帶電熱插拔，可擴展、易更換和易維護。可根據需求選配定貨、無需額外投入，并支持遠程參數設置及在線軟件升級，如圖6所示。

圖6 智能終端模塊功能融合

本文研究了配電臺區一二次設備融合技術可行性，提出了多功能信息融合交互方法；并基于電路保護、控制、監測及通信功能的漏電開關控制板模塊，設計了對功率因數采集、無功補償容量計算和電容自動投切等功能的無功補償控制板模塊；融合了熔斷器監測板、漏電開關控制板和無功補償控制板等模塊可熱插拔以及可擴展功能的智能終端；實現了智能終端信息匯聚與平臺共享；解決了以往臺區智能化功能中存在的信息孤島、功能重復堆砌和數據管理缺失等問題，提升了設備的智能化水平。

3 試驗及推廣應用

本次研究將智能機構控制器配置在高壓開關設備的各個機構箱內，智能機構控制器中的二次設備功能用于接收上層分合閘指令，通過CPU處理后，控制電路驅動IGBT，最后實現高壓開關的分合閘操作。對斷路器分合狀態等進行仿真模擬，應用示波器記錄兩個通道的RS485信號線脈沖輸出與結束時刻的電壓，并計算出智能機構控制器的延時。分閘延時、合閘測試示波器波形，如圖7所示。

由圖7可以看出:操作分閘時，當分閘指令傳輸至智能機構控制器，輸出電壓平均延遲時間為3.81 ms；操作合閘時，當合閘指令傳輸至智能機構控制器，輸出電壓平均延遲時間為3.83 ms。

圖7 分閘延時、合閘測試示波器波形

本文研究的ZW32(H)-12/630-25一二次深度融合柱上斷路器成套裝置，在國網福建廈門供電公司翔安分中心馬巷供電局桂東線掛網運行，至今未發現任何異常現象和安全隱患。在掛網運行期間，ZW32(H)-12/630-25一二次深度融合柱上斷路器運行狀態良好，數據采集精確，如圖8、圖9所示。

圖8 桂東線02桿現場掛網圖和遙測遙信數據

圖9 桂東線33桿現場掛網圖和遙測遙信數據

實現一二次設備多功能融合后，智能配電網集成系統結構更為合理，單個配電開關站的成本最高可以節約5.1萬元，且二次屏柜的數量由原來的2個減少至1個，這樣使得安裝面積減小約0.6 m2。配電裝置的集成使得配電系統進一步簡化，減少了設備安裝調試的時間，該項經濟價值估算為0.9萬元。因此對二次設備進行多功能融合后，可以為配電臺區的每個土建開關站節約土地0.6 m2，實現經濟效益6.0萬元。

4 結束語

本文提出了一種配電臺區一二次設備多功能融合成套裝置，并運用實例對配電臺區的一二次設備的融合進行實證。結果表明，一二次深度融合柱上斷路器成套裝置掛網運行后，至今未發現任何異常現象和安全隱患。在配電臺區實現二次設備的多功能融合后，單個配電開關站的的成本最高可以節約5.1萬元，且安裝面積減小約0.6 m2。配電裝置的集成使得配電系統進一步簡化，減少了設備安裝調試的時間，該項經濟價值估算為0.9萬元。相信今后能夠在技術上進行突破，開發出更加完善的融合裝置。