GIS 斷路器智能匯控系統研究與應用

戚宣威，王 松，徐 華，陳孝信，韓松杰，劉志祥

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.上海思源弘瑞自動化有限公司，上海 201108）

0 引言

斷路器是通斷一次電流、切除電網故障的開關裝置[1-2]。為確保斷路器正確動作，需就地安裝體積龐大的匯控柜，其內部有大量電纜和繼電器，通過復雜物理接線實現斷路器的分合控制和三相不一致保護、電機打壓、防跳等輔助功能[3-6]。

現有的斷路器匯控系統配置模式存在設備可靠性低、調試運維困難和感知連接受限三方面的問題：

（1）設備可靠性低。長期運行在現場環境下，繼電器容易老化，電纜端子會出現松動，復雜的回路接線難免會出現錯誤。這些安全隱患會導致斷路器不正確動作，嚴重影響斷路器本體以及大電網的安全穩定運行[7-9]。2018 年，某省斷路器出現危急和嚴重缺陷共計409 臺次，由于匯控系統二次回路故障造成的缺陷236 臺次，包括控制回路斷線、位置信號不正確、繼電器故障和儲能控制回路故障等。由此可見，電纜、繼電器搭接構建的匯控系統二次回路可靠性較低，已成為導致斷路器出現缺陷的重要因素。

（2）調試運維困難。斷路器的匯控柜與實現信號轉接功能的智能終端并未進行一體化設計，接口復雜多樣、接線繁雜、互換性差，設計院、用戶需單獨熟悉和管理智能終端與斷路器本體匯控柜的接口，導致相關的設計、基建、調試和運維的工作量增大[10-12]。

（3）感知連接受限。斷路器需要單獨設立智能柜，在智能柜內通過專門定制的智能終端及合并單元，實現匯控柜送出的電纜模擬信號與智能變電站網絡光纖數字信號之間的接口交互。這種接口交互形式增加了系統的復雜性，且需要根據不同的廠家設計不同類型的交互接口，通用性和擴展性差。

本文提出了一種斷路器智能匯控系統，突破了幾十年來斷路器一、二次系統割裂的設計模式，采用高防護數字設備重構斷路器匯控設備形態，通過二次回路板件化實現斷路器匯控功能的集成；構建貼近設備本體的狀態全息感知連接平臺，取消智能終端等信號轉接設備，實現與智能變電站網絡的無縫對接，推動電力設備的一、二次融合發展。

1 總體系統架構

本文所提斷路器智能匯控系統針對的是220 kV 開關匯控柜，采用3 套智能裝置實現一次設備智能化及與保護和監控系統通信，如圖1 所示，包括智能組合控制箱和2 個雙重化配置的智能裝置。

圖1 一、二次融合智能匯控系統架構

智能組合控制箱采用板載繼電器板卡實現匯控柜內操作回路集成，同時具備CPU（中央處理器）板卡和輸入/輸出板卡，實現斷路器電機儲能控制保護、斷路器隔離開關遙控和聯閉鎖、斷路器信號采集和就地LED 顯示等功能。

2 套智能裝置實現保護GOOSE（面向通用對象的變電站事件）跳閘信號的接收，并將信號轉化為電氣量，驅動智能組合控制箱內的分/合閘回路，相當于實現了智能終端的功能。功能定義和輸入/輸出接口完全一致：第一套智能裝置實現第一套保護分/合閘，第一套斷路器三相不一致保護；第二套智能裝置實現第二套保護分/合閘，第二套斷路器三相不一致保護。

匯控柜保留模擬盤，以便于現場開關設備檢修和就地手動操作。斷路器機構室和隔離開關機構室采用航空插頭方式單端預制接線，匯控柜側采用端子排接線。

2 關鍵技術

2.1 斷路器分合閘控制

智能組合控制器采用集成電路和板載繼電器實現斷路器的分/合閘控制回路，從而簡化二次接線與繼電器配置。

智能組合控制器可接收來自保護裝置或者智能裝置的分相跳閘接點，該接點直接與斷路器的跳閘線圈串聯，從而實現故障期間斷路器的快速分閘控制。

智能組合控制器具備常規操作箱的TJR，TJQ和TJF 跳閘功能，可通過SHJ 和STJ 繼電器實現就地/遠方手動分/合閘控制，同時配置了ZHJ 繼電器實現重合閘控制，如圖2 所示。

圖2 斷路器分/合閘控制的輸入回路

雙重化配置的智能裝置可以接收來自智能站保護裝置的分/合閘報文，并將報文信號轉化為硬接點開入至智能組合控制器，從而實現保護裝置對斷路器的分/合閘控制。

2.2 防跳

傳統斷路器采用電壓型繼電器實現斷路器防跳功能，本方案借鑒操作箱，采用電流型繼電器實現防跳功能。如圖3 所示，當跳閘線圈1 或2勵磁時，串入智能組合控制箱合閘回路的電流自保持繼電器的12TBIJC 和22TBIJC 接點閉合，并驅動1TBUJA 和2TBUJA 繼電器得電，從而斷開合閘回路。該設計可以在合閘指令一直存在的情況下，防止斷路器跳閘后再次合閘，避免“跳躍”現象的發生。

圖3 電流保持型防跳回路

同時，智能組合控制器配置了軟件斷路器防跳功能，可以自動根據斷路器的跳閘與合閘指令，通過軟件邏輯方式實現“防跳功能”，如圖4 所示。防跳軟壓板投入后，在保護或遙控跳閘出口未返回的情況下，當裝置收到單相合閘或保護重合閘指令后，將觸發防跳邏輯對合閘出口進行閉鎖。

圖4 軟件防跳邏輯

2.3 三相不一致保護

傳統斷路器匯控柜配置的2 套三相不一致保護分別在2 套智能裝置中實現。智能裝置采集三相分合位置信號，判斷斷路器的三相不一致運行情況，當三相不一致到達整定延時時，通過如圖2 所示的TJF 回路驅動斷路器跳閘。

智能裝置根據6 路三相分合位置信號判斷異常情況并告警，防止某個接點問題引起保護誤動；采用CPU 軟件實現三相不一致保護的計時功能，避免傳統匯控柜內延時繼電器因長期運行老化帶來的計時精度問題，從而提升三相不一致保護的可靠性。

2.4 電機儲能控制

通過智能組合控制箱實現電機控制、超時及過載保護。智能組合控制箱開出接點控制電機電源的交流接觸器，實現儲能電機的啟、停控制。

智能組合控制箱通過電流傳感器采集電機電源電流，實現電機過流保護。過流保護配置兩段，包括瞬時速動的Ⅰ段和延時動作的Ⅱ段。同時，智能組合控制箱通過CPU 軟件配置電機電壓超時保護功能。

2.5 隔離開關控制回路

隔離開關控制及電機回路全部安裝在隔離開關機柜室內，智能組合控制箱僅提供分/合閘接點和聯閉鎖接點。

電氣閉鎖和監控閉鎖接點通過二次電纜串接入隔離開關控制回路以實現聯閉鎖功能。本間隔內斷路器、隔離開關、接地開關聯鎖采用電氣和智能組合控制箱串聯的方式實現。全站聯鎖可以通過智能組合控制箱實現，從而取消跨間隔的聯閉鎖回路接線。

2.6 斷路器設備狀態監測功能

智能匯控設備可以自動采集記錄儲能電機動作期間的測量電流和動作時間，并上送至變電站監控后臺，通過搜集和統計儲能電機的歷史電流數據，評估儲能電機設備的工作狀態和健康趨勢。

同時，基于智能匯控系統，可以實現斷路器累計操作次數、三相跳合圈動作電流及時間、SF6氣體溫度及壓力、彈簧機構壓力、母線波紋管形變量、GIS（氣體絕緣金屬封閉開關設備）局部放電、環境溫濕度等斷路器輔控信息的就地采集與集中上送。同時能夠基于設備感知信息采取智能分析策略，以實現對斷路器狀態的綜合評估和主動預警。

2.7 用戶接口

智能匯控系統按照運行人員操作習慣保留了操作模擬盤。智能組合控制器和2 套智能裝置面板保留跳/合閘回路監視、裝置告警、控回斷線三相不一致保護動作等信號燈，以用于指示運行人員現場掌握開關狀態。同時，匯控柜端子排采用標準化設計，從左往右、自上而下按序排列，以便于運維人員在檢修調試期間查找二次回路。端子排的簡稱及含義如表1 所示。

表1 斷路器匯控設備端子排標準化設計

3 設備研發及現場工程應用情況

3.1 智能匯控系統的軟硬件研發情況

智能匯控系統設計以嵌入式計算機采集控制技術、操作控制回路技術、傳感器技術、智能分析技術以及光纖通信技術為核心，研制集保護、控制和在線監測等功能為一體的智能化GIS 斷路器。該系統主要由斷路器本體、傳感器、IED（智能電子設備）和預制線纜組成，取消和簡化冗余回路，能夠提高整個二次回路的可靠性。

其中IED 為系統核心，包含2 套保護執行單元、1 套融合控制單元和1 套智能監測匯聚單元，通過光纖以太網口，以點對點或組網方式與保護、測控等控制設備相連，采用IEC 61850 通信協議，實現對斷路器間隔的分/合控制、間隔內聯閉鎖、數據采集、狀態感知、智能分析和實時信息上送。裝置均采用插件式結構設計，4U 高度鋁合金型材機箱具備良好的適用性和可替換性，能有效提升現場安裝和維護效率。

3.2 現場應用效果

斷路器智能匯控系統在某220 kV 變電站的2 個待用間隔順利投運，如圖5 所示。智能匯控系統利用標準化的PCB 操作回路板卡取代匯控柜內復雜且非標的接線及繼電器，令電纜芯數和繼電器數量分別減少至原有的43%和25%；調試時間也相應縮短至原先的1/4，在降低裝置設計安裝、運維檢修復雜度的同時，全面提升了設備運行可靠性和維護便捷性。

圖5 智能斷路器匯控系統

4 結語

本文提出了“智能設備就地化、電氣回路板件化、二次接口光纖化、狀態監測平臺化”的GIS 斷路器控制保護技術體系，攻克長期以來斷路器本體控制保護系統不適應智能變電站技術發展的問題。采用就地化、高可靠、模塊化的智能設備重構斷路器設備本體的控制保護及信息處理系統；利用集成電路板件及CPU 軟件程序實現了傳統利用電纜和繼電器搭建回路才能實現的邏輯功能，提升斷路器本體控制保護的可靠性；直接將就地采集的信息轉化為標準報文，并采用光纖與智能變電站網絡系統互聯，取消傳統智能終端的信號轉換環節；實現斷路器在線監測信息的就地統一收集與標準化輸出，實現狀態信息的全面感知與高效處理。

一、二次融合技術符合電網數字化的發展趨勢，長期以來囿于一、二次設備專業管理及商業壁壘等問題，斷路器匯控設備保持傳統的斷路器和電纜搭接模式。斷路器的匯控設備通過數字化升級，可顯著改善現有斷路器設備匯控系統的設備可靠性低、調試運維困難和感知連接受限等問題，技術優勢顯著。未來將加強該技術的工程化應用，通過技術進步推動電網設備的數字化升級和管理創新。

目前，智能匯控系統正在進一步的優化和完善，新版本的裝置將集成實現間隔層測控功能，可接收合并單元的測量SV（采樣值）信息并直接將報文轉換為DL/T 860 報文上送至站控層。

未來GIS 斷路器的智能匯控系統可以作為斷路器就地感知連接的終端，在實現傳統斷路器分/合閘控制以及就地保護聯閉鎖功能的同時，實現測控、狀態監測等功能，從而實現自動化、狀態監測、計量等跨專業數據同源采集和邊緣計算，構建貼近斷路器設備本體的狀態全息感知連接的平臺。