10kV斷路器智能化關鍵技術

國網江蘇省電力有限公司建湖縣供電分公司 周紅軍 吳東寧 沈 勝 丁 勇

1 引言

斷路器是電力系統重要組成部分，可以執行電力線路的電流操作，并及時接通和斷開。因此，斷路器的正常操作是電力系統可靠運行的必要條件[1]。

2 智能斷路器

智能斷路器是由自動控制技術、現代微電子數字技術、新型傳感器和數據采集技術組成的新型二次斷路器。新型傳感器與數字控制裝置兼容，并自采集工作數據，可以分析斷路器的工作狀態、修改斷路器的操作過程、數據和顯示斷路器的功能以及檢查設備錯誤，并在缺陷損壞之前發出警報，以避免發生事故。斷路器操作所需的信息由安裝在電源系統中的數字控制設備直接處理，并獨立于變電站級控制系統在本地運行，具有真空斷路器的一般功能，并且具有理論知識、判斷知識和操作知識[2]。

3 高壓斷路器智能化技術

3.1 智能監測技術

3.1.1 斷路器機械特性監測技術

機械特性監測原理。機械特性監測原理包括開合速度、超程、開合距離和行程，以及開合時間共同決定了每種特征的水平。當觸頭的開閉速度過高時，在接觸過程中，會對機械系統產生嚴重的擾動和應力，從而導致電氣系統的機械接觸。此外，斷路器的超程、開路距離和行程等參數可以確定其接觸器的安全性是否滿足要求[3]。

t1～t2相：當在t1接收到閉合指令時，斷路器開始工作，斷路器僅在t2處接觸；斷路器僅于t2處接觸；t2～t3階段：在t2-t3期間，由于慣性和非慣性，觸點開始反彈，直到其能量充滿。根據該曲線可以獲得該反彈和超程時間，然后可以確定水力模型是否良好。t3～t4相：觸點看起來穩定，閉合順序完整。連接斷路器的分閘位移和力矩之間的關系如圖2所示。

t1～t2階段：檢修時斷路器觸頭開始分閘，t2時斷路器觸針到達自動分閘位置；t2～t3相：斷路器呼叫連續性；t3～t4相：在t3時，斷路器的觸點達到分閘距離的臨界點，觸點移動導致高速，因此不能及時停止在此位置。為了防止接觸損壞，漸開線起始點和接觸返回點，直到接觸速度最終降至零，其穩定性在開口點。

研究機械系統的特性。不同的因素可以影響不同的特性，并且所有的特性都不能預測或確定斷路器的操作時間。

變更的含義。開放距離：運動和靜態接觸取決于靜止位置時的最大距離；超程：從接觸開始到閉合順序結束的距離；行程：斷路器開路距離和超程之間的平衡。

信號密度的內容。最大合閘速度：合閘時觸頭的最大速度；平均閉合速度：80%的行程在閉合前接觸過程中，其運動的平均速度；最大分閘速度：分閘動作時觸頭的最大速度；平均開啟速度：開啟前6個月接觸力移動的平均速度。

時間信號的含義。閉合時間：從電流流過控制閉合的線圈到閉合過程完成的時間；超時開關：從電流流過控制開關的線圈到開關結束的時間；差分時間：三相觸點的開/關時間之間的最大差。

3.1.2 觸頭溫升監測技術

由于電弧造成接觸線的電損耗，觸點的溫度急劇升高。因此，有必要監測點火系統的溫度，以確定觸點是否處于良好狀態，實現了功率成本，并且可以輸出電源。互認系統具有運行時間長、無需轉換、運行穩定的特點。大電流長時間流過接觸位置，因此很難獲得數據。為了確保可在不影響電力系統正常運行的情況下監測觸點的溫度，本文采用無線通信模式獲取觸點的溫度。

3.2 數據處理技術

數據濾波是監測結果準確性的基礎。

3.3 數據通信技術

隨著智能電網的發展，可以將智能設備的數據計算和分析以各種方式傳輸到上位機進行備份和顯示。

4 斷路器智能化裝置硬件設計

4.1 智能化系統架構設計

隨著智能信號的應用，電力系統向高壓、大機組、大容量方向發展，電站朝著無維護、智能化的方向普及，系統在智能監控領域的應用越來越廣泛。所有技能包括智能監測、數據處理、數據通信、故障信息系統和故障診斷等功能，并對底層數據進行協議轉換，以便在軟件之間發送到智能計算機。斷路器嚴格按照IEC61850協議。

智能變電站采用“三層兩網”模式，建立統一的通信和數據結構。所謂“三層”是指系統層、系統段層和車站層，“兩網”是指在系統層和車站管理層之間的網絡。該系統結構對電站的供電進行監控，由智能和智能監控裝置組成。可以通過智能設備完成電量檢測、供電控制和電量分配的任務。延時系統位于系統層和車站層之間，實現了電源的繼電保護、記錄和切換協議功能。智能電子控制系統分為三個部分：系統層、系統段和站控層。上位機采用JPower200軟件開發，與南方電網相連，并在本文中使用。

4.2 智能化裝置硬件架構設計

溫度接收接觸器的溫度，在光耦分離后，通過主控制芯片讀取。

4.3 微處理器

選用St公司引進的StM32F407ZEt6芯片，可以用于控制浮動函數流，如小波變換、FFt和FIR，從而提高效率。與常用的tMS320F28335相比，該芯片具有成本低、功耗小、電壓保護好等優點，具有功耗低、功耗低、電壓保護性能好等優點。以下是StM32F407ZEt6的功能：

一是高頻范圍為168MHz，報告周期僅為5.95ns，芯片核心和I0端口之間的電源支持1.8V至3.6V；二是通信能力強，具有4個USARt、2個UARt（10.5 Mbps）和2個CAN接口；

A/D和DMA數據處理模塊：將測量來自16個其他源的信號。AD轉換器可以進行一次采樣、連續采樣、掃描或連續操作，相鄰兩個樣本的短時僅為100us，系統的頻率限制為100us。

溫度傳感器接收StM8L151芯片作為微處理器，該芯片是一個8位低功耗處理器，最大支持16MHz的工作頻率，由32KB閃存和2KB RAM組成。該芯片有四個電路，包括SPI、端口和IIC等通信設備。該芯片最大的優點在于功耗低，當需要操作時，單片機通過寄存器管理從低功耗轉變為傳統的操作模式。

4.4 信號采集傳感器設計

在比較不同傳感器的基礎上，選擇線位移傳感器獲取斷路器的行程信號選用KSF-50微滑塊傳感器，具有體積小、安裝維護方便等特點。可以測量5～50mm的距離，線性自由度精度高達0.3，最大工作速度為5m/s，工作溫度為-30～125℃，傳感器的參數完全滿足集成斷路器的移動性特性。

支架由螺釘固定，因此探頭可靠且靠近凹槽。斷路器工作時，曲柄臂槽中的傳感器探頭隨曲柄臂的移動而移動，移動方向均基于曲柄臂，從而輸出傳感器的輸出信號。用于微處理器監控。

5 斷路器智能化裝置軟件設計

5.1 主程序設計

其主要由數據處理和數據通信模塊組成，系統由自動時鐘模塊和外圍模塊組成[4]。主程序流程圖如圖5所示。

發電機開啟后，通過監測開環電氣系統和開閉電流轉向系統的實時性，可以確定電機是否工作。當動作發生時，調用B代碼分析子程序來獲取操作系統的實時數據，并采用A/D DMA干擾模式來采集和傳輸模擬通道的信號數據傳輸完成后，DMA接口關閉。聯系基于輸出模型的函數將樣本數據存儲在緩存陣列中，并調用濾波程序算法來濾除干擾噪聲。過濾后，調用數據處理子程序計算斷路器的動態特性并打包。

5.2 分合閘采樣子程序

通過確定電流是否流過開口賬戶狀態和開口線圈，可以確定斷路器是否發生開口操作。同時，斷路器是否閉合取決于電流是否流過斷開狀態和閉合線圈。根據繼電保護規則，一般來說，斷路器內部問題大多是“長”型的，永久性問題不到10%。因此，在通過繼電保護斷路器終止故障后，可以恢復電弧放電和短路絕緣。作為一種繼電保護策略，自動停機的時間間隔通常為0.3s。如果電源故障消除，電源將不再接通；否則，故障可被視為永久性故障，斷路器可在盡可能短的時間內打開和閉合。當斷路器發生故障時，在斷路器斷開后，為了確定故障是否穩定，斷路器將在斷開后0.3s再次閉合。如果故障是永久性的，斷路器將在閉合后第一次再次斷開。

5.3 儲能電機子程序

儲能電機為斷路器的打開和關閉操作提供電源。通常，在電機關閉操作后，電機存儲系統開始電動操作，并驅動彈簧存儲系統存儲能量。電機存儲子程序的流程圖如圖6所示。

5.4 小波去噪子程序

將第一分解階段設置為1，分析比較接收尺度系數的噪聲。如果量化函數不足以指示噪聲特性，則對其進行初始化，將1添加到分解級別，然后執行下一個分解，并重復上述步驟，直到分解的量化結果可以看到噪聲中包含的特征。在去除噪聲后，高效地重構信號，最終得到去噪后的信號。

5.5 無線通信模塊子程序

當接收溫度高于傳統溫度時，將縮短信息傳輸的時間限制，并防止由于故障而獲得的溫度信息不完整的問題。如果指令正確，向主機發送響應信號，并開始記錄傳入郵件中的溫升。如果三次收到的所有信息都錯誤，則應命令切斷從機。

5.6 CAN通信子程序

斷路器的動態特性通過CAN通信方式傳輸。并將CAN配置為發送模式，當指令分別根據開戶狀態、打開和關閉中的一種時，電機存儲功率或觸點溫升指南，并將相關文件打包分發。在傳輸錯誤的波形數據時，采用分包的方法，從而提高了傳輸效率和準確性。一旦收到消息，出現三個連續錯誤，將被確認為通信故障，必須及時調試和處理。

6 結語

傳統的10kV電網線路框架短路斷路器存在許多問題。一方面設備的操作有限；另一方面，對電子產品的質量產生了負面影響，不適合電子產品的穩定運行[5]。因此，各地區電力部門對10kV電網供電的實時性問題越來越重視，對其認識不斷加深，為群眾提供優質供電，智能升級真空斷路器，并嚴格控制電氣、輸電和電流設備，這不僅減少了設備的損壞，而且提高了電氣設備的質量，以智能方式增強了真空斷路器的效率，提高能源供應質量。