基于手車式高壓開關柜的手車智能控制技術研究

李 煜 李 卓

（1.北京京能清潔能源電力股份有限公司華南分公司，廣東湛江524000；2.廣州開發區粵電新能源有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

隨著智能電網的發展，開關設備智能化在國外和國內實際上已經歷了多年研究，并且在智能變電站或新能源集控中心有了一些應用[1]。在傳統的手車式高壓開關柜斷路器手車底盤和接地開關處增設電驅動機構，通過電氣二次系統，可實現對步進電機的正反轉控制，用以驅動小車的搖入、搖出和接地開關的分合閘操作。增加的電驅動部分模塊化嵌入小車底盤和接地開關，不改變原有開關柜的結構和功能，所以不會對原開關柜的電氣性能和機械性能造成影響。不打亂重構原有開關柜的五防閉鎖，而是在原有開關柜完善的機械五防閉鎖機構之外，再設計一套電氣閉鎖系統，兩套五防既可共存又可獨立起作用，相互不產生干涉，大大提高了高壓設備操作的安全性。一方面，電動操作和手動操作共存，二者各自都可以獨立操作，并實現自由切換，提高了操作的可靠性、靈活性。另一方面，兩種操作互鎖，確保在同一時間只能使用一種操作模式，從而確保了操作的安全性。

1 項目意義

目前，新能源電站設備分布廣，作業點分散，安全管理人員數量少，無法對作業現場和現場運維人員實現實時安全可靠的監管，不能及時規避相關風險，并且存在一定的安全管理漏洞和風險。為進一步推廣集中監控管理與電站定期巡檢的模式，并有效提高電站運維效率，電站自動化控制程度需要進一步提高。基于此，提出了高壓開關柜手車智能控制技術，該項控制技術有效提高了電站的自動化程度，同時也減少了運維值班人員巡檢的工作量，降低了電站運維人員在操作開關柜分合閘過程中人身觸電的風險。

2 項目實現功能及實施原理

2.1 實現的功能

（1）接地開關通過步進電機驅動，緩慢、平穩實現合閘/分閘操作。

（2）手動和電動操作機構間具有離合裝置，使電動和手動操作相互獨立。

（3）電動操作控制單元可遠程和本地控制接地開關合閘/分閘，具有電動操作電機堵轉保護和故障報警功能，當搖進/搖出操作過程中出現阻滯時進行故障報警，并及時控制步進電機停止運行，防止繼續進行操作，損壞相關機械閉鎖[2]。

（4）電動操作控制單元可通過位置輔助裝置來監控合閘/分閘情況，避免高壓拉弧對設備造成損壞，因為合閘與分閘過程中未完全完成合閘或分閘動作的斷路器在通電或斷電瞬間會出現高壓拉弧現象。

（5）控制單元具有步進電機制動功能，以防止電動操作到位后電機因堵轉損壞。

（6）接地開關本體帶位置信號輔助節點，并具備完整的五防聯鎖功能。

2.2 斷路器電動底盤車

電動底盤車的步進電機和絲桿的連接采用齒輪嚙合傳動結構，實現搖進/搖出操作。如圖1所示，底盤車可分別進行手動和電動操作，手動和電動操作機構間具有螺母式離合裝置，可在手動操作過程中的任何位置進行脫離，離合后可以使電動操作與手動操作相互獨立。電動操作控制單元可通過遠程控制來對底盤車進行搖進/搖出操作，同時電動操作模式下具有電機堵轉保護和故障報警功能，在電動模式下，搖進/搖出操作過程中出現阻滯時會進行報警，并及時關閉步進電機，防止搖進/搖出操作繼續進行，損壞相關機械閉鎖。控制單元具有電機制動功能，以防止電動搖進/搖出操作完成后步進電機繼續工作，導致步進電機堵轉損壞。同時，底盤車本體帶位置信號輔助節點來確定搖進/搖出操作是否完成并反饋分合閘情況到遠程控制終端（人機交互端），具備完整的五防聯鎖功能。

圖1 電動操作底盤車結構圖

2.3 電動接地開關

電動操作主要針對JN15、JN17系列帶關合能力的線路側接地開關。如圖2所示，結構上在手動操作的接地開關框架中加裝電驅動裝置及傳動模塊，配合操作控制單元（或和電動斷路器控制器合成為二合一控制單元），實現接地開關的電動操作。

圖2 電動操作的接地開關

2.4 新增步進電機及電動控制裝置工作原理

通過新增的AC/DC電源模塊給遠程電動控制裝置提供所需直流電，遠程控制裝置內部由電源管理單元、步進電機控制單元、分合閘檢測單元、中央處理單元、堵轉檢測單元、無線通信單元等構成。其中，電源管理單元負責將外部AC/DC電源模塊提供的直流電轉換為遠程控制裝置內部其他各單元所需的不同電壓等級；步進電機控制單元用于接收中央處理單元傳遞過來的控制信號以驅動外部的步進電機；分合閘檢測單元用來檢測分閘/合閘的狀態，將分合閘狀態信息傳遞給中央處理單元進行數據處理；中央處理單元將從無線通信單元獲得的控制命令，配合分合閘檢測單元傳遞過來的分合閘狀態信息進行處理，將處理完的信息傳遞給步進電機控制單元來驅動步進電機完成分合閘動作；堵轉檢測單元負責檢測步進電機在運行過程中是否遇到阻滯情況，一旦遇到阻滯則傳遞信息給中央處理單元，中央處理單元接收到阻滯信號后立即發出停止運行的信號給步進電機控制單元，使步進電機停止運行；無線通信單元與遠程控制終端進行無線通信，將從遠程控制終端獲得的控制命令數據傳遞給中央控制單元進行處理并執行，與此同時，將從中央處理單元傳遞過來的分合閘狀態信息反饋到遠程控制終端。

3 項目實施過程

3.1 斷路器底盤車改造

傳統手車式高壓斷路器小車的底盤是機械結構，如圖3所示，該機械結構中不具備電動搖進/搖出機構，無法對其進行遠程操控或電動操作，該項控制技術是通過在傳統手車式高壓斷路器小車的底盤安裝一個步進電機以及步進電機遠程控制裝置，同時改造斷路器的二次接線，安裝電動底盤車控制器，從而實現傳統高壓手車式開關的遠程操控及本地的電動操作。

圖3 改造前后傳統手車式高壓斷路器底盤車

3.2 接地開關改造

傳統手車式高壓開關柜的接地開關是機械結構，如圖4所示，該機械結構中不具備電動機及電動控制裝置，無法對其進行遠程操控或本地電動操作，該項控制技術是通過在傳統手車式高壓開關柜的接地開關處安裝一個步進電機，同時增加電動地刀控制器、相關二次線回路及遠程控制裝置，從而實現傳統手車式高壓開關柜的接地開關遠程操控或電動操作。

圖4 改造前后的接地開關

3.3 遠程電動控制增加部分的硬件連接

遠程控制裝置的電源接口外接AC/DC電源轉換模塊，兩個步進電機輸出接口外接兩個步進電機，用來驅動底盤車與接地刀，實現遠程電動控制；遠程控制裝置的分合閘檢測接口分別接入兩路合閘與兩路分閘位置輔助信號，用于檢測底盤車與接地刀的分閘與合閘情況；遠程控制裝置的外部天線接口外接GPRS天線，用于無線電信號傳輸（注意天線不能放置在金屬箱或金屬籠中，以免信號被屏蔽，影響遠程無線通信）。

4 具體實現過程描述

控制終端下發底盤車合閘命令，底盤車遠程控制裝置接口的無線通信單元接收控制終端下發的控制命令，將數據傳遞給中央控制單元進行處理，同時中央處理單元對位置輔助裝置傳遞的底盤車位置信息進行處理，然后輸出控制信號到步進電機控制單元控制步進電機正轉，步進電機正向轉動通過齒輪與軸承傳動，底盤車實現搖進操作。當底盤車運行到“即將合閘”位置檢測處，位置輔助裝置輸出信號傳遞到遠程控制裝置的分合閘檢測單元，將輸出信號傳遞到中央處理單元進行處理，中央處理單元輸出減速信號給步進電機控制單元對步進電機進行減速處理，進而使底盤車緩慢運行，直到中央處理單元接收到位置輔助裝置輸出的合閘信號后輸出停止信號給步進電機控制單元，控制步進電機停止運行，同時將完成搖進操作的狀態信息通過通信單元傳遞給控制終端，整個搖進任務完成。

控制終端下發底盤車分閘命令，底盤車遠程控制裝置接口的無線通信單元接收控制終端下發的控制命令，將數據傳遞給中央控制單元進行處理，同時中央處理單元對位置輔助裝置傳遞的底盤車位置信息進行處理，然后輸出控制信號到步進電機控制單元控制步進電機反轉，步進電機反向轉動通過齒輪與軸承傳動，底盤車實現搖出操作。當底盤車運行到“即將分閘”位置檢測處，位置輔助裝置輸出信號傳遞到遠程控制裝置的分合閘檢測單元，將輸出信號傳遞到中央處理單元進行處理，中央處理單元輸出減速信號給步進電機控制單元對步進電機進行減速處理，進而使底盤車緩慢運行，直到中央處理單元接收到位置輔助裝置輸出的分閘信號后輸出停止信號給步進電機控制單元，控制步進電機停止運行，同時將完成搖出操作的狀態信息通過通信單元傳遞給控制終端，整個搖出任務完成。

在底盤車搖進/搖出操作過程中，步進電機運行出現阻滯時，遠程控制裝置中堵轉檢測單元檢測到步進電機堵轉后，中央處理單元輸出停止信號給步進電機控制單元來控制步進電機停止運轉，同時將故障信號通過無線通信單元上報給控制終端進行故障報警，并將控制模式切換為手動控制模式。

5 創新點

（1）整體開關柜結構沒有變動，增加的電驅動功能部分是以模塊化形式嵌入底盤車和接地開關，不改變原有開關柜結構和功能，即不會對原開關柜的電氣性能和機械性能造成影響。

（2）本次改進不會打亂重構原有開關柜的五防閉鎖功能，而是在原有開關柜完善的機械五防閉鎖機構之外，再新增設計一套電氣閉鎖系統，機械五防與電氣五防這兩套五防既可共存又可獨立起作用，相互不產生干涉，大大提高了產品操作的安全性。

（3）電動操作模式與手動操作模式共存，二者各自都可以獨立操作，并實現自由切換，提高了設備操作的靈活性。另一方面，兩種操作模式互鎖，確保同一時間內只能使用一種操作模式，確保了操作人員在操作過程中的安全性。

（4）具備運行狀態及分/合閘狀態檢測功能，通過無線通信將運行狀態信息反饋到管理終端，管理人員可以很容易地知道分/合閘情況。

（5）遠程控制合閘/分閘，可實現多設備集中管理，大大提高了運維效率。

6 安全經濟效益

6.1 管理收益

可以從根源上有效監控從設備到整個配電房的高壓開關柜運行狀態，制定切實可行的運維策略，形成標準化的運維管理流程和配單流程；同時，利用運行管理軟件平臺和配網設備運行狀態管理數據庫，實現了開關柜集中“三遙”功能。

可實現多個配電房集中管理與控制，且不受地理位置的限制。

6.2 經濟收益

遠程電動控制裝置的加入，有效節約了在巡檢路途中所耗費的人力及物力，可實現從事后檢修到事前預防的轉變，降低因故障引起的經濟損失。通過有效地實時監測設備運行狀況，運維人員可以及時對設備進行檢修，避免設備因故障后不能及時檢修導致使用壽命縮短，有效延長了設備使用壽命。

7 結語

該項研究成果可以轉化為新產品，將成果應用到其他分布式新能源電站高壓開關柜。將傳統的手車式開關柜改為電動操作，提升了系統的可靠性，在保證人身安全的同時，使得開關柜在全生命周期成本上也極具優勢。運維人員不用外出巡檢即可在遠程控制中心高效地完成日常運行操作與設備巡檢，節省了大量的操作工時、管理成本和交通成本。