智能斷路器模擬器的設計

徐 輝，盧思瑤，吳立文，費麗強，蔣 政

（國網嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

0 引 言

目前，我國經濟迅速發展，激發了科學技術的不斷進步。在新時代背景下，人們的生活質量正在穩步提升[1]。相應地，對電力需求量和電能質量的要求也越來越高。在電力工程項目運行的過程中，斷路器的應用非常廣泛，承擔著電力系統的輸配電控制、電流故障額定調控以及保護電網安全穩定運行的重任，因此保證斷路器的安全具有重大的意義[2]。在以往的斷路器調試、保護、運維工作中，為了使斷路器正常工作、方便調試，一般采用模擬斷路器對其進行調整和試驗。但由于其特殊的電流特性，使得常規的斷路器仿真設備在運行過程中存在著較大的不穩定性，并且不能在線路之間進行任意轉換，已經不能完全滿足目前國內智能電網運行的需要[3]?；谝陨媳尘埃Y合人工智能技術設計了一種智能化斷路器模擬器，為斷路器的運行調試控制工作提供穩定、可靠且低成本的輔助設備，以此來保證電力穩定傳輸，提升電力系統整體的安全運營效益，促進電力工程領域的和諧、健康、可持續發展。

1 設計智能模擬器的硬件結構

基于斷路器的主要功能特性，選取并確定智能模擬器的硬件設施及其配置，如表1所示。

表1 智能模擬器的硬件設施及其參數配置

在智能模擬器的設計中，利用溫度傳感器采集斷路器運行狀態模擬量進行分析處理。采用控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線將處理過的模擬量傳輸到PC端的上位機側，利用單片機對模擬量進行邏輯判斷，實現模擬器對多遠路器分合閘的智能控制。根據模擬器的功能需求確定智能模擬器的電源節點邏輯，結合CAN總線連接所有的硬件設施，支撐所有功能模塊的智能運行。根據上述智能模擬器硬件設施的確定進行軟件分析，以此來滿足斷路器模擬器的功能需求。溫度傳感器如圖1所示，其斷路模擬器如圖2所示。

圖1 溫度傳感器示意圖

圖2 斷路器模擬器示意圖

2 斷路器模擬器的功能模塊設計

2.1 斷路器模擬量的采集與處理

利用模擬/數字（Analog/Digital，A/D）模塊采集斷路器運行過程中的模擬狀態量，為模擬器智能化、自動化控制功能的實現奠定數據基礎。對斷路器模擬量的采集主要由2個部分構成：一是對斷路器進行溫度檢測，二是采集斷路器運行過程中的電流信號。將初步采集到的溫度信號經過放大通道進行放大處理，作為智能模擬器的模擬量。采集斷路器運行過程中的電流信號，周期為20 ms[4]。初步采集到的電流信號分為小信號與大信號，將大信號直接輸入并存儲，作為模擬量；將小電流信號要經過放大通道進行放大處理，處理后輸入并存儲在模擬量集合中。將上述采集到的斷路器運行狀態的模擬量利用CAN總線傳輸到PC端，便于后續的智能化分析處理。

2.2 模擬器通信與人機交互功能設計

為了實現斷路器模擬量的實時智能傳輸、分析與處理，通過CAN總線連接模擬器所有的功能模塊，便于對整個結構進行實時監測與控制[5]。CAN總線的通信接口與PC端控制主機相連，將采集到的模擬量傳輸到PC端。當模擬量傳輸到PC端時，需要設計模擬器的人機交互功能模塊，從而在PC機顯示屏上實時顯示模擬器的相關模擬、控制信息。為了實時獲取斷路器的運行狀態，在總線中接入發光二極管（Light Emitting Diode，LED）指示燈，根據LED指示燈的顏色判斷斷路器是否正常運行。通常情況下，LED綠燈狀態表示模擬器通電，可以正常運行；LED黃燈狀態表示模擬器的通信正常；LED紅燈狀態表示模擬器對應的斷路器運行狀態異常，且模擬器沒有智能地進行斷路器的分閘控制。LED指示燈的接入為模擬器提供了更加精細的異常狀態二次提示，使對應斷路器的運行更加安全。

2.3 斷路器分合閘的模擬控制

在上述通信與人機交互功能模塊實現的基礎上，設計模擬器對斷路器分合閘的邏輯控制模塊，實現模擬器的主要功能需求[6]。斷路器分合閘的邏輯控制是通過對斷路器模擬量的異常判斷，智能化地對斷路器發出合閘指令，將斷路器斷開，保護電路。利用斷路器運行過程中的過載閾值，實現模擬器的智能化邏輯控制。計算模擬器長延時的動作保護時間，結合斷路器運行過程中的實際電流，判斷斷路器的運行狀態。當單片機獲取到的實際電流值大于過載閾值，且保護時間超過長延時動作保護時間時，模擬器發出合閘指令，斷路器脫扣斷開，完成斷路器的智能保護控制。

3 試驗與檢測

為了檢測本文設計的智能斷路器模擬器的可行性，設計了仿真模擬試驗?；赪indows系統搭建試驗平臺，選擇某區域110 kV變電站作為本次試驗的測試對象，搭建模擬器的邏輯線路，開展智能斷路器模擬器的仿真測試。

在試驗平臺系統的數據庫中，隨機選取100組斷路器運行狀態的模擬量，通過邏輯線路進行仿真運行，記錄各個模塊的運行時間，計算平均值進行分析，結果如圖3所示。

圖3 斷路器模擬器功能模塊的平均運行時間

由圖3可知，對于智能模擬器的信號采集模塊、信號分析模塊、人機交互模塊、狀態模擬模塊以及通信模塊，平均運行時間分別為2.41 s、3.03 s、0.36 s、3.68 s以及0.24 s，均保持在5 s的實際變電工程標準范圍內。由此可知，本文設計的智能斷路器模擬器功能完善，保證了模擬器通信效果的優良性，具有高效性與實時性。

通過模擬器模擬斷路器的不同分合閘節點狀態，在不影響斷路器運行的情況下進行異常工況的輔助運維處理。在模擬器的輸入端分別輸入0、1、2、3、4以及5，每個數字代表模擬器模擬工況的運行狀態，記錄模擬器在斷路器分閘狀態、合閘狀態下對應的模擬輸出值。對于每組模擬器模擬工況運行狀態進行100次仿真測試，計算輸出值與斷路器實際狀態測量值的平均誤差，結果如表2所示。

表2 設計方法對斷路器分合閘的智能模擬誤差分析

由表2可知，對于斷路器的分閘和合閘狀態，設計模擬器的運行構狀態模擬誤差值均低于4%，具有精準性，可以真實模擬斷路器的運行狀態。通過運行狀態的模擬與監測，智能調節斷路器的異常工況，為變電站斷路器裝置的安全穩定運行提供良好的技術支持。

4 結 論

在數字信息智能化的新時代，電力系統開始朝著自動化、智能化的方向發展。基于數字智能化技術，加強研究電力系統斷路器的智能模擬方法，為斷路器的運維、調控提供可靠的支撐，保證電力系統整體的安全運營效率，提高電力工程領域的經濟效益與社會效益，促進行業的可持續發展。