淺析智能高壓開關設備的技術

張宇洲

（國能漢川發電有限公司，湖北 漢川 431614）

國民經濟發展需要電力給予大力支持，當前，電力企業為保證系統安全且高質量運行，根據智能技術特點，對電力系統不斷完善，特別是在高壓輸電線路方面，由于其安全性、穩定性對用戶供電質量有著較大的影響，再加上受到能量轉換率、自然環境、氣候條件、設備投入成本等諸多因素的影響，高壓輸電線路運行難度較大，高壓開關設備使用壽命縮短，所以推進智能高壓開關設備升級改進成為各個電力企業關注的重點。基于此，本文通過對智能高壓開關設備的技術進行分析，旨在為高壓開關設備網絡化、數字化、可視化管理提供可以借鑒的思路，保證供電線路高效率穩定運行。

1 智能高壓開關設備的關鍵技術

1.1 基于分布式控制的信息處理技術

智能高壓開關設備應用時，分布式控制思維是常見技術之一，此技術既將一次設備、二次設備缺陷有效彌補，而且在智能化推動下形成了更加完善的分析及處理模式，構建了強大的信息控制結構，信息處理量減少的同時給予智能開關設備運行提供較好的支持。控制器應用環節便可以實現二次設備下放，控制器與主機相連接，便可以直接獲取指令，通過分合閘、儲能主機、機構加熱器等諸多模塊搭建適合的應用模式，具備了測量與監測效能，保證高效傳輸。同時觸頭位移、儲能電機電流、振動等傳感器的配置可實時接收、分析、匯總多樣化信息；處理數據環節利用光纖傳至智能主機中，與傳統模式相比，二次回路、電纜結構等設計環節被取消，信息傳遞更及時、高效；結合匯總的信息完成裝配及調試方案的制定，集成管理一次、二次設備。

1.2 基于機器學習算法的狀態評估技術

智能設備控制機制中，機器學習算法得到了廣泛的應用，采用算法處理形式收集、分析GIS故障樣本，對故障預兆、類型及特點準確掌握，進而更好地完成匹配算法、輸出向量等一些工作內容，在此基礎之上構建智能高壓開關設備評估模型，第一步是信號變送系統，對監測量、基礎監測方式選擇的同時，高壓開關設備與傳感器連接，集約化管理數據信息，保證控制監督環節作用充分發揮；第二步數據采集系統，預處理數據以后結合數據采集工序處理方法，保證信號的評估、基礎參數調用合規；第三步信號傳輸系統傳遞的是信號內容，進而構建較為完善的信息管理模式；第四步數據評估以及診斷系統，完成數據采集、預處理工序以后操作數據評估和診斷系統，以專家庫為重要依據，保證獲取的結果全面且準確，科學輸出以后實現管理的統一化。

1.3 多參量數據綜合處理技術

傳感技術近年來得到了較快的發展，在各行各業中多種類型傳感器發揮了極其重要的作用，傳感器在高壓斷路器中的應用實現了信息的高效分析，監測更加科學、更加合理，有效管理傳感器反饋的多種問題及情況，應用效能較高。傳感器在智能高壓開關設備中的應用做到了動態跟蹤與精準化分析，安裝于不同位置的傳感器獲取的信號是不同的，根據信號特點可對高壓開關運行情況有效評估，第一時間發現設備運行中存在諸多問題，特別是在細節評估與分析中優勢更加突出。通過多個信號提取大量特征量，分析以及對比這些數據，在監測系統冗余管控效能的支持下可以保證管理規范性，工作效能也會隨之提升。

1.4 運行維護技術

智能高壓開關設備運行是否良好直接關系到了應用效果及質量，所以系統分析中掌握常態化運行維護技術也是極其重要的。其中智能處理模塊可以對設備管理環節出現的多種事故進行預警，借助評估及分析一些準確性較高的參數體現事故類型與等級。比如，智能高壓開關設備運行狀態、負載情況、運行年限等，在深入分析的基礎上形成精密的模型，通過準確的計算以及批標的參考，構建合理化、科學化、可控性較強的智能電網規劃系統，由設計為切入點，兼顧運行及后續維護，形成了一站式、全過程、一體化監督管理機制。

1.5 基于二次設備功能升級技術

以傳統二次設備運行為基礎，借助模塊形式搭建集成管理系統，在智能主機支持下形成了具備較強可操作性的處理體系，將智能主機每個模塊有效銜接。智能主機運行時，每個模塊通過背板，總結及時處理信息，實時集成保護、合并、監測等功能單元，基于二次設備應用功能，實現了實時監督，站控層設備逐漸形成，開關本體交互處理性能增強。二次設備功能升級時滿足智能高壓開關先進的技術需求，技術模塊匹配度更高，其中主要包括以下技術手段：（1）狀態評估和故障診斷技術，實時評估及分析智能設備中的數據，匯總的基礎上確保形成初步診斷方案，為操作人員實踐提供充足的數據；（2）智能控制技術，以智能控制單元為核心，構建可控性強的調控模式，結合設備運行情況處理數字化指令；（3）聲學指紋技術，以應用擴展目標、核心設備運行規范性為基礎，簡化系統流程，提高應用效能。二次設備升級是對原技術的改進，模塊化設計單元、集成化控制體系的形成不僅實現了設備成本的降低，而且為設備資源高效配置、集約化管理奠定了良好的基礎。

2 智能高壓開關設備的技術應用案例

本次研究以STM32F103微控制器原理為切入點，針對智能高壓開關設備硬件結構以及性能進行分析，此智能高壓開關設備主控單元為STM32F103微控制器，同時兼容5V的I/O管腳，工作頻率最高可達72MHz，為達到更好的節能降耗效果，此控制單元設計了三種模式，分別為睡眠、停機以及待機，并且配備了多個快速I/O口以及A/D轉換器。硬件結構包含六大模塊，具體工作流程見圖1所示。

圖1 基于STM32F103微控制器原理的智能高壓開關設備工作流程

2.1 主控芯片

此案例中使用了STM32F103芯片，內核是ARM32位的Cortex-M3CPU，工作頻率最高可達72MHz；使用的是64kb或128kb存儲器，具備了閃存功能，SRAM達到了20kb。同時，時鐘、復位和電源使用了2.0～3.6V供電和I/O引腳，上電/斷電復位（POR/PDR）、可編程電壓監測器（PVD）。此單片機中設置了80個快速I/O端口，26/37/51/80個I/O口，這些端口均可映像至16個外部中斷；每個端口可以容忍5V信號；另外，還設計了通信接口9個，I2C、SPI接口各2個，USART接口3個。

2.2 取電模塊

此模塊使用了QC629卡扣式取電互感器，最突出的特點便是安裝方便、拆卸快捷，如果互感器發生故障，工作人員會在第一時間進行維修，成本大大節省。此互感器內徑是50mm，取電互感器在室溫環境下便可以正常運行。此取電互感器多用在10kV控制柜中，取電電流為100～1500A，獲取的功率數值保持在50W以上，另外，內部設置了相應的大容量磷酸鐵鋰電池，規格為12V/35A，功率密度較大，體積卻非常小，即使供電過量也不會出現燃燒、爆炸等危險情況，放電持久性較強，充電及放電壽命達到了1500～2000次。此裝置使用的是純正弦波逆變電源，功率最大達到了500W，峰值最高達到了1000W。為了可以獲取較多數據參數，此模塊在設計環節選用的是不同取電電流，時刻測試以及監控模塊輸出功率。

2.3 輸出電流與輸出電壓測量模塊

為了便于主控芯片更好地測量，輸出電源時，使用了放電電流互感器，可實現電流放電的大幅度縮小，與原來相比，能夠縮小1/10左右，電流縮小以后，經電阻的時候便可以出現電壓信號，此信號便是交流電壓信號，當經過運放等組成整流電路的時候，才可以使交流信號轉化為直流信號。電壓互感器、配套電路縮小了逆變器輸出的220V交流電，而1SS226三極管則會使電壓始終保持在穩定狀態下，此時，電路運行是正常的，如果交流信號經整流電路后，此時便會轉化為直流信號。

2.4 顯示模塊

此模塊使用了LM6063液晶屏，通信過程中采用Jtag插座和主控芯片相結合的形式，此模塊處于運行狀態時可實時顯示充電電流、輸出電壓、放電電流、輸出功率等重要參數，能夠使操作人員更加準確地監測到設備具體運行情況，及時發現問題，并第一時間采取有效措施。除了可以將重要參數信息顯示出來以外，LCD顯示屏還可以將電壓電流、電池充電、逆變器電壓電流信息輸出情況清晰的呈現，在監測以上數據信息的基礎上，對各個環節輸出、輸入設備具體運行情況準確評估與判斷。

3 智能高壓開關設備技術未來發展前景

3.1 智能傳感技術

以前的電力系統中電磁式互感器較為常見，此互感器輻射范圍小，若電流較大的時候，二次保護裝置無法將電力故障識別出來，信號輸出時，還要將電纜敷設至二次設備，經過二次轉換后，才會實現信號數字量的轉化。同時如果CT開路存在高壓，現場作業、電力設備均有可能出現安全風險。而在數字技術、PLC及電子技術支持下，光電傳感器在電力系統中更好地被推廣與使用，此技術基于光纖實現信號傳輸，電信號會在短時間內轉化為光信號。例如，法拉第傳感器，此傳感器故障定位、查詢效果非常好，在相關試驗中顯示，如果電流達到50kA，溫度在-20～+80℃時，監測精度高達1.5%左右，在變電站故障發生以后，通過此傳感器可將故障位置準確找到，節省了時間。光電傳感器和電磁式傳感器對比，前者絕緣效果較好，不需要二次開路，風險自然也較低，同時具備較強的抗電磁干擾性、安裝簡單、維修方便等諸多優勢。

3.2 微機處理技術

微機處理技術逐漸成熟，并廣泛應用于高壓開關設備測量、運算、控制等環節。微機系統體積較小，但是功能齊全，在智能高壓開關設備中優點更突出。例如，智能斷電保護、實時監測電量以及開關設備運行情況等，保證了系統運行的安全。在智能電力開關柜中應用微機處理技術，既可以實現多種信息采集、加工，同時，又能夠做出準確判斷、及時處理。前置處理單元實現了電力信號數字量轉化，借助邏輯運算執行報警、跳閘等操作；后置管理單元記錄事故，并完成打印操作，執行和管理有效銜接，工作效率更高。

3.3 在線監測與故障診斷技術

此技術在不斷改進中逐漸構建獨立技術體系，擴大了監測以及診斷的范圍。例如，在線監測中監測的電壓、電流、功率等關鍵性參數；故障診斷中診斷電流、短路、斷路等問題；故障發生后，智能組件自動報警，工作人員結合故障類型、位置將故障應急處理預案啟動，逐漸推進高壓開關設備監控以及維修向著智能化、自動化發展，人資成本、能源消耗、維修成本均可以實現大幅度降低。

4 結語

在電力系統運行全過程中，高壓開關設備是非常重要的組成部分，智能化水平的高與低會對整個電網安全性、穩定性帶來直接影響，所以，電力企業要積極引進新技術，緊跟時代發展步伐，在不斷創新中改進、優化高壓開關設備技術手段，在促進自身經濟效益提高的同時，更好地服務于用戶、服務于社會。