智能变电站断路器与二次设备融合技术深化研究及装置研制

作者 张一茗1 余亚东1 李少华1 于同伟2 彭跃辉1 1. 河南平高集团有限公司(河南 平顶山 467001)2. 辽宁省电力科学研究院(辽宁 沈阳 110006)

张一茗(1983-)，男，工程师，研究方向：高压开关设备智能化技术研究及产品研制。

摘要：为减轻断路器等一次高压开关设备的智能控制器的信息处理量，同时为简化二次配线，实现一二次设备的有效融合，提高一次设备的智能化水平。本文提出了一种实用的智能断路器的控制器，智能断路器的控制器不仅具备就地分、合闸控制功能，同时还可具备本机构的测量和监测功能。智能断路器的控制器将监测到的信息数据就地数字化后经光纤上传至状态监测系统，可使用户更加直观地操作断路器等高压开关设备，进而实现了断路器的智能化。

引言

　  断路器一般由触头系统、灭弧系统、各种脱扣器和开关机构等主要部分组成^[6-9]，实现断路器的智能化多为实现高压开关设备的一二次设备融合。

　　本文利用微电子技术和计算机控制技术实现了对断路器一次设备的智能化的设计，提出了一种集测量、保护、控制、通讯和故障记忆于一体的智能控制器的实现方法，通过接收断路器当前的各种类型的数据信息，有选择性地进行智能判断，从而做出相应智能操作。

1 断路器等一次设备的智能化实现方法

　　图2给出了智能机构控制器的示意图。在图2中，该智能机构控制器能够及时响应分、合闸信号;具备防跳闭锁功能;能够及时切断分、合闸线圈电流;能够在分合闸电容器电压过低时闭锁分、合闸信号，使断路器不能进行分、合闸操作;能够在线路上出现过电流、过电压、欠电压时及时分闸，并能够向监控中心发出警告信号等。可通过RS-485总线通信方式实现断路器与主控器的双向通信，构成智能化监控、保护和信息网络系统。

2 智能断路器的创新性设计与实现

　　假设图2为智能断路器的控制器实现图，依据简化设计、模块化设计和防干扰设计的方针，笔者对智能断路器的开入系统和开出系统进行了创新性设计。

2.1 开入系统的创新性设计与实现

　　在断路器的智能化方面需要实时监测到断路器的分、合闸状态，气压闭锁状态，弹簧储能/未储能状态，油压闭锁状态等开关量。在现场变电站环境中，传统的开入回路抵御电磁干扰信号的能力较弱^[10-12]，为使开入量能够更好地输入，笔者结合相关文献，采用光电隔离技术进行创新性设计，使外回路与智能控制器上的回路通过光耦进行电气上的隔离，避免将外回路的电磁干扰引入控制器内，提高控制器的可靠性。图3给出了开入模块的设计示意图。

　　在图3中，I部分为开入模块的过电压保护部分，II部分为开入模块的降压环节，III部分为光电隔离环节。其中，RV1、RV2和RV3是灵敏度较高的压敏元件;D1、D4是将220V直流量进行钳位的降压二极管;T1是抗干扰能力较高的光电隔离模块。显然，本文设计的开入模块集过电压保护、降压和光电隔离于一体，抗电磁干扰能力强、无触点、寿命长、响应速度快。因而，在智能设备上得到了广泛的应用。

2.2 开出系统的创新性设计

　　现阶段，开出系统存在多种模型，本文讨论的典型开出系统有继电器式、接触器式和IGBT式。通过实践证明，总结了表1所示的这三种开出系统的优缺点。

　　由表1可知，在相同环境下，以IGBT为主的开出系统性能更加可靠。在实际的电力系统运行时，IGBT的开出速度达到了微秒级，不会出现粘连故障而引起的断路器的拒分拒合现象。传统的分合闸线圈在断开断路器时，都会产生较大的反电动势^[13]，设计IGBT开出回路后，分合闸线圈必然在断开IGBT时会产生强大的反电动势，如何快速的释放分合闸线圈的反电动势是IGBT快速关断和保证分合闸线圈安全可靠的关键。因此，本文结合现有技术条件，设计了一套完整的开出控制系统。图4给出了开出控制系统图。

　　图4中，I部分为开出系统的220V供电环节;II部分为IGBT的驱动输入环节。其中，C2为供电环节的储能电容，为分合闸线圈提供激励电流;U1为典型的IGBT的驱动芯片，不仅具有IGBT的驱动功能，还具有光电隔离功能;Q1为开关频率较高的IGBT，能够在几个微秒的时间内分合断路器。

3 智能断路器系统的架构设计与实现

　　一个完善的智能断路器系统，软件和硬件的关系是紧密相关的，能够在断路器平台上设计出一个功能完善、性能出色的软件系统来弥补某些致命性缺陷，降低产品成本^[14-15]，实现断路器功能的完善、提高产品的可靠性。笔者根据功能需求在断路器平台上设计了能够实现系统运行参数的设置、分、合闸状态控制、Modbus通信部分、状态采集部分、分析判断部分、状态指示部分及运行日志部分等功能。

3.1 智能断路器系统的整体方案设计与实现

　　智能断路器系统的整体设计方案采用模块化设计的思想，为实现上述功能，整体方案的主程序流程图如图5所示。

　　在程序运行前需要完成对整个系统的初始化工作，以确保整个系统软件中各个子程序的功能实现及系统运行的稳定性。在进行初始化配置时需要在程序工程项目中添加ST公司提供的固件函数库，实现对相应寄存器及外设的驱动^[16-17]。系统及外设初始化包括时钟、嵌套向量中断控制器、GPIO口、ADC转换、定时器初始化配置、各通信接口及外围电路模块的初始化配置。