智能配电网中智能中压开关柜关键技术设计研究

何应晖

（广东欧姆龙电力工程有限公司，广东 佛山 528231）

0 引 言

随着社会和经济的不断发展，各领域对配电网自动化的发展进程和供电稳定性提出了更高要求，因此不仅带动了开关柜的发展，而且对开关装置运行过程中的监控提出了全新要求。开关柜是以开关为基础的成套设备，也是中低压开关装置的基本工作形态。近年来，智能开关柜的概念逐渐得到了更多智能电网研究人员的重视。智能开关柜作为开关柜、计算机技术及数字处理技术相融合的产物，不仅包含了测量和可编程逻辑控制，还包含了通信等功能。

1 智能配电网中智能中压开关柜优势

智能变电站中，开关柜是主要改造的设备，不仅要求开关柜在使用过程中能够精准运行，还需要按照实际评估结果与智能电网的实际运行进行交互，以保证智能电网的稳定安全运行。智能开关柜能够对电网的调控进行有效优化。智能开关柜在智能配电网中的主要优势体现在能够实时对电气回路中的电压、电流、触头以及每个开关位置等参数进行严格监控。智能开关柜还能够对开关柜的内部工作环境进行实时检测，检测的主要内容有开关柜内部的温度和湿度。当开关柜内部的温度和湿度出现异常时，就会针对异常情况发出警报。此外，智能开关柜不仅能够对内部是否存在局部放电的情况进行检测，而且能够对触头的绝缘水平进行检测，当触头绝缘水平超过限度时，会及时发出警报。智能开关柜在系统中自动设定检修和维护功能，以实现对断路器预计电气特性参数的实时监测[1]。

智能电网的建设过程中，只有充分发挥智能开关柜的技术优势，才能够有效防止原有开关柜出现的机械问题和绝缘事故等。

2 智能中压开关柜设备研究现状

当前的智能电网建设中，智能开关柜设备的技术前提是在线监测与诊断。因此，为实现全面监测开关设备，就需要提取开关设备运行中表现出的各种不同状态。为提取开关设备运行中的表现状态，就不能缺少传感器。现阶段，使用较为广泛的方法主要是SF6气体组分在线监测、局部放电监测及触头电气寿命评估等。随着传感技术的开发和研究，逐渐兴起了几种新型光纤传感技术，如光电测量、光线温度以及在线测量等。当前的监测研究过程中，大部分研究者仍采用传统的单一参量手段。检测绝缘状态的过程中，几乎不会使用多参量综合检测手段。但是有相关人员在监测绝缘状态的过程中，使用了一些数字信号分析技术，并得到了明显的效果，再加上当前弹簧操动机构以及国内配装液压机构的高压断路器也在一定程度上满足了相关规定，所以弹簧操动机构以及国内配装液压机构的高压断路器得到了长足的发展[2]。

在各种设备都得到发展的情况下，研制推出了全固体绝缘的开关柜。这种开关柜能够有效减少SF6气体对当前环境造成的负面影响。目前，我国智能配电网的发展趋势对智能开关柜的发展起到了决定性作用。智能开关柜的设计方面主要是利用免维护和模块化方式，并且智能化开关的设备还需要具有自动识别的效果。

3 智能中压开关柜总体设计

3.1 当前智能开关柜开发目标与功能

智能电网发展过程中，要求智能开关柜拥有多元化的功能和内容，但目前对智能开关柜的功能和内容还并没有相应的规范。但是智能开关柜必须配备常规开关柜的功能，还需要具有自检和自控功能，以匹配当前智能电网中综合自动化的要求准则。为了使智能开关柜达到自检和自控的功能，需要在智能开关柜的设计过程中，着重注意智能开关柜的在线监测功能和通信功能。

智能开关柜的数据通信主要包含以下5种。（1）Transducer将监测信号传输到CCU。（2）CCU与本地人机模块进行信息交互。（3）CCU与后台管理系统进行信息交互。（4）自动控制功能。（5）数据管理功能。5种功能均需要智能开关柜对具体的运行数据进行录入和显示。

3.2 智能中压开关柜整体结构

智能开关柜的设计中，智能开关柜的监测系统主要包含两层。其中，底层是开关柜配备的现场检测单元，如图1所示。这个现场监测单元能够有效地对反映开关柜状态的模拟信号和开关量进行搜集和处理，并对搜集到的数据进行故障分析和故障报警显示，随后将采集到的数据和处理后的数据传输到后台管理设备。后台管理设备是工控机，能够通过接收到的下位机传输而来的相关数据为主变电站构建出一个完整的数据管理机制，并通过完整的数据管理机制来查询调用各个开关柜的实际参数，从而做到对全站开关柜的检测和管理。此外，后台管理机能够通过现场总线来完成对现场开关柜检测模块的数据采集和命令控制。

图1 开关柜职能检测单元

智能开关柜的各现场检测单元可以根据其功能分为输入单元、中央控制单元、开关量输出单元、人机交互单元及通信模块。

智能开关现场检测单元的输入单元就是被测现场参量的入口路径，是将被测现场参量转换为cpu module端的重要功能部件。cpu module是监测模块的核心基础，主要负责分析搜集到的信号，并从分析结果中分析开关柜的运行状态和潜藏的运行故障。输入单元还需要负责储存上级管理中心给出的操作指令和参数。开关量输出单元主要负责接受中央控制模块输出的指令，随后按照所接收的指令来对开关柜进行操作控制。人机交互模块主要负责显示数据和发出警报。通信模块则是关乎监测模块能否网络化的核心部分，主要功能是负责完成现场检测模块与后台管理机的信息传输。由于现阶段智能开关柜在线监测存在统一的指标，所以要尽量选择智能控制设备和保护装置共同运行的新型设计方案。

4 智能中压开关柜关键技术设计

4.1 数据检测设计

随着科学技术的不断发展，目前开发生产出的电子式互感装置能够在电力测量和保护方面有着更好的表现。因此，选择电子式互感装置，以突出开关柜的智能性。通常各类型开关柜均可以选择电子式互感装置，但需要结合实际情况进行选择。例如，10 kV的智能开关柜需要选择小信号模拟量输出的电流电压一体化电子式互感装置。测量电流是否泄漏的过程中，由于绝缘特性的参量具有多元化的特点，所以出于经济性的考虑，需要选择检测绝缘件的泄漏电流[3]。

4.2 温度检测设计

当前智能开关柜的温度检测方式主要包括热红外测温、色片测温、光纤光栅测温及无线测温。依据目前的科学技术发展趋势，后三种方法更符合开关柜的设计应用。经研究表明，高压无线测温方式与智能开关柜的系统设计更加契合，所以智能开关柜的设计方案选择了无线测温。

4.3 真空度监测设计

智能开关柜中，要对CB真空度进行定时、定期地检查，以防发生事故。当前技术背景下，真空度的检测手段主要为离线监测和在线监测。使用这两种手段对CB真空度进行监测时，在线监测比离线监测更具实时性，但检测装置的运行一定不能影响CB的正常运行。真空度在线监测又包含电光变换法等形式，可以根据实际状况进行选择。

4.4 状态检测及故障诊断技术

配电网的智能化主要体现在能够对配电网中的设备进行在线监测，并及时对出现的故障进行诊断。经长期实践和研究，中压开关设备已经获得了显著成就，目前已经可以利用合适的通信手段对变电站进行控制。数据采集和处理、信号传输及故障分析处理等融合构成了中压开关设备在线监测系统，主要运用于绝缘性能的监测、机械性能的监测以及电气性能的监测。

5 结 论

随着电子式互感装置的研发，电力测量和保护得到了重大突破。选择电子式互感装置能够优化智能开关柜的智能性。但应用电子式互感装置时，需要结合实际情况，选择最为合适的电子式互感装置。智能电网的不断建设和发展使开关装置变得更加信息化和自动化。虽然目前国内外研究人员已经在此领域做出了大量的工作，但还未得到统一的标准。为开发出更加智能的开关柜，需要投入更多的资源。本文针对智能开关柜的优势和现状进行分析，并给出相关技术设计，以期为相关研究人员提供帮助。