GIS 断路器智能汇控系统研究与应用

戚宣威，王 松，徐 华，陈孝信，韩松杰，刘志祥

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；3.上海思源弘瑞自动化有限公司，上海 201108）

0 引言

断路器是通断一次电流、切除电网故障的开关装置[1-2]。为确保断路器正确动作，需就地安装体积庞大的汇控柜，其内部有大量电缆和继电器，通过复杂物理接线实现断路器的分合控制和三相不一致保护、电机打压、防跳等辅助功能[3-6]。

现有的断路器汇控系统配置模式存在设备可靠性低、调试运维困难和感知连接受限三方面的问题：

（1）设备可靠性低。长期运行在现场环境下，继电器容易老化，电缆端子会出现松动，复杂的回路接线难免会出现错误。这些安全隐患会导致断路器不正确动作，严重影响断路器本体以及大电网的安全稳定运行[7-9]。2018 年，某省断路器出现危急和严重缺陷共计409 台次，由于汇控系统二次回路故障造成的缺陷236 台次，包括控制回路断线、位置信号不正确、继电器故障和储能控制回路故障等。由此可见，电缆、继电器搭接构建的汇控系统二次回路可靠性较低，已成为导致断路器出现缺陷的重要因素。

（2）调试运维困难。断路器的汇控柜与实现信号转接功能的智能终端并未进行一体化设计，接口复杂多样、接线繁杂、互换性差，设计院、用户需单独熟悉和管理智能终端与断路器本体汇控柜的接口，导致相关的设计、基建、调试和运维的工作量增大[10-12]。

（3）感知连接受限。断路器需要单独设立智能柜，在智能柜内通过专门定制的智能终端及合并单元，实现汇控柜送出的电缆模拟信号与智能变电站网络光纤数字信号之间的接口交互。这种接口交互形式增加了系统的复杂性，且需要根据不同的厂家设计不同类型的交互接口，通用性和扩展性差。

本文提出了一种断路器智能汇控系统，突破了几十年来断路器一、二次系统割裂的设计模式，采用高防护数字设备重构断路器汇控设备形态，通过二次回路板件化实现断路器汇控功能的集成；构建贴近设备本体的状态全息感知连接平台，取消智能终端等信号转接设备，实现与智能变电站网络的无缝对接，推动电力设备的一、二次融合发展。

1 总体系统架构

本文所提断路器智能汇控系统针对的是220 kV 开关汇控柜，采用3 套智能装置实现一次设备智能化及与保护和监控系统通信，如图1 所示，包括智能组合控制箱和2 个双重化配置的智能装置。

图1 一、二次融合智能汇控系统架构

智能组合控制箱采用板载继电器板卡实现汇控柜内操作回路集成，同时具备CPU（中央处理器）板卡和输入/输出板卡，实现断路器电机储能控制保护、断路器隔离开关遥控和联闭锁、断路器信号采集和就地LED 显示等功能。

2 套智能装置实现保护GOOSE（面向通用对象的变电站事件）跳闸信号的接收，并将信号转化为电气量，驱动智能组合控制箱内的分/合闸回路，相当于实现了智能终端的功能。功能定义和输入/输出接口完全一致：第一套智能装置实现第一套保护分/合闸，第一套断路器三相不一致保护；第二套智能装置实现第二套保护分/合闸，第二套断路器三相不一致保护。

汇控柜保留模拟盘，以便于现场开关设备检修和就地手动操作。断路器机构室和隔离开关机构室采用航空插头方式单端预制接线，汇控柜侧采用端子排接线。

2 关键技术

2.1 断路器分合闸控制

智能组合控制器采用集成电路和板载继电器实现断路器的分/合闸控制回路，从而简化二次接线与继电器配置。

智能组合控制器可接收来自保护装置或者智能装置的分相跳闸接点，该接点直接与断路器的跳闸线圈串联，从而实现故障期间断路器的快速分闸控制。

智能组合控制器具备常规操作箱的TJR，TJQ和TJF 跳闸功能，可通过SHJ 和STJ 继电器实现就地/远方手动分/合闸控制，同时配置了ZHJ 继电器实现重合闸控制，如图2 所示。

图2 断路器分/合闸控制的输入回路

双重化配置的智能装置可以接收来自智能站保护装置的分/合闸报文，并将报文信号转化为硬接点开入至智能组合控制器，从而实现保护装置对断路器的分/合闸控制。

2.2 防跳

传统断路器采用电压型继电器实现断路器防跳功能，本方案借鉴操作箱，采用电流型继电器实现防跳功能。如图3 所示，当跳闸线圈1 或2励磁时，串入智能组合控制箱合闸回路的电流自保持继电器的12TBIJC 和22TBIJC 接点闭合，并驱动1TBUJA 和2TBUJA 继电器得电，从而断开合闸回路。该设计可以在合闸指令一直存在的情况下，防止断路器跳闸后再次合闸，避免“跳跃”现象的发生。

图3 电流保持型防跳回路

同时，智能组合控制器配置了软件断路器防跳功能，可以自动根据断路器的跳闸与合闸指令，通过软件逻辑方式实现“防跳功能”，如图4 所示。防跳软压板投入后，在保护或遥控跳闸出口未返回的情况下，当装置收到单相合闸或保护重合闸指令后，将触发防跳逻辑对合闸出口进行闭锁。

图4 软件防跳逻辑

2.3 三相不一致保护

传统断路器汇控柜配置的2 套三相不一致保护分别在2 套智能装置中实现。智能装置采集三相分合位置信号，判断断路器的三相不一致运行情况，当三相不一致到达整定延时时，通过如图2 所示的TJF 回路驱动断路器跳闸。

智能装置根据6 路三相分合位置信号判断异常情况并告警，防止某个接点问题引起保护误动；采用CPU 软件实现三相不一致保护的计时功能，避免传统汇控柜内延时继电器因长期运行老化带来的计时精度问题，从而提升三相不一致保护的可靠性。

2.4 电机储能控制

通过智能组合控制箱实现电机控制、超时及过载保护。智能组合控制箱开出接点控制电机电源的交流接触器，实现储能电机的启、停控制。

智能组合控制箱通过电流传感器采集电机电源电流，实现电机过流保护。过流保护配置两段，包括瞬时速动的Ⅰ段和延时动作的Ⅱ段。同时，智能组合控制箱通过CPU 软件配置电机电压超时保护功能。

2.5 隔离开关控制回路

隔离开关控制及电机回路全部安装在隔离开关机柜室内，智能组合控制箱仅提供分/合闸接点和联闭锁接点。

电气闭锁和监控闭锁接点通过二次电缆串接入隔离开关控制回路以实现联闭锁功能。本间隔内断路器、隔离开关、接地开关联锁采用电气和智能组合控制箱串联的方式实现。全站联锁可以通过智能组合控制箱实现，从而取消跨间隔的联闭锁回路接线。

2.6 断路器设备状态监测功能

智能汇控设备可以自动采集记录储能电机动作期间的测量电流和动作时间，并上送至变电站监控后台，通过搜集和统计储能电机的历史电流数据，评估储能电机设备的工作状态和健康趋势。

同时，基于智能汇控系统，可以实现断路器累计操作次数、三相跳合圈动作电流及时间、SF6气体温度及压力、弹簧机构压力、母线波纹管形变量、GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）局部放电、环境温湿度等断路器辅控信息的就地采集与集中上送。同时能够基于设备感知信息采取智能分析策略，以实现对断路器状态的综合评估和主动预警。

2.7 用户接口

智能汇控系统按照运行人员操作习惯保留了操作模拟盘。智能组合控制器和2 套智能装置面板保留跳/合闸回路监视、装置告警、控回断线三相不一致保护动作等信号灯，以用于指示运行人员现场掌握开关状态。同时，汇控柜端子排采用标准化设计，从左往右、自上而下按序排列，以便于运维人员在检修调试期间查找二次回路。端子排的简称及含义如表1 所示。

表1 断路器汇控设备端子排标准化设计

3 设备研发及现场工程应用情况

3.1 智能汇控系统的软硬件研发情况

智能汇控系统设计以嵌入式计算机采集控制技术、操作控制回路技术、传感器技术、智能分析技术以及光纤通信技术为核心，研制集保护、控制和在线监测等功能为一体的智能化GIS 断路器。该系统主要由断路器本体、传感器、IED（智能电子设备）和预制线缆组成，取消和简化冗余回路，能够提高整个二次回路的可靠性。

其中IED 为系统核心，包含2 套保护执行单元、1 套融合控制单元和1 套智能监测汇聚单元，通过光纤以太网口，以点对点或组网方式与保护、测控等控制设备相连，采用IEC 61850 通信协议，实现对断路器间隔的分/合控制、间隔内联闭锁、数据采集、状态感知、智能分析和实时信息上送。装置均采用插件式结构设计，4U 高度铝合金型材机箱具备良好的适用性和可替换性，能有效提升现场安装和维护效率。

3.2 现场应用效果

断路器智能汇控系统在某220 kV 变电站的2 个待用间隔顺利投运，如图5 所示。智能汇控系统利用标准化的PCB 操作回路板卡取代汇控柜内复杂且非标的接线及继电器，令电缆芯数和继电器数量分别减少至原有的43%和25%；调试时间也相应缩短至原先的1/4，在降低装置设计安装、运维检修复杂度的同时，全面提升了设备运行可靠性和维护便捷性。

图5 智能断路器汇控系统

4 结语

本文提出了“智能设备就地化、电气回路板件化、二次接口光纤化、状态监测平台化”的GIS 断路器控制保护技术体系，攻克长期以来断路器本体控制保护系统不适应智能变电站技术发展的问题。采用就地化、高可靠、模块化的智能设备重构断路器设备本体的控制保护及信息处理系统；利用集成电路板件及CPU 软件程序实现了传统利用电缆和继电器搭建回路才能实现的逻辑功能，提升断路器本体控制保护的可靠性；直接将就地采集的信息转化为标准报文，并采用光纤与智能变电站网络系统互联，取消传统智能终端的信号转换环节；实现断路器在线监测信息的就地统一收集与标准化输出，实现状态信息的全面感知与高效处理。

一、二次融合技术符合电网数字化的发展趋势，长期以来囿于一、二次设备专业管理及商业壁垒等问题，断路器汇控设备保持传统的断路器和电缆搭接模式。断路器的汇控设备通过数字化升级，可显著改善现有断路器设备汇控系统的设备可靠性低、调试运维困难和感知连接受限等问题，技术优势显著。未来将加强该技术的工程化应用，通过技术进步推动电网设备的数字化升级和管理创新。

目前，智能汇控系统正在进一步的优化和完善，新版本的装置将集成实现间隔层测控功能，可接收合并单元的测量SV（采样值）信息并直接将报文转换为DL/T 860 报文上送至站控层。

未来GIS 断路器的智能汇控系统可以作为断路器就地感知连接的终端，在实现传统断路器分/合闸控制以及就地保护联闭锁功能的同时，实现测控、状态监测等功能，从而实现自动化、状态监测、计量等跨专业数据同源采集和边缘计算，构建贴近断路器设备本体的状态全息感知连接的平台。