第13卷第3期 沏 南 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) Vol.13 .N o.3
20 03年，月 Journalo fH unanI nstituteo fE ngineering S}p c.2003
智 能 型 開(kāi) 關(guān) 柜 及 其 關(guān) 鍵 技 術(shù)
李永 堅(jiān) ‘，2 ， 周有 慶 ‘
(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙,410082;2 .湖南工程學(xué)院電氣與信息工程系，湖南 湘潭,411101)
摘 要:分析了智能型開(kāi)關(guān)拒的內(nèi)涵及其組成結(jié)構(gòu)，探討了傳感技術(shù)、徽機(jī)處理技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障
診斷技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化中的作用，介紹了國(guó)內(nèi)外當(dāng)前在此領(lǐng)城內(nèi)的研究成果，
展望了高壓開(kāi)關(guān)柜的智能化發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景.
關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)拒;智能化;現(xiàn)場(chǎng)總線;組態(tài)軟件
中圖分類號(hào):TM591 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671一119X(2003)03一0022一03
(1) 開(kāi) 關(guān) 作為供用電設(shè)備(如變壓器、電動(dòng)機(jī)、
饋電線等等)的基本控制與保護(hù)電器，應(yīng)能夠保障它
0 引 言
所控制、保護(hù)對(duì)象在任何工作狀態(tài)下都能可靠工作.
開(kāi)關(guān) 電 器 在電力系統(tǒng)中起著控制和保護(hù)等重要 (2) 應(yīng) 加 強(qiáng)對(duì)開(kāi)關(guān)柜這一機(jī)、電、磁結(jié)合的裝置
作用.隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷提高，要求開(kāi) 自身工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制(主要是指非電量的測(cè)
關(guān)電器與變電站綜合自動(dòng)化、配電自動(dòng)化的發(fā)展相 試)，提高其工作可靠性.
適應(yīng)和配套.于是，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，出現(xiàn)了 (3) 智 能 開(kāi)關(guān)柜作為基本元件，它是電網(wǎng)運(yùn)行
智能化開(kāi)關(guān)電器，智能化開(kāi)關(guān)電器是在傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān) 自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化(FA)、過(guò)程控制自動(dòng)化(PA),
設(shè)備中引人計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信 智能大廈等等自動(dòng)化系統(tǒng)的組成基礎(chǔ)(硬件平臺(tái))，
技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新一代開(kāi)關(guān)電器 智能化日漸成 它應(yīng)保障上述系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行
為開(kāi)關(guān)電器的一個(gè)重要發(fā)展方向.無(wú)論是高壓電器 在上 述 三 個(gè)方面都達(dá)到了最佳性能指標(biāo)的開(kāi)關(guān)
還是低壓電器，無(wú)論是電器元件還是成套開(kāi)關(guān)設(shè)備， 柜才稱為“智能型開(kāi)關(guān)柜”.鑒于開(kāi)關(guān)柜本身、開(kāi)關(guān)柜
都出現(xiàn)了智能化的發(fā)展趨勢(shì).目前我國(guó)的開(kāi)關(guān)電器 控制對(duì)象和開(kāi)關(guān)柜組成的電力網(wǎng)三者具有物理過(guò)程
已經(jīng)初步形成了智能型低壓斷路器、智能型接觸器、 的復(fù)雜性、不確定性和模糊性，難以有精確的數(shù)學(xué)模
智能型開(kāi)關(guān)柜、智能型預(yù)裝式變電站等一系列產(chǎn)品， 型，所以智能型開(kāi)關(guān)柜需要采用各種先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)
并在電力系統(tǒng)中得到了應(yīng)用.開(kāi)關(guān)柜是中、低壓開(kāi)關(guān) 感知、學(xué)習(xí)、記憶和大范圍的自適應(yīng)手段來(lái)進(jìn)行有效
設(shè)備的主要工作形態(tài)之一，它是以開(kāi)關(guān)為主體的成 的處理和控制，以使各方面都基本達(dá)到最佳性能指
套電器.常規(guī)的開(kāi)關(guān)柜主要由斷路器、互感器、二次 標(biāo)，
控制保護(hù)電路、計(jì)盤儀表、隔離開(kāi)關(guān)等幾個(gè)主要部分
構(gòu)成，而智能型開(kāi)關(guān)柜則是一個(gè)不斷發(fā)展與變化的 2 智能型開(kāi)關(guān)柜的組成結(jié)構(gòu)
概念.它與計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)、控制理論、傳感器
技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電力電子等技術(shù)的發(fā)展 智能 化 開(kāi) 關(guān)柜應(yīng)是高度集成化和數(shù)字化的設(shè)
密切相關(guān)，是集保護(hù)、控制、測(cè)量,PLC,RTU及通信 備，必須采用計(jì)算機(jī)技術(shù)作為數(shù)字化的核心技術(shù);從
等多種功能于一體的高技術(shù)產(chǎn)品. 控制和保護(hù)功能上講，應(yīng)具有一定的智能性，即能夠
使智能化開(kāi)關(guān)根據(jù)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和電網(wǎng)的運(yùn)行模式，
自動(dòng)選擇最佳模式進(jìn)行控制與保護(hù);從結(jié)構(gòu)形式上
1 開(kāi)關(guān)柜的智能化
講，開(kāi)關(guān)柜設(shè)備應(yīng)是充分模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的，因而智
能化開(kāi)關(guān)柜不僅硬件要采用PLC、單片機(jī)等數(shù)字化
開(kāi)關(guān)柜智能化應(yīng)從以下三方面考慮:
收稿日期 2003-06一24
作者簡(jiǎn)介 李永堅(jiān)(1971-),男，碩士研究生，講師，研究方向 電氣工程及其自動(dòng)化技術(shù)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)李永堅(jiān):智能型開(kāi)關(guān)柜及其關(guān)鍵技術(shù)
第 3期
部，直接面向一次設(shè)備或設(shè)備組合，能完成各自對(duì)象
控制模塊，同樣軟件需要采用具有開(kāi)放性、模塊化、
的繼電保護(hù)、實(shí)時(shí)電量監(jiān)控、狀態(tài)信息記錄及歷史記
實(shí)時(shí)性好的控制組態(tài)軟件.智能化開(kāi)關(guān)柜的組成模
錄等功能;微機(jī)處理技術(shù)還可作為計(jì)算機(jī)分層網(wǎng)絡(luò)
塊如下圖所示:
的終端，具有多種可選的通用網(wǎng)絡(luò)接口，便于事故分
析和狀態(tài)監(jiān)視;形成微機(jī)防誤操作和安全保障系統(tǒng)，
適應(yīng)變電站自動(dòng)化的需要.
3.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)
電氣 設(shè) 備 的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷是其智能化的
基本手段，起源于20世紀(jì)70年代.經(jīng)過(guò)多年的發(fā)
展，現(xiàn)代高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能正 日趨完善，例
如:對(duì)電壓、電流、功率和功率因數(shù)、有功和無(wú)功電
能、電網(wǎng)頻率以及斷路器合歡分工作狀態(tài)等的檢測(cè)功
圖 1 智 能 型 開(kāi) 關(guān) 柜 模 塊 示 意圖 能;對(duì)過(guò)電流、短路、不平衡運(yùn)行、電機(jī)啟動(dòng)、接地等
傳感 器 和 變送器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)PLC或單片 的保護(hù)功能等.這些功能依靠先進(jìn)的通訊手段將各
機(jī)后變成數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)通信設(shè)備傳
單元聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)變電站的集中微機(jī)監(jiān)控.
送到上位機(jī).組態(tài)軟件接收到數(shù)據(jù)后作必要的計(jì)算
3.4 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
和判斷，然后將數(shù)據(jù)反饋給PLC/單片機(jī)，由PLC/
現(xiàn)場(chǎng) 總 線 技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技
單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分配 它具備很多優(yōu)越性，如能在各
術(shù)從控制層發(fā)展到工藝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)結(jié)果，是一
種惡劣環(huán)境下完成功能并可靠地工作;設(shè)備本身具 種互連現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通
有自動(dòng)檢測(cè)功能，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的溫升、電磁輻射、機(jī) 信協(xié)議一 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可以看成由數(shù)字通信設(shè)
構(gòu)故障等信號(hào)進(jìn)行采集和分析處理.這些優(yōu)點(diǎn)使得 備和監(jiān)控監(jiān)測(cè)設(shè)備組成的分布式系統(tǒng)，其控制單元
智能型開(kāi)關(guān)柜構(gòu)成了電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化 全部分散到現(xiàn)場(chǎng)，控制回路由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又
和智能大廈等的基礎(chǔ)硬件平臺(tái). 可以在控制室用數(shù)字通信的方式與控制單元進(jìn)行操
作與調(diào)整.實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)總線就是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這
3 智能化中的新技術(shù) 個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)智能化設(shè)備 現(xiàn)場(chǎng)
總線具有開(kāi)放性、互操作性〔兼容性)、高穩(wěn)定性和時(shí)
效性、通信介質(zhì)多樣性等特點(diǎn)，因此現(xiàn)場(chǎng)總線作為連
3.1 現(xiàn)代傳感技術(shù)
以往 電 力 系統(tǒng)中作為測(cè)量和保護(hù)用的互感器普 接各智能型開(kāi)關(guān)柜的通信網(wǎng)絡(luò)可較好的適應(yīng)今后發(fā)
遍使用電磁式的，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)電壓的升高和 展的需要.這一應(yīng)用將使原變電站、電廠控制系統(tǒng)的
容量的增長(zhǎng)，某些復(fù)雜的繼電保護(hù)裝置不僅能反映 結(jié)構(gòu)形式發(fā)生很大變化，系統(tǒng)趨向“扁平化”，控制室
短路電流的大小，還能反映相位和波形，甚至反映電 設(shè)備也大為減少.由于智能型開(kāi)關(guān)設(shè)備本身就可完
流的突變率，因而使用傳統(tǒng)的電磁式互感器已不能 成開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行控制的基本功能，因而利用現(xiàn)場(chǎng)總線
滿足目前高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備多功能的需要，這就對(duì)現(xiàn)代 即可構(gòu)造一個(gè)全新的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它可
傳感器技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求.隨著現(xiàn)代光纖技 大大提高控制和保護(hù)的準(zhǔn)確性，以及電力系統(tǒng)的可
術(shù)的發(fā)展，基于法拉第旋光效應(yīng)的光電互感器和光 靠性，并且擴(kuò)充性好，維護(hù)也方便.
電傳感器(OCT)相繼出現(xiàn)卜現(xiàn)在已投人使用的光學(xué)
電流互感器由于測(cè)量范圍寬、絕緣簡(jiǎn)單可靠、無(wú)磁飽 4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
和、無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、重
量、安裝運(yùn)輸方便、易于同微機(jī)保護(hù)接口等優(yōu)點(diǎn)，已 國(guó)外 對(duì) 智 能化開(kāi)關(guān)柜開(kāi)發(fā)較早.20世紀(jì) 80年
在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中得到應(yīng)用. 代中期開(kāi)關(guān)電器的開(kāi)發(fā)即已初步進(jìn)人智能型時(shí)代，
80年代后期出現(xiàn)了微機(jī)集中檢測(cè)與控制，可對(duì)饋電
3.2 微機(jī)處理技術(shù)
微 機(jī) 處 理技術(shù)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)智能化控制的前 主保護(hù)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，對(duì)各回路電壓、電流、
提，它是集測(cè)量、運(yùn)算、決策、控制、保護(hù)及遙控于一 有功電量和無(wú)功電量、功率因數(shù)、頻率、變壓器溫度
體的綜合化智能體系，可以安裝于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi) 等進(jìn)行檢測(cè)，但技術(shù)水平仍停留在遙測(cè)、遙控上，缺
萬(wàn)方數(shù)據(jù)湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào) 2003年
少遙信、遙調(diào)功能. 爭(zhēng)力