中压开关柜的智能化改造与研究

童本羽，杨冠鲁

1.华侨大学信息学院，福建泉州 362000

2.泉州亿兴电力有限公司，福建泉州 362000

3.华侨大学信息学院，福建泉州 362000

1 概述

回顾智能化开关设备技术的发展，早在20 世纪90 年代日本某开关柜生产企业便将电子式保护装置，可编程序控制器（PLC），操作回路故障检测，双金属片母线测温装置等设备综合应用在开关柜上，实现了对开关柜工作状态的多方位监控。基于当时技术的限制，早期的智能开关设备更多使用了定性检测方式，适应性差且设备集中度也相对较低。

近年来，随着微电子技术、传感器技术等的蓬勃发展，伴随着物联网概念的提出，新的电力设备通讯规约的制定，智能化开关设备得到了空前发展。目前，国内许多开关柜生产厂家都有在智能化开关设备领域进行尝试，也发展了众多的设备和应用方案。

智能化开关柜是在普通开关柜基础上，大范围的利用计算机、网络通讯、数字模拟信号处理以及传感器等技术的最新研究结果，通过网络电力仪表、智能检测设备、新型智能化断路器、微机智能保护等设备，达到了对功率、功率因数、电压、电流、频率、电能计量等电气数据参数以及对断路器的分合状态、手车的位置、开关柜的温湿度信息、故障信息进行监视；对断路器和接地刀的分合状态、手车位置和开关柜的温湿度进行控制，通过网络通讯接口与中央控制室的计算机系统联网，实现无人值守和远程监控功能。

2 中压开关柜的智能化技术改造过程

2.1 操作的自动化

这是智能化的初级阶段，这是中压开关柜实现智能化的基础。这一阶段以开关柜的操作自动化、程序化为目标，即开关柜可以通过预先设置的一些程序，实现各运行状态之间的自动转换。对于固定柜来说这一目标较为容易实现，但是对于手车柜却一直是一个瓶颈。随着各类电动操作手车柜的出现，实现了各类型中压开关柜操作自动化的全覆盖，也为中压开关柜真正实现智能化奠定了基础。

2.2 在线监测和自诊断技术

这是开关柜智能化阶段，这一阶段以实现对开关柜智能监控为目标，即将柜内安装的各类传感器采集的开关柜运行中的各种电参数、状态参数、特性参数、环境参数等，通过智能控制装置的集中处理，实现对开关柜自身状态、运行状态的自动检测、诊断分析和故障预警、故障定位等功能。

2.3 配电系统的研究

这是在前两个阶段的基础上，以实现配电系统的智能化为目标，即以单柜的智能化开关柜为基本组成单元，使每个配电室、开闭所等形成一个个智能化网络，可以完成包括日常巡视、事故预警、故障点隔离、负荷管理（节能管理）、运行方式优化调整等智能化管理功能。

3 改造的内容

3.1 自动操作功能

中压开关柜的自动操作功能是指断路器、隔离（负荷）开关和接地开关三部分除了能够实现电动分合闸操作外，三部分之间的顺序操作也能自动完成，而且可以按照预设的程序，或者控制装置提出的指令，实现指定的操作步骤。对于固定类开关柜实现三部分操作的自动化、程序化并不困难，但对于手车柜，由于是以手车的移动来代替隔离开关的分合操作，而影响手车移动的各种因素较复杂，因此相对于固定安装的隔离开关，实现手车移动的自动控制需要考虑的问题也较多：

3.1.1 自适应控制

根据检测电动操作过程中电机电流的数值来推断手车进出或接地开关分合过程的工作位置，来控制电机转速及扭矩，使电动操作的全过程均处于最优可控状态，减少电机出现故障频率

3.1.2 驱动电机的软启动和软停止。

通过降低电动机的起动电流，减少配电容量，同时减少起动应力，延长电动机使用寿命。电机的平稳的起动和软停止避免电机受启动时冲击电流损伤和防止电压跌落影响其他元器件正常工作，能有效精确地控制电机启动和停止过程。

3.1.3 分段变速控制

即通过电机的实现多档分段变速来控制电机运转速度，保证手车及接地开关在达到设定的参数位置时，以安全低度运转，避免机构设备之间因高速运行冲撞变形而使机械寿命缩短。

3.1.4 释放应力控制

即手车进出或者接地开关分合到位后，可控制电动执行机构释放应力，有效避免电动机构变形和电机堵转。

3.1.5 自动退位控制

在电动操作过程出现故障时，能根据视频或感应功能检测到手车或接地开关所处的状态，同时自动智能的回到安全位置或由维修人员发送操作指令回到指定安全位置。

3.2 开关设备的状态监测

开关设备的状态检测是目前世界电力技术发展的重点研究对象。开关设备的状态检测需具备先进的传感器和计算机技术在开关柜实时状态监测的应用与研究。所以，找出可行的检测技术设备和办法，包括在设备绝缘检测以及电气、机械和物理数据等研究，对开关实现智能化是非常关键的一个过程。

智能化改造前的开关柜，一般都是以机械制造为主线，确保开关机械动作可靠正常，然后辅以二次保护功能的开关柜。这种开关柜，只保证机械特性而无法检测其自身状态，需要人工巡视、操作或故障检查及经验来判断其状态，因此，已不适应今后实现自动化。根据实际运行情况及智能化需要，开关设备的状态监测可以分为运行状态的监测和设备性能的监测。

运行状态的监测主要内容包括电流、电压、母线温度等参数；断路器分合闸状态、储能状态、接地开关分合闸状态、带电状态等运行状态信息；运行环境（温、湿度）信息，以及运行过程中出现的局部放电、气体泄漏（GIS 柜）等信息。

设备性能的监测主要是断路器特征参数的监测、绝缘件的绝缘状态，以及一些辅助电机、加热装置等的状态。

断路器特征参数包括真空度、机械特性，如分(合)闸时间、触头行程、超行程、开距、分(合)闸不同期性、分(合)闸速度等、分(合)闸线圈电流、触头的电磨损、辅助开关触点、绝缘和储能电机电流等。

3.3 视频获取

智能开关柜内，在断路器室，母线室处均安装有摄像头。通过安装的摄像装置，根据开关柜工作时的视频图像能够方便的帮助检修工作人员知道开关柜里面的工作状态。在断路器或者地刀等机构进行操作时，可通过视频图像确认操作是否到位。

4 智能化控制系统的研究

传统的开关柜对保护功能的要求只需对电流、电压等电气参数和部分状态量进行处理，根据处理的结果发出分合闸指令。而智能开关柜由于需要对安装在开关柜内的大量的传感器采集的数据进行处理，并根据处理的结果进行故障的诊断、分析和开关的自动化操作，因此传统的开关柜保护装置已无法适应开关柜智能化的需要。

智能化的开关柜实际上是一个智能的微系统，由传感器、前置机和后台机组成。与传统的前置机仅仅是一个数据采集处理单元不同的是，智能开关柜的前置机不仅仅执行对采集数据的存储、处理和上传功能，而且需要执行后台机下发的控制指令，对相应设备进行控制，并协调设备彼此间的工作。同时为了使管理界面更为清晰，在断路器上还可以设置专门的数据处理终端，通过RS485 网络与开关柜前置机连接。

智能开关柜的后台机主要实现数据的分析、故障诊断、控制指令的下发、系统管理等功能。与传统的保护装置不同的是，智能开关柜的后台机不但能对本柜的设备进行管理，而且可以通过以太网实现柜与柜之间的通信和数据交换，使不同开关柜之间形成一个网络，从而实现整个配电系统的智能化。

5 结论

智能化后的开关柜在总体设计方案、综合性能上具有领先水平，产品机械寿命等技术指标方面均优于同类产品，同时在视频监视、绝缘及母线监测和柜内实时监测系统的整合等技术方面已经成熟。实践表明，智能化后的开关柜综合性能达到了领先水平，能适应国家电网智能化发展的需要，符合国家对开关柜产品的要求，而且可以为用户对配电设备监控提供有效支持，减少维护工作量，提高供电的可靠性。因此智能化开关柜具有良好的社会效益，市场前景十分广阔。

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