集中式智能环网柜方案

魏永乐， 谭博学， 徐 璐， 李 涛， 王 晖

(山东理工大学 智能电网研究中心， 山东 淄博 255091)

环网供电技术日益成熟，环网柜(Ring Main Unit,RMU)以其体积小、结构紧凑、安装方便、维护简单、安全可靠、方便供电等诸多优点而被广泛应用[1]，随着电力工业的快速发展及智能配电网的建设，对供电质量和可靠性的要求不断提高.环网柜要求小型化、智能化、网络化，具有配网自动化的功能[2].目前国内外大部分的做法是利用现有的产品，在普通环网柜的基础上配置电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、电动操作机构、故障指示器、继电保护模块、配电终端单元(Distribution Terminal Unit，DTU)等，可以使环网柜具备测控与保护功能，实现环网柜基本智能化[3].

传统DTU的架构是核心单元加外围部件，还配备了备用电源及通信模块.其不足之处：(1)DTU里面的功能部件过于冗杂，造成DTU本身体积较大，在安装及维护上不方便;(2)造成环网柜对DTU的依赖性增强，如现在许多环网柜使用的是DTU自带后备电源，如果DTU出现故障，容易造成环网柜整个二次控制回路掉电，不利于提高供电的可靠性;(3)环网柜里一些模块的功能重复，如一些环网柜在配备DTU的同时还在每个环网柜间隔上配备看门狗装置，功能重复太多，不利于设备整体功能及性能的优化;(4)环网柜整体结构远没有达到理想的架构，各功能模块之间的配合没有实现优化组合.

针对以上问题，提出一种新型集中式智能环网柜方案.首先对环网柜本体进行小型化改造，其次对环网柜的操作机构、集中式智能控制器、智能电源等作了智能化处理，最后对环网柜通信模块进行改造，实现环网柜的不间断通信.

1 集中式智能环网柜总体方案

智能环网柜是利用现代的电力电子、自动化控制、传感测量等技术将10kV负荷开关柜、断路器柜、熔断器柜、互感器与保护装置、通信装置、计量仪表等模块组合在一起，实现电网一次设备与二次设备的良好结合[4].

集中式智能环网柜整体框架如图1所示.

图1 集中式智能环网柜总体方案图

集中式智能环网柜主要包含环网柜本体、操作机构、互感器、集中式智能控制器、通信终端、智能电源等.本方案采用的组合式光电互感器能够给电源系统充电和提供环网柜各回路电流电压信号.电源系统能够给环网柜各回路提供操作电源，并配备了后备电源，在环网柜进线失电时能够持续提供工作电源.方案中采用的集中式智能控制器，安装方便、体积小巧，和传统DTU的核心单元相当，能够很好的监测环网柜每回路的电气量和非电气量信号.集中式智能控制器将采集到的信号处理之后传输给通信终端，由通信终端完成环网柜对外通信，实现环网柜的配网自动化功能.

2 集中式环网柜的构成

2.1 环网柜本体

环网柜的本体结构分为气箱、操作机构室、电缆室和母线连接室(部分柜有)[5].本方案中环网柜本体采用上断路器下负荷开关的形式.断路器具有体积小、重量轻、适于频繁操作、灭弧能力强、机械寿命及电气寿命长等优点；负荷开关采用三工位、真空灭弧的开关本体，具有全绝缘、断口可视、可防内燃弧等优点.充当隔离开关使用，提供一个明显的断点，方便维护与检修.整组柜子采用共箱式结构，开关装置和硬母线密闭在同一个金属封闭外壳内，一般采用SF6作为灭弧介质和绝缘介质[6]，环网柜整体上具有可靠的安全性、优异的开关动作，结构紧凑及免维护等特点.

2.2 操作机构

环网柜的操作机构能够对环网柜的开关本体进行操作，从而实现环网柜的合分闸动作，主要可以分为手动机构和和弹簧操作机构.手动操作机构是一种靠人手进行分合闸操动的操作机构；弹簧操作机构是一种利用已储能的弹簧作为动力来操动的机构，其弹簧的储能是通过电动机驱动来完成的[7].

环网柜操作机构的可靠性是保证环网柜供电可靠性的前提，以前的操作机构过于简单，只是单纯的完成合分闸动作，但是智能环网柜要求其操作机构必须向智能化的方向发展.操作机构的通用性应进一步提高，能够满足常见的如DC24V、DC48V、DC110V、DC220V、AC220V等电压等级；电动操作装置在接受用户操作指令后，首先要判断操作条件是否满足，如不满足“五防联锁”闭锁条件时，控制装置会给用户明确提示，以方便用户进行处理[8].操作机构本身应具备机械五防的要求，确保机构的正常动作.

2.3 互感器

互感器是用来给环网柜的保护装置提供电流、电压信号，从而实现继电保护功能，电压互感器可以为环网柜的控制回路提供操作电源.本方案采用的互感器为组合式光电互感器，具有体积小、重量轻、抗干扰性能好等优点[9]，有利于环网柜测量精度的提高.

该互感器还配备防开路保护模块，使用一体化设计，确保光电式互感器在发生故障时不会感应出高电压，使人身和设备免受危害，最大限度地提高设备使用的安全性.

2.4 集中式智能控制器

本方案提出的集中式智能控制器,是集数据采集与监控(SCADA)功能、继电保护、故障检测、远程控制、馈线自动化于一体的智能配电终端.控制器能够可靠的对环网柜进行监控，同时会配合配电子站、主站实现配电线路的正常监控和故障识别、隔离和非故障区段恢复供电，实现配电自动化.

本方案采用的集中式智能控制器具有如下特点：

(1)制器本身的体积小巧，可扩展性较好，有助于环网柜向小型化、智能化方向发展.

(2)控制器能够同时电流采集互感器的保护侧和测量侧电流，不需要再配置单独的保护模块，既能满足对电流测量精度的要求也能满足在故障时可靠的动作.这样能够节省环网柜的整体空满足环网柜向小型化、智能化的方向发展.

(3)将环网柜中的一些功能模块都整合在控制器当中，整个柜子会更加简洁.

(4)控制器采集的信号丰富，保护功能全面，低气压事故、超温、装置异常等都能做到保护跳闸和故障报警.

(5)整个环网柜的维护量会减小，操作起来更加方面，以后会实现免维护.

2.5 通信终端

通信终端将集中式智能控制器的电信号转换为光信号，以便智能环网柜安全可靠的与主站/子站通信，通信速度快能够实现对环网柜实时在线监控以及配电网中故障的快速处理.通信终端配备以太网接口、GPRS/CDMA通讯接口、RS-232/485接口，实现主站/子站的不间断通信.

2.6 智能电源

环网柜的操作机构、控制器、通信终端等二次设备都需要实现不间断供电.为了提高供电的可靠性，要求在供电电源失电时，二次回路仍然会有电源，能够继续可靠的动作，环网柜中必须具有备用电源.为了提高供电电源的可靠性本电源的设计主要采用了如下方法：

(1)环网柜一般采用双进线，两条进线互为备用给电源的充电模块供电，当其中一条进线失电时，由继电器将另一条进线的220V电源转给充电模块，保证整个柜子的二次回路继续供电.

(2)当环网柜的两条进线都失电的时候，为了使二次回路继续带电，需要由备用电源继续供电.现在主要的备用电源是不间断电源(UPS)和蓄电池，还有的采用超级电容供电.为了提高供电的可靠性，本电源方案采用蓄电池与超极电容相结合，两种电源可互为备用，能够进一步提高供电的可靠性.

智能电源的方案如图2所示.

图2 智能电源方案图

智能电源的电源管理模块主要功能[10]：

(1)充电功能.在充电电源有电时，可靠的对后备电源进行恒压、恒流充电.

(2)保护功能.包括过流保护、过压保护以及输出短路保护、过放电保护.

(3)不间断供电功能.交流电源与后备电源的控制回路相互独立，在一方出现问题时不影响二次设备的正常供电.

(4)告警功能.在充电电源失电、电池欠压、过压、过热等异常情况以及电池活化时发出告警信号.

(5)电池活化功能.活化方式可以设置自动定期活化也可以手动控制活化或远方遥控活化.

3 集中式智能环网柜的应用

集中式智能环网柜在城市小区智能配电系统中的应用，如图3所示.

图3 智能环网柜应用示意图

图3是通过集中式智能环网柜构建的一个配网自动化系统，在正常工作的时候，集中式智能控制器采集环网柜每个间隔信号，然后通过通信网络对配网主站进行通信，采取的通信方式有光纤、无线等.在配网主站能够清楚详细的看到环网柜每个开关的状态、电气量及非电气量信息.

当在F1处发生故障时，故障上游处变电站A的出线断路器K1及环网柜1的两个进线K11和K12均能检测到故障信号，而故障下游处的K22则检测不到故障信号.集中式智能控制器将采集到的故障信号传输到配网主站，配网主站对故障信号进行分析和逻辑判断，故障点肯定位于两边信号不通的区段，两边都能或者都不能检测到故障信号的区段则不是故障线路，所以可快速容易的将故障点定位在K12和K21之间.开关K12会跳闸，开关K21保持分闸状态并闭锁,将故障区段切除.配网主站接收到隔离成功信息,通过调度自动化系统将开关K11合闸，恢复非故障区域供电.

同理，当在F2处发生故障时，集中式智能控制器将采集到的故障信号传输到配网主站，配网主站对故障信号进行分析和逻辑判断.通过故障点处在两边感受到信号不通的区段的判据，将故障定位在K22和K31之间.开关K3会跳开然后自动重合，开关K31、K22跳开后不再闭合，将故障区段切除.配网主站接收到隔离成功信息,通过调度自动化系统将开关K21合闸，恢复非故障区域供电.在整个过程中，从发现故障到故障隔离最后将非故障区域恢复供电所需要的时间非常的少，能够最大限度的提高供电的可靠性，这是采用智能环网柜的优越性所在.

4 结束语

本文提出了一种只保留传统DTU核心单元的集中式智能环网柜方案，该方案优化了环网柜结构，剔除了环网柜中一些功能重复的部分；减小了环网柜对功能模块的依赖性，提高了供电的可靠性；减小了环网柜的体积，实现了环网柜的小型化.

[1] 李振文.计及分布式发电与环网柜的配电网规划方法研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[2] 朱训林，陈伟. 10kV配网自动化系统的实现 [J].自动化应用，2013(6)：106-107.

[3] 刘健，程红丽，张志华.配电自动化系统中配电终端配置数量规划[J].电力系统自动化,2013(12)：44.

[4] 邹积岩.智能电器[M].北京：机械工业出版社，2008：56-57.

[5] 王加臣，吉玉雯，鲁晔.浅谈环网柜在配电网中的应用[J].电力安全技术，2010(7)：62-63.

[6] 唐黎芬.XIRIA真空环网柜在配电系统中的应用[J].电力自动化，2011(1)：8-9.

[7] 王法.断路器操作机构的设计与实现[D].合肥：中国科技大学，2011.

[8] 陈延秋，魏映华.“五防”闭锁技术在变电站的应用[J].自动化应用，2012(11)：86-87.

[9] 李豹，张蔷，毛海鹏，等. 光电互感器及其测量系统在HVDC中的应用研究[J].高压电器，2013(5)：101-105.

[10] 刘影.UPS与直流电源在维护及管理中的作用[J].中国新技术新产品，2013(8)：13.