基于PLC集控系统的高压成套设备智能化的研究

周清平

（华自科技股份有限公司，长沙 410205）

当前社会经济飞速发展，用电规模不断增大，电网[1]架构也愈来愈复杂，其安全与稳定性关系着国计民生，而电网中作为电能输送与控制的关键部件高压成套设备，无论是其结构的合理性、功能的完备性，还是操作维护的安全性，运行的可靠性皆对电网的坚强稳定及终端用户的用电安全形成较大影响。

在追求防护的安全性同时，人们也要求操作与维护上的便捷性，高压成套设备由此日益革新，外形越来越小，防护功能越来越强大，操控性也更好。过去固定式安装与维护的部件，改进为移动手车式安装与维护，操作更加方便，然而这是以损失防护的坚固性作为代价的。本文论述的是基于PLC集控系统的高压成套设备的智能化[2]的研究，不仅能从根本上解决操作维护的安全防护性问题，而且能极大提升开关设备操控的便捷性及智能化程度，对电力系统的安全稳定及国民经济的发展具有重要意义。

1 高压成套设备的重要性及发展状况

1.1 高压设备应用的重要性

在电力输配电[3]网络中，为加大传输能力、减少线路损失，一般是采取升高电压以高等级电压进行电能传输，至用户终端时再经过变压降低电压等级。作为电能控制与分配的关键部件高压成套设备，其可靠操作及安全运行，关系到整个电网系统甚至用户终端的运行稳定。电力成套控制设备在研发设计、生产制造及运行维护等各环节首要考虑的问题就是“五防”操作安全，既要保证设备的稳定可靠，更要保障人身安全。

为满足“五防”功能要求以及相关标准规范，目前中高压[4]开关成套设备在合闸操作、正常运行、停电检修及故障跳闸等各环节皆须进行安全功能布置及防护设计。设备内配置真空断路器[5]能在电网系统或控制装置发生故障情况下快速分断，且分断能力大；为保证设备可靠分断及停电检修安全，要求在断路器上桩头带电侧加装隔离开关装置，并通过外部观察窗清晰观察到隔离开关桩头的分断状态；接地开关装置在停电检修时闭合，保证开关设备可靠接地及储能终端负载的及时放电；柜门的开启与关闭同时应与隔离装置、断路器装置及接地装置等实现联动与互锁。

1.2 当前发展状况

随着人们对电力控制设备的操作与控制要求不断提高，除了要满足安全防护要求外，还需要操作的快捷与便利性。过去以固定式安装方式为主体的隔离装置、断路器分断装置等重要一次设备，在安装、更换、检修维护时非常不方便，不但花费大量的人力物力，而且因狭窄的操作空间存在较大的安全隐患。经过多年的技术改进及产品升级，目前实现了断路器装置的手车移动式装配，不再需要固定式安装，断路器依据现场操作或检修要求，随时可方便移出部件，而且相同规格的装置具有完全的互换性，极大地方便了成套设备的检修与维护。

高压成套设备除了实现关键部件手车式安装外，柜体的小型化也成为当前的发展趋势。通过采用优良的绝缘材料或其他复合绝缘方式，达到了缩小总设备外形尺寸及内部空间的目的。开关设备的小型化改进，既可以实现减少设备的占地面积，又可降低设备的结构及内部材料成本。

2 日常操作维护中存在的问题

手车式高压成套设备的操作控制不同于普通电动机起停回路的控制方式，为满足高压设备的“五防”功能要求，断路器分断装置在合闸送电、停电检修过程中，必须与隔离、接地装置及防护柜门联动。设备合闸送电一般程序为：①关闭防护门；②分断接地装置；③手车隔离装置遥进到工作位置；④断路器储能机构储能；⑤断路器装置合闸。设备停电检修一般程序为：①断路器装置分闸；②手车隔离装置退出到试验位置；③接地装置闭合；④开启防护门。

移开式手车成套设备在操作维护便捷性方面不断创新的同时，也带来了设备使用时的不安全性及维护时的事故隐患。真空断路器、接触器[6]、负荷开关等手车式安装，具备隔离功能，但要求手车设备与底盘车具备可靠的互锁功能，同时要求与接地开关装置、防护柜门进行联锁。为达到安全互锁的要求，过去采用的连杆、锁板、钢丝绳等硬联接机构，逐步被程序锁、电磁锁等半机械半电气联锁机构所取代，机构硬度明显减弱，它能满足正常的程序动作及互锁，但若外部力量参与机构操控（如值班维护人员手动进行隔离、接地等分合闸操作），遇操控力度把握不当或流程错误情况下野蛮操作，则极易造成联锁机构受损，从而使联锁失效。

3 基于集控系统的成套设备智能化

在现有手车式开关成套开关柜[7]的基础上，利用当今先进的计算机技术、网络及通信技术、高级测量技术以及自动控制技术，采用集中控制思想，实现成套设备的智能化，而且能有效解决设备常规与手动控制存在的问题。

3.1 系统总体实现框图

基干集控系统的成套开关设备智能化，即智能集控开关成套设备，不同于常规设备的信号检测，除了具备电量运行参数、设备过程状态、故障预警信号等进行监测外，还能对采集到的各类数据进行分析、判断及处理，实现设备内关键部件或装置的自主调节与控制，同时能接受外部及上层系统控制指令。

3.2 主要功能

智能集控开关成套设备的功能主要包括电气系统电量参数、柜内温湿度、母线及断路器桩头的温度等模拟量的检测，设备内关键部件的运行状态的监视，以及重要装置的遥控等，可实现设备的不间断在线监测[8]、上传数据的分析与处理、就地操控或远程遥控、故障预测与报警等功能，并可接受上层指令，达到集中监控、远传调度与无人值守的目的。

图1 设备智能化控制图

设备的模拟量检测主要包含系统运行电量参数以及设备使用环境状况的监测。开关设备投入使用过程中，监测的电量参数包括系统相电压、线电压、线电流、零序电流、频率、有功、无功、功率因素等。

对开关成套设备内的隔离手车工作/试验位置、断路器装置的储能/合闸/分闸状态、接地装置的合闸/分闸状态、仪表室/断路器室/电缆室等防护门的开启/关闭状态进行监视，全方位掌握设备内关键部件的运行状况。当系统或设备发生故障时，能通过对采集到的开关状态信号进行判断与分析，从而提前进行故障的报警或提示。

通过前期的系统运行模拟量参数及设备部件开关量参数的采集，成套设备集控系统进行分析与处理，一方面可以在设备运行过程中进行故障的预处理，避免事故的发生；另一方面可以接受外部及上层系统控制指令，进行相关流程控制，实现一键式合闸送电及停电检修操作。

3.3 一键式送电与检修操控

1）一键式操控的作用

手车式开关成套设备实行系统智能集控后，不再要求人们分步骤按流程进行隔离、分断、接地等手动操作，而是一键实现分、合集控，不仅提升操作的简洁程度，而且能从根本上杜绝人为不当操作造成的联锁失效问题。

成套设备集控方法一键式操作既可靠地实现了高压设备隔离、接地与分断装置之间的操作互锁要求，同时又有效地解决了人为的误操作及野蛮操作等问题，特别是为手车式开关设备的自动化[9]、智能化及远程控制奠定了基础，降低了人工操作成本，避免了不必要的运维事故产生，对于电力系统长期稳定运行及社会经济效益具有十分重要的意义。

2）一键式操控的原理

手车移开式成套设备集控方法使操作过程极大简化，可实现一键式分合闸，避免了人为的误操作以及装置机械操作力度不当或野蛮操作造成的“五防”失效。控制系统包括一套PLC主控制装置及相应的传感器及执行机构，在接收到外部操作指令后，主控制器采集相应元件状态，通过执行机构操作控制隔离、接地或分断装置等。分合闸控制程序，使各机构与元件之间相互配合，方便、安全、快捷地完成一整套功能组合指令。

考虑到移动隔离手车执行机构的旋转定位以及机构防堵转功能，通过执行机构控制底盘手车移进或退出的过程中，预设的限位开关定位手车的状态位置。为防止运行中因机构卡死或限位失效，主控制器实时监测执行机构的运行荷载，超过定值时即起动保护，终止当前操作，并执行相反指令操作，或依据预设程序运作。

集控系统主要包括：

（1）主控制器：PLC控制器。

（2）隔离装置：真空断路器底盘手车。

（3）分断装置：真空断路器。

（4）接地装置：检修接地开关。

（5）防护柜门：断路器室、电缆室及变压器室防护柜门。

系统框图如图2所示。

图2 集控系统框图

3）分合闸操控流程

与成套设备常规控制方式相比，基于集控系统的智能化开关柜[10]将使开关设备的操作过程极大简化，控制安全及防护可靠，完全杜绝了人为误操作存在的安全隐患，其控制流程包括准备阶段及合分闸操作过程。

操作前准备阶段：①成套开关设备控制电源合闸，分断装置手车就位，防护柜门关闭等；②主控制器通过位置、状态传感器采集底盘手车、分断装置、接地装置及防护门位置与运行状态；③断路器分断装置储能机构储能。

设备合闸受电过程：①人工通过开关设备面板合闸按钮或后台系统给定合闸指令；②主控制器收到指令后，检查各防护门的关闭状况，若未关闭，则通过声光不断提示；③防护门关闭，主控制器判断断路器工作状态，若已合闸，则对断路器发出分闸指令；④断路器分闸，主控制器判断接地装置工作状态，若已合闸，则对接地装置发出分闸指令；⑤接地装置分闸，主控制器判断底盘手车位置状态，若未处于工作位置，则对手车执行机构发出推进指令；⑥底盘手车推进到工作位置后，主控制器对断路器发出合闸指令；⑦开关设备合闸受电过程完成。

设备分闸断电过程：①人工通过开关设备面板分闸按钮或后台系统给定分闸指令；②主控制器收到指令后，判断断路器工作状态，若已合闸，则对断路器发出分闸指令；③断路器分闸，主控制器判断底盘手车位置状态，若未处于试验位置，则对手车执行机构发出退出指令；④底盘手车退出到试验位置后，主控制器对接地装置发出合闸指令；⑤接地装置合闸，防护柜门可开启，设备处理检修状态；⑥开关设备分闸断电过程完成。

4 结论

本文从高压成套设备在电力系统中的重要性出发，阐述了设备当前所作的各方面的改进与提升，以及在实际运行中存在的缺陷，有针对性地提出了基于集控系统的高压成套设备的智能化，不仅有效解决目前设备存在的“五防”安全互锁问题，而且实现了智能化监控，为智能变电站、智能电网的建设奠定了基础。作为设备智能化中最重要的功能，本文重点论述了设备的“一键式操控”，彻底有效地解决了设备的运行检修操控难题。然而，本文中基于集控系统的设备智能化理论是在集控系统稳定性及传输时效性完全满足要求的前提下提出的，实际应用中电路及电子元件的性能还无法安全满足要求，因此如何提高控制系统的稳定可靠及通信传输效率将是下一阶段研究的方向与课题。

图3 集控系统流程图