配电台区一二次设备多功能融合与信息交互的应用研究

丁永生

(上海置信电气股份有限公司，上海 200335)

0 引 言

我国智能电网已进入全面建设阶段，为配电网的主体设备制造行业提供了前所未有的发展机遇[1-2]。配电网直接面对终端用户的重要环节，担负分配电能和服务客户的重要任务。由于分布广泛、网络结构复杂，故供电能力、供电可靠性和供电质量对社会经济影响巨大[3]。配电系统设备是配电环节的主体，是智能配电自动化系统与智能配电自动化设备的有力支撑，作为配电网运行可靠性保证的重要环节，配电开关的重要性更为突出。而配电开关又是配电系统设备中的核心之一，配电开关的发展对有效提高配电网的供电能力和供电可靠性、保证供电质量有重要的意义。因此本文对配电台区一二次设备的多功能融合与信息交互进行探讨。

1 配电台区一二次设备总体设计方案

智能配电台区包括了诸多的集成特点，分别为设备、功能、专业以及系统集成等，本文对当前智能配电台区的三层两网架构进行了优化，保留了站控层的架构，集成了过程层与间隔层的设备，并将设备集中在一个装置中，以实现模块化操作。该装置经过站控层设备与交换机，采用开关本体与光纤直连的方式实现信息的交互，在配电台区只存在两层一网，简化了操作程序与网络架构，最终实现智能开关设备网络信息流。智能高压开关设备信息交互架构如图1所示。

图1 智能高压开关设备信息交互架构

二次设备功能的设计就是将二次设备进行模块化，并集中在一个设备中，这样的设备称为智能主机[4]。智能主机各个模块由背板总线进行通信交互，并将形态监控IED、局放检测IED、合并单元、智能终端和检测保护等设备进行融合，以实现开关自身与站控层之间的交互，还可以进行智能技术方面的支持，例如智能调控、问题判定和声学指纹等技术[5]。配电台区一二次设备的多功能融合高压开关设备的信息流架构如图2所示。

图2 多功能融合高压开关设备的信息流架构

应用分布式管理方式，将对应的调控器赋予各个智能开关，同时将调控器安装于机构箱，完全应用调控器来完成二次设备的所有功能，实现原有一二次设备的融合，不必对一二次设备进行严格区分，使主机的处理量有效降低。

2 智能化高压开关控制回路优化研究

2.1 跌落式熔断器状态监测流程

智能化设计方案主要包括熔断器状态监测与设备功能融合。熔断器状态监测包括状态采集、监测板模块和短程射频通信。跌落式熔断器状态监测流程如图3所示，本文提出的检测方法是将跌落式熔断器状态监测传感器固定在熔管上，将角度传感器内置于熔管内。若熔管跌落，角度传感器的初始角度发生变化。若水平角度低于门限，则确认为跌落。如果熔管再一次闭合，水平角度高于门限，则确认为闭合。

将接地、隔离接地开关结构和断路器进行优化，使得汇控柜到机构之间的线路减少。统计断路器、开关机构到智能组件柜的电缆数量。由开关设备控制器对智能高压开关设备进行控制和数字化，优化并取消掉传统开关备用辅助接点，最后对备用辅助开关进行优化。

2.2 漏电开关控制板与无功补偿控制板模块设计

对于漏电开关控制板模块设计，漏电开关本体仅作为电气量采集和分合闸执行功能，控制板负责对电路保护、控制、监测及通信，插装在智能终端中。控制板小模块与智能终端通过IEC101、MODBUS进行数据交互，模块化重合闸断路器如图4所示。实现了断路器合闸与跳闸的功能，二次设备在进行回路控制时，能够实现对一次设备的控制。因此控制回路在二次设备中的重要性非常大，是二次设备受到一次设备控制的重要过程[6]。

图4 模块化重合闸断路器

对于无功补偿控制板模块设计，首先剔除智能电容器的显示屏，将无功补偿控制板插装在智能终端中，实现补偿计算和电容自动投切控制功能，同时实现智能终端对电压和电流的取样。模块与智能终端通过IEC101、MODBUS进行数据交互。通过对电网上每一相的电压与电流进行采集，应用互感器将电流电压转换为微电流信号，并应用电能计量芯片ATT7022E对电流信号进行计算，得出功率因数、无功功率以及有功功率，再采用主控芯片STM32F103RBT6进行计算处理，以确认线路是否受到了无功补偿，同时与控制芯片相连的还有储存模块、下载接口以及通信接口。智能机构控制器的通信板设计如图5所示。

图5 智能机构控制器的通信板设计

2.3 智能终端模块功能融合设计

本次研究除满足常规功能外，还融合了漏电保护与控制，无功补偿检测与控制，以及高压熔断器监测等功能。取消本体的显示功能，通过手持终端近程与智能终端进行蓝牙通信，实现显示操作和调试等人机交互。同时智能终端的硬件和软件采用模块化功能设计，支持带电热插拔，可扩展、易更换和易维护。可根据需求选配定货、无需额外投入，并支持远程参数设置及在线软件升级，如图6所示。

图6 智能终端模块功能融合

本文研究了配电台区一二次设备融合技术可行性，提出了多功能信息融合交互方法；并基于电路保护、控制、监测及通信功能的漏电开关控制板模块，设计了对功率因数采集、无功补偿容量计算和电容自动投切等功能的无功补偿控制板模块；融合了熔断器监测板、漏电开关控制板和无功补偿控制板等模块可热插拔以及可扩展功能的智能终端；实现了智能终端信息汇聚与平台共享；解决了以往台区智能化功能中存在的信息孤岛、功能重复堆砌和数据管理缺失等问题，提升了设备的智能化水平。

3 试验及推广应用

本次研究将智能机构控制器配置在高压开关设备的各个机构箱内，智能机构控制器中的二次设备功能用于接收上层分合闸指令，通过CPU处理后，控制电路驱动IGBT，最后实现高压开关的分合闸操作。对断路器分合状态等进行仿真模拟，应用示波器记录两个通道的RS485信号线脉冲输出与结束时刻的电压，并计算出智能机构控制器的延时。分闸延时、合闸测试示波器波形，如图7所示。

由图7可以看出:操作分闸时，当分闸指令传输至智能机构控制器，输出电压平均延迟时间为3.81 ms；操作合闸时，当合闸指令传输至智能机构控制器，输出电压平均延迟时间为3.83 ms。

图7 分闸延时、合闸测试示波器波形

本文研究的ZW32(H)-12/630-25一二次深度融合柱上断路器成套装置，在国网福建厦门供电公司翔安分中心马巷供电局桂东线挂网运行，至今未发现任何异常现象和安全隐患。在挂网运行期间，ZW32(H)-12/630-25一二次深度融合柱上断路器运行状态良好，数据采集精确，如图8、图9所示。

图8 桂东线02杆现场挂网图和遥测遥信数据

图9 桂东线33杆现场挂网图和遥测遥信数据

实现一二次设备多功能融合后，智能配电网集成系统结构更为合理，单个配电开关站的成本最高可以节约5.1万元，且二次屏柜的数量由原来的2个减少至1个，这样使得安装面积减小约0.6 m2。配电装置的集成使得配电系统进一步简化，减少了设备安装调试的时间，该项经济价值估算为0.9万元。因此对二次设备进行多功能融合后，可以为配电台区的每个土建开关站节约土地0.6 m2，实现经济效益6.0万元。

4 结束语

本文提出了一种配电台区一二次设备多功能融合成套装置，并运用实例对配电台区的一二次设备的融合进行实证。结果表明，一二次深度融合柱上断路器成套装置挂网运行后，至今未发现任何异常现象和安全隐患。在配电台区实现二次设备的多功能融合后，单个配电开关站的的成本最高可以节约5.1万元，且安装面积减小约0.6 m2。配电装置的集成使得配电系统进一步简化，减少了设备安装调试的时间，该项经济价值估算为0.9万元。相信今后能够在技术上进行突破，开发出更加完善的融合装置。