隔离开关智能操作控制装置的研制

黄欣，陆洪建，王磊，刘亮，吴明凯

(国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011)

0 引 言

在电力系统中，隔离开关是隔离电源、倒闸操作用以连通和切断小电流回路，保证检修人员安全的重要设备[1]。隔离开关使用量大、应用广、工作可靠性要求高，其安全可靠操控对电网、人身、设备安全至关重要。目前隔离开关操作机构控制回路是由各种继电器、接触器、转换开关等分立器件搭建组成，元件数量大，机械触点多，自动化程度低及电路结构复杂，运行中受沙尘、震动、机械卡涩和接触不良等影响常发生隔离开关误动、拒动的问题。不同厂家、不同操作机构的控制回路也不尽相同，一旦出现回路或元器件故障，需运维人员对照图纸逐个排查，存在故障定位耗时长、难度大等问题，给运行维护造成极大不便，严重影响运维人员正常的停送电操作。由此，提出并研制一种可以实时监测、评估和预警并提高隔离开关操作控制系统的智能化水平装置[2-4]，以提高运行和检修人员对隔离开关故障定位与排除的效率，降低隔离开关操作机构运行的故障率，提高隔离开关运行可靠性。

1 隔离开关智能操作控制装置结构

该装置基于电力电子技术，在设计时将原有分散的功能进行集中整合，采用高度集成的硬件模式，实现装置的集成化、小型化和智能化。利用多型传感器深度感知隔离开关运行过程中的电压、电流、温湿度、行程位置、分合闸逻辑等全状态信息，实现隔离开关的智能实时监测、评估和预警。在设计上采用双板卡CPU架构，以便同时满足实时全景展示和变频控制的功能，其中主控板集成人机I/O接口、控制逻辑的实时判断和预警、微机保护控制等功能；电机驱动CPU实现驱动IGBT功率器件[5]，实现变频调速和硬件保护功能，两CPU并行工作，各司其职，协调互动，共同完成整个装置的应用功能。装置整体结构见图1。

整个装置采用了霍尔原理与传感器组合应用模式，设计了 MC9S12XA256CAG 型主控 CPU 和电机驱动CPU并行工作的双CPU架构，共分为3块PCB板(主控板、变频驱动板、强弱电接口转换板)，集成了人机 I/O 接口、微机保护控制等功能，进而研发了就地型微机控制单元，实现了保护、控制、调速和温湿度监测一体化，可监测状态量达到 15 项，装置内部模块见图 2。

2 隔离开关操作控制系统智能化应用关键技术

2.1 基于可视化思路的故障诊断技术

2.1.1 全状态信息深度感知与整合技术

针对隔离开关操作控制结构复杂、功能分散、无法有效监测的问题，提出在有限的空间内通过一体化信息采集技术，利用多型传感器深度感知隔离开关运行过程中的电压、电流、温湿度、行程位置、分合闸逻辑等全状态信息并进行集中加工和整合，研制了一种集全景感知、变频调速、实时诊断、微机保护、温湿度监控为一体的智能操作控制装置，实现功能一体化的信息采集和展示，可监测状态量提升至15项，解决了原有操作回路复杂、故障率高、误操作风险高的问题。

图1 装置整体结构

图2 装置内部模块

2.1.2 基于分合闸逻辑实时校核的控制系统诊断技术

针对不同厂家的操作机构难以适配问题，提出图形化组态的自适应技术方案，主要基于智能电子设备配置文件描述，研究分合闸操作控制逻辑的适配模型(见图3)，通过组态化配置，满足不同厂家、不同操作机构的应用需求，实现“一机通用”的设计理念。

图3 逻辑组态模型

针对操作前控制系统故障难以实时发现及故障后处理难的问题，设计了基于输入状态与内置分合闸逻辑实时校对的可视化的异常定位、描述功能，研究了变电站高压隔离开关继电器搭接控制逻辑典型电路，将隔离开关接触器、门控开关、分闸/合闸外部闭锁、常开/常闭辅助开关开入装置，将不满足的信号用不同颜色醒目区分，并远传后台，逻辑诊断与预警单元根据采集到的实时输入状态信息与内置的分合闸逻辑进行实时校对与预警(如图4)，实现工作现场的快速故障定位，将控制系统的故障诊断由事后处置转变为事前预防，为隔离开关控制操作提供可视化决策参考，故障定位时间由平均半小时以上降低至秒级。

图4 控制回路逻辑处理主程序

2.1.3 隐形机械故障及隔离开关位置辅助判别技术

针对隔离开关一次设备机械故障和分合闸位置无法精准判别问题，建立了分合闸时间、电流特征自学习比对模型，提出电机分合闸时间与电流变化特征自学习方法。针对合闸时间，记录隔离开关 12 个周期分合闸时间，去除波动影响值，并取得理想操作时间，当某次实际操作时间与理想操作时间之间偏差超过10%，判断操作时间异常，自动记录并报警。通过分析隔离开关传动机构锈蚀卡涩、平衡弹簧失效、合闸不到位等机械故障情况下的电机电流特征，辅助判别电机在开合闸过程中是否存在机械故障、分合是否到位。

2.2 隔离开关操控过程的安全防护技术

2.2.1 综合一体化软、硬件保护技术

针对传统空开、热磁继电器存在的保护功能单一、精度低、误差大、抗干扰性差，无法对隐形机械故障可靠判别等问题，综合利用微机保护技术，高速采集系统运行中的电压、电流及功率模块温度信息，集成过热、过载、堵转、短路、过压、三相不平衡等保护逻辑，实现操作过程中的多种冗余保护。

为保证智能功率模块(intelligent power module，IPM)的安全稳定运行，设计了短路、桥臂直通、去饱和保护、过载等多重硬件防护技术，避免在回路发生严重故障时引起功率模块烧毁，通过系列软硬件保护技术，大幅提升了装置、元件运行可靠性。

2.2.2 机构电源安全管控技术

针对非操作期间要对电源管理重度依赖人工问题，开展“多重防误”闭锁控制逻辑研究，提出了电机电源“即用即通”的防误闭锁控制策略:在现场操作指令下达后，装置先检查变频驱动的分合指令输出状态，并确保变频驱动输出状态是关闭状态，并通过电动操作机构合上进线空气开关；再综合进线电源电压状态、分合闸逻辑、所述电动空气开关位置、分合闸操作指令，共同判断是否执行分合闸操作，若下达命令时装置分合指令处于输出状态，装置判断为错误逻辑，将闭锁电机电源合闸指令；同时装置还具备超时断开进线空气开关的机制，在20 min内没有进行任何操作时，自动断开进行空气开关。基于上述逻辑，并结合现场的装置内部联锁逻辑、交流系统测控装置软件防误判别、一次设备闭锁板机械结构闭锁，构成“四重”防误措施，显著提升现场操作可靠性。

2.3 狭小空间内的电力电子开关控制技术

2.3.1 狭小空间内的三维建模和仿真技术

针对回路复杂，安装空间密闭狭小的问题，提出高度集成的硬件一体化设计方案，利用IPM体型小、集成度高、能耗低、电动机构控制电路简单、动作速度快的优点，对装置内部结构、外形尺寸、PCB板及元器件布局进行了三维建模和仿真设计(如图5所示)。利用 PCB 分层模块化设计技术，将原有分散的功能进行集中整合，改变了传统分立元件组装的硬件方案，设计了分相组合控制逻辑方案，研发了可调节组网结构，实现空间的合理应用，元器件数量减少70%，内部接线减少超50%。

图5 装置内部结构仿真设计

装置集成化、小型化、轻量化设计思路，为全面适配现场GIS设备、敞开式刀闸奠定了基础，其低成本、更换及维护方便等优点贴合一线人员工作需求，便于大范围推广。

2.3.2 狭小密闭空间内的功率器件散热技术

针对功率开关器件自身存在通态损耗和开断损耗导致发热量大的问题，采用三级传导散热设计方案，将镀锌铝合金散热片紧贴功率模块，通过导热硅胶增加热传导。结合装置机箱、机构箱体辅助进行热源扩散，实现隔离开关户外的长期连续性工作，免受发热影响。

2.3.3 基于IGBI控制的精确变频调速控制技术

针对传统隔离开关控制回路存在的接点抖动、一次触头分合闸瞬间易发生触头碰撞弹跳、电弧灼烧的情况，提出了基于IGBT变频调速技术的电机驱动方法，通过获取电机转速和转角位置信号以及电机驱动输出电源的电流采样信号；采用带速度反馈的电机矢量控制算法，产生矢量控制的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)波形；设计驱动回路对PWM波形进行电气转换，获得电气信号并进行IPM智能功率控制，输出三相PWM电压信号至电机，实现电机精确控制。

通过空间矢量扇区分析，动态矢量控制操作机构电机运转的速度和转矩，精确牵引隔离开关动触头运行位置，使其在分合闸时加速运动，快速越过易产生电弧区域，易扯弧区域转角速度大幅提高。

3 隔离开关操作智能化技术方案

装置即可应用在一体式隔离开关，也可多台装置组合应用到分相隔离开关，通过三项装置之间的联动控制，实现单相独立操作和三项联动操作。

3.1 三相一体式隔离开关

在隔离开关机构箱内配置1套该装置，该装置负责和外部系统通讯(包括远程/就地操作切换、逻辑异常告警信号、控分、控合等)。

3.2 三相分立式隔离开关

需配置3套装置，分别配置在三相隔离开关机构箱内，各装置独立负责该相隔离开关的分、合闸操作以及相应的电动机保护功能，其中可将任一套装置配置成管理机，可实现对其他两相的管理和三相联动，并接收外部系统信号，实现对各相隔离开关进行远程开合闸操作，具体系统结构如图6所示。

图6 三相分离式隔离开关配置

3.3 系统特点

A,B,C相智能控制装置分别放入对应的控制箱。各相控制装置分别负责本相隔离开关的分、合闸操作以及相应的电动机保护功能。

B相配置为具备管理单元的智能控制，负责和监控系统通讯，将隔离开关状态，分合闸逻辑，电机故障等上送给监控系统，同时也接收监控系统下发的各种操作指令。B相负责和A，C相通讯，接收A,C相各设备的运行信息，并同时将后台监控中心下发的各种控制指令转发给A,C相执行，以实现分闸、合闸及三相联动等操作。

经过以上联网控制方式，使控制回路清晰简洁，各相之间仅通过有限的通讯电缆或硬接点电缆实现全部操作。当运维检修时，检修人员只需到具体的操作相就地操作，而无需在各操作相之间来回奔走，大大提高了运检效率。

4 结 论

1)提出了基于图形化、组态化的隔离开关控制逻辑实现方法，设计了基于输入状态与内置分合闸逻辑实时校对的可视化异常定位、描述功能。

2)提出了高密度集成的硬件模式方案，设计了全状态量采集电路，并基于电机电流等模拟量开发了隐形机械故障、刀闸位置辅助判别技术，研制了集成化、小型化、轻量化隔离开关智能操作控制装置。

3)提出了电机电源“即用即通”的防误闭锁控制逻辑，并与装置联锁、测控软件防误、一次设备闭锁共同构成“四重”防误体系。

4)提出了基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)控制技术的电机驱动方法，开发了软硬件综合保护技术方法。

5)有效解决了现有隔离开关操作控制系统自动化程度低、可靠性差、不能有效监视和可靠保护、出现故障难以快速定位等问题。

6)该装置已通过开普检测研究院检测，可适配敞开式、GIS等全场景隔离开关控制操作系统，通过对现场2组隔离开关进行改装，在750 kV敞开式站区进行真实场景验证，历经2年时间，实现单台10万次无故障分合，充分验证抗干扰能力及装置可靠性，使用效果良好，现已在国网宁夏电力、国网山东电力等网省公司所辖多座变电站应用。