高压开关设备智能化发展综述

施苗根，毛旭昱，李文静，兰加成，王 伟

（杭州凯达电力建设有限公司，浙江杭州 310000）

高压输电线路的安全性与稳定性直接关系到终端用户的供电质量，尤其在能量转换率、自然气候环境、设备投入成本等多重因素的影响下，高压输电线路的在线实时监控难度越来越大，无形当中也缩短了高压输电设备的使用寿命。而基于STM32F103微控制器原理设计的智能高压开关设备对输电线路实现了数字化、网络化、可视化管理，这不仅解决了供电线路稳定性差、故障率高的难题，同时，也满足了终端用户的供电需求。

1 基于STM32F103微控制器原理的智能高压开关设备硬件结构与性能

该智能高压开关设备将STM32F103微控制器作为主控单元，兼容5 V 的I/O 管脚，最高工作频率能够达到72 MHz，同时，出于对节能降耗的考虑，该控制单元具有睡眠、停机与待机3种模式，并自带A/D 转换器与多个快速I/O 口。其硬件结构主要包括：主控芯片、取电模块、输出电流测量模块、输出电压测量模块以及显示模块等，其工作流程如图1所示。

图1 基于STM32F103微控制器原理的智能高压开关设备工作流程

1.1 主控芯片

主控芯片选用的是STM32F103芯片，其中，芯片内核采用ARM32位的Cortex-M3 CPU，最高工作频率为72 MHz；存储器为64 kb 或128 kb 的闪存程序，还有高达20 kb 的SRAM。

时钟、复位和电源采用2.0～3.6 V 供电和I/O 引脚，上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）。该单片机有80个快速I/O 端口：26/37/51/80个I/O 口，所有I/O 口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5 V 信号；并设置9个通信接口，包含2个I2C 接口，3个USART 接口和2个SPI 接口。

1.2 取电模块

该模块采用的是QC629取电互感器，这种卡扣式互感器最为明显的优势是便于安装和拆卸，一旦互感器出现故障，维修人员能够快速完成拆卸与维修工作，这就大幅节省了设备维修成本。互感器内径为50 mm，在室温环境下，取电互感器可以正常工作。该取电互感器主要用于10 kV 控制柜的供电使用，取电电流介于100～1 500 A，获取的功率值始终在50 W以上，同时，内置12 V/35 A 大容量磷酸铁锂电池，具有功率密度大体积小、过充不燃烧、不爆炸、放电持久、充放电寿命1 500～2 000次等优点。装置采用纯正弦波逆变电源，最大功率可达500 W，最高峰值可达1 000 W。为了获取更多的数据参量，在设计该模块时，选取了不同的取电电流，并对模块的输出功率进行测试和监控。

1.3 输出电流与输出电压测量模块

出于对方便主控芯片测量的考虑，输出电流采用放电电流互感器，该互感器能够将放电电流缩小为原来的1/1 000，缩小后的电流经过电阻以后能够形成电压信号，该信号仍为交流电压信号，只有经过运放等组成的整流电路才能将交流信号转变成为直流信号。而电压互感器与相关电路将逆变器输出的220 V 交流电缩小，1SS226三极管将电压稳定在一个区间范围之内，这时，电路能够保持正常工作状态，当交流信号经过整流电路后，则转变成为直流信号。

1.4 显示模块

显示模块采用LM6063液晶显示屏，通信通道主要借助于Jtag 插座与主控芯片，该模块在进入工作状态以后，可以对充电电流、输出电压、放电电流与输出功率四个参数进行实时显示，这样一来，更有利于终端操作人员开展设备运行状态监测工作。除显示以上参数信息以外，LCD 显示屏还能够显示出电压电流、电池的实时充电情况与逆变器输出的电压电流信息，通过对这些数据信息的监测，可以准确判定出各输出与输入设备的实际运行状态。

2 智能高压开关设备的主要技术特征

2.1 测量数字化

测量数字化主要是对电力系统中的高压开关设备的运行状态以及各项功能参数进行数字化测量，以确定设备是否处于正常的运行状态。其中，数字化测量系统由多个智能型模块构成，在模块执行测量与监控任务时，能够将测量数据直接传输给站控层网络或者过程层网络，在共享网络的支持下，测量信息可以实现共享。比如在测量变压器油温及开关设备分、合闸位信息时，如果变压器油温过高，或者开关设备处于合闸状态，该测量装置都可以将最终的测量数据反馈给智能终端，终端操作人员根据反馈结果可以快速判断出设备运行过程中出现的故障，或者存在的问题。这种数字化、智能化的测量方式为电力系统的安全稳定运行提供了强大的技术保障。

2.2 控制网络化

控制模块作为高压开关设备的重要组成部分，主要对开关设备的运行过程进行有效控制，而这种控制方式主要是基于网络通信协议来执行程序指令，其控制对象主要包括变压器冷却装置控制、有载分接开关控制等。控制方式主要是通过智能组件对高压设备与站控层设备进行智能控制。控制的先后顺序是：站控层设备、智能组件、就地控制器。由于网络化控制模式具有灵活性特征，因此，在对高压开关设备进行控制时，能够完成传统控制模式无法完成的任务。比如在节能降耗理念提出以后，电力企业对变压器冷却系统的节能效果也提出了更高的要求，但是，如果利用传统的控制模式控制冷却系统的运行，节能效果差强人意，而利用网络化控制技术，能够对变压器的负载能力进行有效控制，节能效果也逐步突显出来。另外，如果利用网络化控制技术对开关设备中的断路器合闸相位予以控制，能够有效防止涌流与过电压现象的发生。

2.3 状态可视化

智能高压开关设备中的显示模块可以将设备的运行状态参数展现在显示屏上，这时，终端操作人员可以借助于显示屏上的信息，及时获取设备启动以后的各项运行参数。其中，“状态”主要是指设备的处于运行模式下的可用状态，比如设备运行是否稳定、控制状态是否正常、负载能力是否满足标准要求等。终端操作人员如果掌握了这些信息，可以提前制订出电网运行的优化策略以及故障应急处理预案，建立了这种事前防范机制，才能延长高压开关设备的使用寿命，电网运行的安全性能才能得到切实改善。比如高压开关设备智能组件的自诊断、自评估与自描述功能，可以对设备的可靠性状态、运行控制状态、负载状态进行监测，监测结果可以直接体现在显示模块上，而终端操作人员不需要获取大量的过程信息与原始数据，只需要从这些结果数据当中便可以快速判断出高压开关设备的运行状态是否正常，这不仅减少了站控层网络的信息流量，同时，也使智能组件的互换性与互操作性得到真实体现。

2.4 信息互动化

高压开关设备在运行过程中，将产生大量的运行信息，由于这些信息之间存在一种必然的交互关系，所以才能保证开关设备的安全稳定运行，这种信息互动化是智能高压开关设备的一个显著特征。比如智能组件通过站控层网络将设备的可靠性状态、控制状态、运行状态与负载能力状态等信息直接传输到调控系统，这时，技术人员可以根据接收到的信息针对高压开关设备故障制订故障应急响应预案，进而将故障损失降到最低点。另外，高压设备的可靠性运行状态信息与生产管理系统之间的信息互动过程，可以确定电力系统运行状态是否正常，而检修人员可以结合这些信息来编制检修计划，这就给电力系统的高效稳定运行奠定了坚实保障。

2.5 功能集成化

设计人员在植入传感器与执行器时，需要事先制订智能高压开关设备的运行目标，这一目标与状态感知软件、指令响应软件有着密切联系。如果传感器、执行器与高压设备无法匹配，那么设备的功能性也将严重缺失，这对电力系统的正常运行将产生诸多不利影响。以变压器绕组光纤测温传感器为例，如果设计人员已经事先设计出了传感器模型，但在加装时却与设备出现了不兼容的情况。而功能集成化实际上属于一种较为先进的制造技术，尤其在微电子技术迅猛发展的今天，传感器、执行器的体积越来越小，功能越来越强大，在这一背景之下，高压开关设备中的一些智能组件都可以实现集成化。这样，既可以减少变电站的占地面积，同时，也大幅降低了设备发生绝缘故障的概率。因此，功能集成化特征也将成为智能高压开关设备区别于其他开关设备的一个分水岭。

3 高压开关设备智能化发展前景

3.1 智能传感技术

过去，电力系统多使用电磁式互感器，这种互感器动态范围小，如果电流过大，其二次保护装置将难以识别出电力系统的故障隐患，并且输出信号需要敷设电缆到二次设备，这就需要进行二次转换才能将信号转化为数字量。另外，一旦CT 开路产生高压，将直接危及现场作业与电力设备的安全。而随着数字技术、PLC 技术、电子技术的迅猛发展，光电传感器这种智能化的传感器逐步在电力系统当中得到普遍推广和应用，该技术以现代光纤作为信号传输载体，可以将电力系统的电信号快速转变成为光信号。比如法拉第传感器，通过对该传感器在275 kV 变电站故障定位监测系统中的应用效果可以看出，被测电流高达50 kA，适用的温度区间介于-20～+80 ℃之间，监测精度为1.5%，一旦变电站出现故障隐患，利用该传感器可以快速确定故障的准确位置，这就给故障排除争取了大量时间。与电磁式传感器相比，光电传感器具有绝缘简单可靠、无二次开路危险、抗电磁干扰有力强、安装维修简便高效等优势，因此，这种智能化的传感器在高压开关设备当中得到广泛应用。

3.2 微机处理技术

微处理器时代的到来使微机处理技术得到迅猛发展，随着该技术的日渐成熟，在高压开关设备的测量、运算、决策、控制、保护等领域，也逐步表现出智能化特征。虽然微机系统安装在高压开关设备内部，但是，由于体积小、功能全，使得高压开关设备的智能化特征表现的尤为明显。比如智能化断电保护功能、电量实时监控功能、开关设备运行状态功能，为电力系统的安全运行提供了强大的技术支持。以智能化电力开关柜为例，这种开关柜利用微机处理技术可以对采集的各类信息进行加工、分析、判断、处理。其中，前置处理单元主要将电力信号转变为数字量，并通过逻辑运算来发出报警、跳闸、操作等执行动作；而后置管理单元则主要负责对事故的记录与各种数据信息的打印工作，这就使电力系统的动作执行与终端管理完美地衔接在一起。

3.3 在线监测与故障诊断技术

在线监测与故障诊断技术的产生距今已有近50a的历史，该技术经过不断演化和改进，如今已经形成了一个独立的技术体系，并且监测与诊断范围逐步扩大。比如在线监测内容包括对电压、电流、功率等基本运行参数的监测，故障诊断技术可以对电力系统的过电流、过电压、短路、断路、接地等故障进行诊断，一旦发现故障隐患，智能组件将自动发出故障预警信号，检修人员可以根据故障类型与部位及时启动故障应急处理方案，进而最大限度地降低因故障隐患而造成的经济损失。在线监测与故障诊断系统结构组成如图2所示。

图2 在线监测与故障诊断系统结构组成

从图2可以看出，在线监测与故障诊断系统主要由三部分组成，即信号变送系统、数据采集系统以及处理和诊断系统。智能高压开关设备如果具有这三种系统的基本特性，开关设备的状态监控与检修也将朝着智能化与自动化方向发展，这就给电力企业节省了大量的人力资源成本、能源消耗成本以及设备维修成本。

4 结束语

高压开关设备作为电力系统的关键设备，其智能化水平直接关系到整个电网的安全性与稳定性，因此，电力企业应当始终秉持“与时俱进、持续创新”的态度，对现有的高压开关设备的运行技术、控制技术、故障监测与诊断技术不断予以改进和创新，以实现经济效益与社会效益双丰收的美好愿景。