浅析智能高压开关设备的技术

张宇洲

（国能汉川发电有限公司，湖北 汉川 431614）

国民经济发展需要电力给予大力支持，当前，电力企业为保证系统安全且高质量运行，根据智能技术特点，对电力系统不断完善，特别是在高压输电线路方面，由于其安全性、稳定性对用户供电质量有着较大的影响，再加上受到能量转换率、自然环境、气候条件、设备投入成本等诸多因素的影响，高压输电线路运行难度较大，高压开关设备使用寿命缩短，所以推进智能高压开关设备升级改进成为各个电力企业关注的重点。基于此，本文通过对智能高压开关设备的技术进行分析，旨在为高压开关设备网络化、数字化、可视化管理提供可以借鉴的思路，保证供电线路高效率稳定运行。

1 智能高压开关设备的关键技术

1.1 基于分布式控制的信息处理技术

智能高压开关设备应用时，分布式控制思维是常见技术之一，此技术既将一次设备、二次设备缺陷有效弥补，而且在智能化推动下形成了更加完善的分析及处理模式，构建了强大的信息控制结构，信息处理量减少的同时给予智能开关设备运行提供较好的支持。控制器应用环节便可以实现二次设备下放，控制器与主机相连接，便可以直接获取指令，通过分合闸、储能主机、机构加热器等诸多模块搭建适合的应用模式，具备了测量与监测效能，保证高效传输。同时触头位移、储能电机电流、振动等传感器的配置可实时接收、分析、汇总多样化信息；处理数据环节利用光纤传至智能主机中，与传统模式相比，二次回路、电缆结构等设计环节被取消，信息传递更及时、高效；结合汇总的信息完成装配及调试方案的制定，集成管理一次、二次设备。

1.2 基于机器学习算法的状态评估技术

智能设备控制机制中，机器学习算法得到了广泛的应用，采用算法处理形式收集、分析GIS故障样本，对故障预兆、类型及特点准确掌握，进而更好地完成匹配算法、输出向量等一些工作内容，在此基础之上构建智能高压开关设备评估模型，第一步是信号变送系统，对监测量、基础监测方式选择的同时，高压开关设备与传感器连接，集约化管理数据信息，保证控制监督环节作用充分发挥；第二步数据采集系统，预处理数据以后结合数据采集工序处理方法，保证信号的评估、基础参数调用合规；第三步信号传输系统传递的是信号内容，进而构建较为完善的信息管理模式；第四步数据评估以及诊断系统，完成数据采集、预处理工序以后操作数据评估和诊断系统，以专家库为重要依据，保证获取的结果全面且准确，科学输出以后实现管理的统一化。

1.3 多参量数据综合处理技术

传感技术近年来得到了较快的发展，在各行各业中多种类型传感器发挥了极其重要的作用，传感器在高压断路器中的应用实现了信息的高效分析，监测更加科学、更加合理，有效管理传感器反馈的多种问题及情况，应用效能较高。传感器在智能高压开关设备中的应用做到了动态跟踪与精准化分析，安装于不同位置的传感器获取的信号是不同的，根据信号特点可对高压开关运行情况有效评估，第一时间发现设备运行中存在诸多问题，特别是在细节评估与分析中优势更加突出。通过多个信号提取大量特征量，分析以及对比这些数据，在监测系统冗余管控效能的支持下可以保证管理规范性，工作效能也会随之提升。

1.4 运行维护技术

智能高压开关设备运行是否良好直接关系到了应用效果及质量，所以系统分析中掌握常态化运行维护技术也是极其重要的。其中智能处理模块可以对设备管理环节出现的多种事故进行预警，借助评估及分析一些准确性较高的参数体现事故类型与等级。比如，智能高压开关设备运行状态、负载情况、运行年限等，在深入分析的基础上形成精密的模型，通过准确的计算以及批标的参考，构建合理化、科学化、可控性较强的智能电网规划系统，由设计为切入点，兼顾运行及后续维护，形成了一站式、全过程、一体化监督管理机制。

1.5 基于二次设备功能升级技术

以传统二次设备运行为基础，借助模块形式搭建集成管理系统，在智能主机支持下形成了具备较强可操作性的处理体系，将智能主机每个模块有效衔接。智能主机运行时，每个模块通过背板，总结及时处理信息，实时集成保护、合并、监测等功能单元，基于二次设备应用功能，实现了实时监督，站控层设备逐渐形成，开关本体交互处理性能增强。二次设备功能升级时满足智能高压开关先进的技术需求，技术模块匹配度更高，其中主要包括以下技术手段：（1）状态评估和故障诊断技术，实时评估及分析智能设备中的数据，汇总的基础上确保形成初步诊断方案，为操作人员实践提供充足的数据；（2）智能控制技术，以智能控制单元为核心，构建可控性强的调控模式，结合设备运行情况处理数字化指令；（3）声学指纹技术，以应用扩展目标、核心设备运行规范性为基础，简化系统流程，提高应用效能。二次设备升级是对原技术的改进，模块化设计单元、集成化控制体系的形成不仅实现了设备成本的降低，而且为设备资源高效配置、集约化管理奠定了良好的基础。

2 智能高压开关设备的技术应用案例

本次研究以STM32F103微控制器原理为切入点，针对智能高压开关设备硬件结构以及性能进行分析，此智能高压开关设备主控单元为STM32F103微控制器，同时兼容5V的I/O管脚，工作频率最高可达72MHz，为达到更好的节能降耗效果，此控制单元设计了三种模式，分别为睡眠、停机以及待机，并且配备了多个快速I/O口以及A/D转换器。硬件结构包含六大模块，具体工作流程见图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

2.1 主控芯片

此案例中使用了STM32F103芯片，内核是ARM32位的Cortex-M3CPU，工作频率最高可达72MHz；使用的是64kb或128kb存储器，具备了闪存功能，SRAM达到了20kb。同时，时钟、复位和电源使用了2.0～3.6V供电和I/O引脚，上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）。此单片机中设置了80个快速I/O端口，26/37/51/80个I/O口，这些端口均可映像至16个外部中断；每个端口可以容忍5V信号；另外，还设计了通信接口9个，I2C、SPI接口各2个，USART接口3个。

2.2 取电模块

此模块使用了QC629卡扣式取电互感器，最突出的特点便是安装方便、拆卸快捷，如果互感器发生故障，工作人员会在第一时间进行维修，成本大大节省。此互感器内径是50mm，取电互感器在室温环境下便可以正常运行。此取电互感器多用在10kV控制柜中，取电电流为100～1500A，获取的功率数值保持在50W以上，另外，内部设置了相应的大容量磷酸铁锂电池，规格为12V/35A，功率密度较大，体积却非常小，即使供电过量也不会出现燃烧、爆炸等危险情况，放电持久性较强，充电及放电寿命达到了1500～2000次。此装置使用的是纯正弦波逆变电源，功率最大达到了500W，峰值最高达到了1000W。为了可以获取较多数据参数，此模块在设计环节选用的是不同取电电流，时刻测试以及监控模块输出功率。

2.3 输出电流与输出电压测量模块

为了便于主控芯片更好地测量，输出电源时，使用了放电电流互感器，可实现电流放电的大幅度缩小，与原来相比，能够缩小1/10左右，电流缩小以后，经电阻的时候便可以出现电压信号，此信号便是交流电压信号，当经过运放等组成整流电路的时候，才可以使交流信号转化为直流信号。电压互感器、配套电路缩小了逆变器输出的220V交流电，而1SS226三极管则会使电压始终保持在稳定状态下，此时，电路运行是正常的，如果交流信号经整流电路后，此时便会转化为直流信号。

2.4 显示模块

此模块使用了LM6063液晶屏，通信过程中采用Jtag插座和主控芯片相结合的形式，此模块处于运行状态时可实时显示充电电流、输出电压、放电电流、输出功率等重要参数，能够使操作人员更加准确地监测到设备具体运行情况，及时发现问题，并第一时间采取有效措施。除了可以将重要参数信息显示出来以外，LCD显示屏还可以将电压电流、电池充电、逆变器电压电流信息输出情况清晰的呈现，在监测以上数据信息的基础上，对各个环节输出、输入设备具体运行情况准确评估与判断。

3 智能高压开关设备技术未来发展前景

3.1 智能传感技术

以前的电力系统中电磁式互感器较为常见，此互感器辐射范围小，若电流较大的时候，二次保护装置无法将电力故障识别出来，信号输出时，还要将电缆敷设至二次设备，经过二次转换后，才会实现信号数字量的转化。同时如果CT开路存在高压，现场作业、电力设备均有可能出现安全风险。而在数字技术、PLC及电子技术支持下，光电传感器在电力系统中更好地被推广与使用，此技术基于光纤实现信号传输，电信号会在短时间内转化为光信号。例如，法拉第传感器，此传感器故障定位、查询效果非常好，在相关试验中显示，如果电流达到50kA，温度在-20～+80℃时，监测精度高达1.5%左右，在变电站故障发生以后，通过此传感器可将故障位置准确找到，节省了时间。光电传感器和电磁式传感器对比，前者绝缘效果较好，不需要二次开路，风险自然也较低，同时具备较强的抗电磁干扰性、安装简单、维修方便等诸多优势。

3.2 微机处理技术

微机处理技术逐渐成熟，并广泛应用于高压开关设备测量、运算、控制等环节。微机系统体积较小，但是功能齐全，在智能高压开关设备中优点更突出。例如，智能断电保护、实时监测电量以及开关设备运行情况等，保证了系统运行的安全。在智能电力开关柜中应用微机处理技术，既可以实现多种信息采集、加工，同时，又能够做出准确判断、及时处理。前置处理单元实现了电力信号数字量转化，借助逻辑运算执行报警、跳闸等操作；后置管理单元记录事故，并完成打印操作，执行和管理有效衔接，工作效率更高。

3.3 在线监测与故障诊断技术

此技术在不断改进中逐渐构建独立技术体系，扩大了监测以及诊断的范围。例如，在线监测中监测的电压、电流、功率等关键性参数；故障诊断中诊断电流、短路、断路等问题；故障发生后，智能组件自动报警，工作人员结合故障类型、位置将故障应急处理预案启动，逐渐推进高压开关设备监控以及维修向着智能化、自动化发展，人资成本、能源消耗、维修成本均可以实现大幅度降低。

4 结语

在电力系统运行全过程中，高压开关设备是非常重要的组成部分，智能化水平的高与低会对整个电网安全性、稳定性带来直接影响，所以，电力企业要积极引进新技术，紧跟时代发展步伐，在不断创新中改进、优化高压开关设备技术手段，在促进自身经济效益提高的同时，更好地服务于用户、服务于社会。