整合型智能开关智能组件的研究

【摘 要】 研制整合型智能开关，给工厂预装式变电站和智能变电站的建设提供了可能性。研制整合型智能开关（iHGIS）关键是智能组件，要求传统的组合电器开关通过现代技术，在智能化、信息的整合、功能的重组、接口的规范以及工厂测试等方面着力研究，将智能高压开关最新研究成果应用于工厂预制型变电站模块。

【关键词】 智能组件 组合电器HGIS IEC61850 在线监测

1 概述

近几年智能化变电站试点工作的不断推进，基于智能化、网络化二次设备的综合自动化变电站越来越多，这大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电网和电网调度的灵活性和可靠性。但由于各种原因，一次设备的智能化却相对滞后，因此，智能开关智能组件及其相关应用研究，大大提升了变电站建设整体的智能化水平。

2 研究内容

整合性智能开关是指利用传感器、微型处理器、数字通信系统等技术，对组合电器开关运行状况进行实时监测、控制，并通过高级应用软件把获取的数据进行分析、挖掘，实现高压开关的测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化。整合性智能开关的应用，使人们由以往关注设备可靠性转变为关注电网可靠性，大大提高了电网运行的智能化水平，降低运行管理成本。同时，还可以实现设备的寿命预测，从电网的大视角进行设备周期成本管理。

整合型智能开关智能组件及标准化接口研究，简化变电站系统架构，减少站内的电缆连接，规范设备间的功能接口，进一步提升工厂预制型变电站各模块的独立性及功能扩展的便利性。

研究内容：

（1）采用数字输出的电子式互感器、配智能终端的高压组合电器智能开关。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。

（2）基于IEC61850标准，二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消控制电缆。

（3）智能化组件中包括设备健康状态监测和程序化控制系统等自动化系统，提升自动化水平，减少运行维护的难度和工作量。

（4）智能化组件的各信息相对整合，在模块中构建层次化的结构体系，实现模块中各资源的高度集成和共享。

3 智能组件技术方案

3.1 智能组件

智能组件主要由若干IED集合组成，承担与宿主设备相关的测量、控制和监测等基本功能。在满足相关标准要求时，还可承担计量、保护等功能。如图1所示，智能组件主要功能：

而智能组件主要采用高性能嵌入式CPU、FPGA等技术，将通讯、采集和计算等功能硬件化，从而确保了装置具有足够的数据处理能力，并且更加稳定可靠。

4 智能组件技术特征（如图2）

4.1 智能组件原理

电子式电流互感器采用的是：罗斯线圈原理。电子式电压互感器采用的是电容分压的原理。

电子式电流互感器采用Rogowski线圈方式实现一次电流信号的转换。电子电流式互感器可直接输出数字量信号，并实现采集信号，基于IEC61850对外进行光纤传输。

4.2 在线监测部分

具有较高性能的开关设备和控制设备，配有电子设备、传感器和执行器，不仅具有开关设备的基本功能，还具有附加功能，尤其在监测和诊断方面（如图3所示）。

通过对关键设备的运行状况进行实时监测、控制，实时接收各模块上传数据，并通过高级应用软件把获取的数据进行就地分析、挖掘，并与站控层进行通讯，从而实现组合电器开关的测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化，从而优化电网的运行和管理。

4.3 断路器机构状态监测

主要进行召唤SF6传感器采集的数据，并利用FPGA实时、高效、稳定的技术手段进行就地分析、处理，并将处理结果发送至站控层。

（1）实现结构（如图4）。

（2）实现方案（如图5）。

采用强大的FPGA作为主控单元硬件平台基础，为整个设备的运行提供了较高的配置和稳定运行的基准。

4.3 一体化设计结构（如图6）

5 系统特点

（1）新一代全面支持数字化变电站的智能终端。装置采用最新研制的POWER PC平台，支持实时GOOSE通讯。

（2）POWER PC平台按照具有长达10-15年的生命周期设计，装置插件根据需要可以在保持与平台兼容的情况下平滑升级，从而为组合电器开关投资提供了长期稳定的保障。

（3）装置采用了高性能CPU、内部高速总线、智能I/O，硬件和软件均采用模块化设计，灵活可配置，具有插件、软件模块通用，易于扩展、易于维护的特点，将为用户带来备品备件种类少替换方便的优点。

（4）能够接收保护跳合闸、测控的手合、手分及闸刀、地刀控制的GOOSE命令，输出相应动作接点；能够采集并上送断路器、闸刀及地刀位置、断路器本体信号等。

（5）出口动作速度快，从收到GOOSE 报文到出口继电器动作

（6）出口继电器经启动闭锁，可以有效保证装置动作的可靠性。

（7）装置采用全密封、高阻抗、小功耗的进口继电器，减少装置的功耗和发热，以提高装置的安全性。

（8）具有灵活的通讯方式，配有2个独立的GOOSE接口。支持新一代变电站通讯标准IEC61850。

（9）支持光纤IRIG-B码对时和1588对时。

（10）具有环境温度和湿度的测量功能。

（11）装置采用整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，抗干扰能力大大提高，达到了电磁兼容各项标准的最高等级。

（12）装置经过了严酷的高低温试验，可以在户外恶劣的环境中运行，为装置专门设计的户外柜柜，其防湿热、防水、防尘、防辐射等各项技术指标都能满足户外安装的要求。

（13）装置能够存储长达1年的在线监测数据量，并能够进行所有电流信号监测的波形录波以及位移行程录波功能，后台可以通过MMS网络获取相关录波波形。

（14）电流监测回路采用穿心式电流传感器，在不破坏原来电气回路和增加原来电气回路复杂性的基础上实现电流采样。

6 结语

结合智能变电站实施经验，通过对整合型智能开关智能组件及标准化接口研究，实现在线监测、计量、控制、传感器植入一体化设计技术。简化变电站系统架构，减少站内的电缆连接，规范设备间的功能接口，进一步提升工厂预制型变电站各模块的独立性及功能扩展的便利性。