CN100448131C - 中压集成开关设备 - Google Patents

Abstract

一种电能分配开关板(1)，在该电能分配开关板中，对一个或者多个功能单元设置集成了一次功能和二次功能的开关装置间隔室(3)。在该开关装置间隔室(3)内包括：电流和电压传感器(36)、用于联锁的位置传感器、人机接口(HMI)、智能电子装置(IED)(4)、用于配置IED(4)的有关本地配置点(32)以及开关装置(37)。IED(4)使功能单元进行监视、控制、保护、通信以及监测，而且IED(4)用作功能单元信息和判定的集中点。本发明的开关板(1)进一步包括电源部分、I/O部分以及通信系统。

Description

中压集成开关设备

技术领域

本发明涉及一种具有高级集成功能块的中压配电开关板。

背景技术

在当前的电能分配系统体系结构中，开关板起节点的作用，而电缆和架空线表示各节点之间的连接。

根据该方案，开关板内集中了进行电能分配必须处理的所有要求的系统管理功能。历史上将这些功能划分为两种不同类型：一次功能和二次功能。

将与主电压分配、主电流分配以及主功率分配有关的所有功能称为一次功能，而将与辅助特征和控制特征有关的所有功能称为二次功能。

一次功能的一些例子是：

接通、分断、传导标称电流、耐短路电流特定时间、断开、接地、为了进行替换或测试而连接和断开电缆、使带电部分与操作员隔离。

一些二次功能是：保护、联锁、监视(本地或远程)、控制(本地或远程)、自动化、测量、计量、诊断、通信。

所有这些功能均由包括几个功能单元的开关板提供。

通常以下面的方式，在开关板的各功能单元内的各不同部件之间细分不同功能：

·一个或者多个金属外壳用于容纳并封闭电气装置，使它与操作员隔离，这样进行安全操作；

·开关单元实现一些一次功能，比如接通、分断、断开；在每个功能单元内经常需要不止一个开关单元或接地单元；

·开关板控制单元(SCU)集成了许多二次功能，例如测量、保护、控制以及通信；

·考虑到它们的尺寸通常是相关的，将变流器和变压器(CT，VT)设置在开关板上的方便位置。

以非常工业化的方式制造上述在专用测试中显示标准特性和属性的所有部件。

为了完成开关板，还需要许多其它电气部件和机械部件，例如断路器、接触器、母线、可抽出插件等。

这些部件中的大部分实现二次功能：它们通过一束导线连接(功能单元内的安装板上垂直敷设电缆)，而另一束导线将每个功能单元与同一个开关板内的其它功能单元连接在一起(开关板内的安装板间水平敷设电缆)。

图2b示出当前的一次配电单安装板解决方案，图2同时示出有关单线图。在图2b中，可以弹性操作，或用磁力致动可抽出CB；在二次侧(参考图2a)，将控制电子元件(CE)和储能电容器(SC)集成在板上，以控制电磁致动器(MA)并向该电磁致动器(MA)供电。

电压测量是任选特征(图2a中的灰色部分)，通常，为了在母线联络CB和输入馈线上进行母线电压测量需要进行电压测量。

在不同部件之间分布不同功能可以简化部件本身，但是使得作为整体的系统更加复杂了。这样导致占据大量空间，而且成本高，因为存在许多部件，需要敷设电缆和布线，而且对于每个特定客户应用，至少必需对二次技术部分进行特定设计开发。

在该解决方案中，存在包括开关装置的功能单元，该开关装置受智能电子装置(IED)的控制，但是这种IED仅专门用于开关装置控制和命令，而不能利用功能单元的其它部分输出的其它信息，例如，一次电流值和一次电压值。此外，在该解决方案中，不能使该IED执行监测、控制以及保护功能，通常，将这些功能分配给位于单独间隔室，即低压间隔室内的保护与控制单元(功能单元)。在这种情况下，功能单元含有两个单独IED，这两个单独IED必须互相进行通信并协调一致，例如远程操作命令到达保护单元，该保护单元必须将它们重新发送到开关装置控制器单元，这意味着增加了复杂性和成本，因为要实现各功能性需要双重智能，但是可以将它们集中设计在唯一一个IED内，从而避免了互相协调问题和通信问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种装备了功能单元2的中压开关板1，该功能单元2分别包括开关装置间隔室3，开关装置间隔室3集成了所有功能，在该解决方案中，将这些功能分布到功能单元的各不同部分内。

根据本发明，对开关装置间隔室3设置智能电子装置4，智能电子装置4可以控制开关装置37以及整个功能单元，而且可以用作与功能单元有关、来自其不同部分的所有信息的集中点。参考这两个电子装置位于同一个功能单元内的该解决方案，在本发明的开关板中，避免了因为双重智能而增加复杂性和成本，因为同样的功能被集中在唯一一个IED内，从而避免了协调和通信问题。

电压和电流传感器36也集成到开关装置内，该解决方案与本发明的其余部分一起提供了一个完整系统，该系统解决了选择并安装适合特定应用要求的额定电流和电压的测量仪表的问题。这意味着，可以使用标准装置，从而利用同样的硬件覆盖全部要求范围。

所获得的产物是开关装置及其集成功能，可以以优化方式设计该产物，以便比该解决方案更紧凑，即，与附加其它装置、传感器、当前在功能单元内敷设电缆的开关装置间隔室相比，更紧凑。用户将紧凑并因此而节省空间看作是优点，事实上，紧凑开关板的售价比其它开关板的售价更高。

关于开关板的设计，当前，任何应用均要求专门设计开关板功能单元及其特定实现过程。这包括许多用户定制工作，例如对到端子块的辅助触点敷设电缆、安装测量装置并对该测量装置敷设电缆、对功能单元、保护与控制单元的输入和输出敷设电缆、对例如与要求的端子块或继电器联锁的触点位置传感器敷设电缆。

利用集成开关装置间隔室，仅在生产现场一次性进行敷设电缆的活动。例如，联锁位置传感器34利用电缆连接到IED 4，安装测量装置36，并将测量装置36连接到IED 4；如果存在，则将功能单元端子块22或其它传感器50，例如温度传感器或气压传感器连接到过程通信系统101。

这意味着，利用该集成开关装置可以节省实现用户要求的开关板的该解决方案要求的大部分工程和投产活动，而且这样可以显著降低成本。此外，该集成解决方案可以获得标准产品，该标准产品可以发挥所有由工业生产获得的规模经济，从而进一步降低成本。

通信系统可以传送IED采集并详细描述的所有信息。通过本地配置点32，或者通过变电站通信系统13，利用计算机，对通过通信系统发送的信息进行配置，并对不同IED功能，例如保护、控制、监测功能进行配置。因此，以对要求的敷设电缆和布线工作，更容易实现、更容易校正而且更容易修改的方式，利用该配置可以满足该应用的特定功能要求。本发明的该方面具有缩短设计时间和投产时间的优点。

附图说明

图1是按照本发明的开关设备的示意方框图；

图2a-2b是已知类型的开关设备的示意图；及

图3-6是图1所示按照本发明的开关设备的部分视图

具体实施方式

图1以及图3至6所示的方框图详细示出根据本发明的开关板。参考所述附图，开关板1包括：至少一个功能单元(安装板)2、开关装置间隔室3以及智能性的电子装置4。方框10表示辅助电源单元。利用自备电源单元表示其它可能的替换装置，该自备电源单元可以集中在开关板级11，或者分布在开关部件级12。通信线路100和101使得与其它智能电子装置15进行通信，在智能装置4与变电站操作计算机13之间进行通信，和/或与开关板级的人机接口14通信。其它输入50也是可以的。在功能单元级，方框21表示锁定致动器功能，而22是安装板/开关板端子块。在开关装置间隔室3，方框32表示本地配置点功能块，35是来自电压/电流传感器的输入，36表示电压/电流传感器，33是其它传感器输入端，34是安装板上的联锁输入，37是断路器或开关装置，38是用于所述断路器或开关装置37的致动器。在智能电子装置级4，方框41表示控制单元，42是用于致动器38的电源功能块，方框44表示通信功能块，方框45是开关装置部件级上的人机接口，46是I/O功能块。

如图1所示，根据本发明的开关板包括一个或者多个包括开关装置间隔室3的功能单元2，开关装置间隔室3包括：开关装置37、开关装置致动器38、本地配置点32、本地通信信道、电压以及电流传感器37、位置传感器产生的联锁信息34以及智能电子装置4(IED)。在所述的开关板内示出一个或者多个端子块。

IED包括：控制单元41、I/O功能块46、通信功能块44、人机接口45、电源模块42以及开关装置动力驱动模块43。

过程通信系统101通过该功能单元，而且连接可以连接到所实现的通信系统的所有功能单元。

可以附加变电站通信系统100，而且IED通信模块44支持该变电站通信系统100，IED通信模块44通过各功能单元，而且连接到变电站级操作员/管理员工作站或计算机13。这样，开关板可以具有到被表示为变电站操作员计算机的更高控制级的接口，而且可以具有开关板级人机接口14。

对该开关板设置外部辅助电源10，可以附加位于开关板11、12内部的自备电源系统，用作辅助电源的后备电源。

图1示出获得的开关板。图1所示的整个系统被分割为不同部件，下面将单独说明它们。本发明的集成开关板的主要部件是：智能电子装置4、电源部分、I/O部分、通信部分。

智能电子装置(IED)是本发明的核心部件之一。它用于监测、保护以及控制整个功能块，而且用于采集、集中以及管理功能单元的不同部分输出的所有信息。它实际上位于开关装置本身的板上的开关装置间隔室内。参考图3，IED优先包括将在下面详细说明的控制单元。

控制单元是电子模块，它包括：特定硬件，例如永久性存储器和易失性存储器、寄存器；以及软件，用于实现与功能单元有关的一系列不同功能。该控制单元尤其用于对所有操作功能块以及功能单元的各部件进行控制，例如：

一次电路的操作和转换；断开功能块、接地功能块以及所有普通锁定装置的监测、联锁以及操作；实现安全操作程序和运行程序。

通过实现保护功能，控制单元还根据特定应用保护电路。通过根据预定算法详细描述从例如电压和电流传感器以及可能的其它传感器例如压力传感器的输入端接收的信息，控制单元可以实现保护功能。

控制单元连接到开关装置，而且其任务是根据要求的逻辑，即特定应用和开关装置类型管理操作命令。

根据要求的逻辑，控制单元可以管理功能单元内出现的其它隔离器或开关，例如接地开关装置的操作和控制过程。

根据详细描述的、从功能单元内的输入和/或从通过通信系统接收的其它IED的信息中接收的信息，控制单元实现联锁功能。联锁功能可以与一个功能单元有关，或者可以实现功能单元间的联锁逻辑。

利用本地配置点，根据从用户PC，或者当它存在时，从与变电站通信系统相连的管理员变电站级工作站接收的配置信息，通过设置与其主要功能，例如保护、联锁、开关装置控制、通信有关的参数，可以配置所设计的控制单元。

利用从开关装置和致动器回路接收的信息，控制单元实现监测和诊断功能，而且根据特定应用，可以记录故障和事务，例如开关操作的数量。

控制单元可以对其功能性实现自检，而且可以实现功能监测。

参考图4，电源部分使可以使辅助电源和/或自备电源提供的电源被实现二次功能和一次功能，例如开关装置控制和保护的功能单元、IED功能附件以及其它所有附件采用的回路醒目。在该解决方案中，辅助电源是位于开关板外部的外部电源电路，它提供开关装置操作、控制保护以及所有其它被供电附件所需的电功率。

可以存在获取系统内的能量、形成一次电路的自备电源系统，而且自备电源系统可以用作辅助电源的后备电源。当存在自备电源时，自备电源功能块位于开关板内，集成到功能单元内(对于该解决方案专用的安装板上的集中自备电源)，或者位于每个开关装置内(分布式自备电源)，它从MV母线获取功率，而且该自备电源功能块提供比辅助电源高的可靠性，或者尽可能仅用作辅助电源不可用的系统内的电源。IED要求高可用性而且几乎不被中断的电源。

辅助电源连接到电源IED模块，该电源IED模块是通常出现在任何电子装置内的典型模块，它对送到电子装置，即控制单元和通过它送到IED的任何一部分，以及送到开关装置动力驱动供电模块的电源进行控制，并使该电源适应该电子装置、IED的任何一部分以及开关装置动力驱动供电模块。

开关装置动力驱动供电模块是位于IED内的模块，它管理送到开关装置致动器的能量，根据特定致动器要求以及要求的操作，调制该电源，并因此而控制开关装置致动器。它还管理开关装置中储能装置的充电和放电，当前的解决方案中始终存在储能装置的充电和放电，而且实现要求的操作顺序，例如O-C-O(开启/闭合/开启)操作顺序需要储能装置充电和放电。

开关装置致动器模块表示通过运动回路(kinematic chain)连接到开关装置电触点以及机械或电储能装置(操作致动器所需的)的机械或电磁致动器系统。

图5所示的I/O(输入/输出)部分强调如何将所有功能单元信息和信号集中到IED。I/O IED模块实现模数变换和数模变换以及信号调节。然后，将所接收的输入信号传送到控制单元，控制单元详细描述该输入信号。根据控制单元接收的信息，产生输出信号。既可以在开关装置间隔室的内部又可以在开关装置间隔室的外部产生到达该模块的输入，并保持该输入用于输出。

电压和电流传感器是该部分的一部分，而且集成在开关装置的板上。集成电压和电流传感器是可能的，因为使用了覆盖整个要求检测范围的标准器件。该传感器可以是附加到开关装置上的分立部分，或者例如，在浇铸过程，将它们集成到杆上。它们提供用于进行测量和保护的一次电流和一次电压。

来自电压(V)和电流(I)传感器的输入表示V和I传感器提供的信号，而且可以用于I/O模块。

功能单元内的联锁输入是例如通过硬布线从几个位置/状态传感器连接的信号，而且该联锁输入包括开关装置位置(开启/闭合)信号、开关装置状态(开启/闭合)信号、隔离器状态(开启/闭合)信号、联锁触点信号(开关装置间隔室门位置以及可能的其它位置)。

根据从I/O IED模块接收的联锁信号，锁定致动器利用物理方法实现机械模块，I/O IED模块根据控制单元信号(联锁功能块输出的)发送联锁信号。需要该模块对例如为了进行维护或测试进入功能单元内的操作员确保安装要求。不同的锁定致动器可以位于开关装置间隔室的内部或外部。

HMI(人机接口)在逻辑上和物理上(利用导线、在开关装置是可抽出的情况下，尽可能利用移动式连接器)均与IED相连，而且它位于开关装置间隔室外壳上，因为此原因，在该图中在IED边界上示出它。例如，它可以使操作员获得关于功能单元状态、网络数量(电压、电流)的信息，并操作该开关装置。HMI提供的信息可以包括例如下面的指示：

·开关状态(开启/闭合)

·隔离器状态(对于固定开关装置，开启/闭合，或者对于可抽出开关装置，开关装置抽出/插入)

·接地开关状态(对地开启/闭合)

·IED就绪状态(IED的可用性和正确功能性)

·IED就绪状态指示(开关装置位置和致动器/驱动就绪)

·其它任选指示(电压存在指示，电流振幅)

·所有安装板操作装置的操作命令按钮(闭合/开启)

通过LED或其它以清除、不产生误解的方式显示两个或者更多个状态中的特定状态的可视装置，可以提供每种指示。

任选出现在开关装置间隔室内的其它传感器产生的信号连接到I/O IED模块。这些传感器的例子是(各)温度传感器和(各)气体密度传感器。

参考图6，通信部分在IED与位于开关装置间隔室的外部的智能单元之间实现通信。此外，根据过程通信系统的特定网络管理规则，它还可以从在标准解决方案中未事先连接到IED I/O模块的，但是附加在功能单元内并以容易方式连接到过程通信系统的装置接收信息，而且可以将信息发送到该装置。IED通信模块允许IED与功能单元和开关板的剩余部分，特别是与其它IED以及任选与系统的更高级别(变电站级控制中心或远程控制中心)交换(提供或者接收)关于功能单元的信息。该模块还管理(各)通信协议。

过程通信系统传送关于一个功能单元的信息，并将它发送到其它功能单元/从其它功能单元接收它。允许柔性、可配置方式，互连各智能装置：可以修改通信系统上装置的数量和类型和/或通过仅重新配置/编程它们，可以修改在它们之间交换的信息，而无需重新设计硬件，而且与系统布局的冲突非常小。

该通信系统共享的信息的目的在于几个功能性，即，联锁功能、自动化顺序管理、同步功能性、非临界模拟测量(任选)。有几个模块可以连接到过程通信系统：智能端子块可以出现在功能单元内或者开关板级上，该开关板级通过过程通信系统接收关于功能单元的信息并将该信息变换为外部可用的要求端子块信号(触点)。由于通信系统的柔性和可配置性，利用特定软件，可以配置端子块上可用的信号。

同一个开关板的功能单元内的任何其它IED均可以接收关于功能单元的信息，并且/或者通过过程通信系统，发送关于其功能单元的信息。由于通信系统的柔性/可配置性，所以仅通过重新编程通信信息和在所包括的IED内使用它的有关功能块，如本发明所述装备的新功能单元可以容易地附加到开关板上，并与通信系统相连。

可以将对IED提供输入，例如非临界模拟测量值的其它任选智能装置连接到过程通信系统。

本地配置点允许具有适当计算机的操作员通过本地通信信道与IED控制单元通信。通过它可以实现几种功能性，例如配置IED功能(任选功能，功能、通信等中的参数)、更新软件、上载记录在IED上的信息、配置发送到任何模块的I/O。仅在计算机连接到本地通信点时，才可能进行通信。

选择设置变电站通信系统以监测、监视以及远程控制整个开关板。此外，当对它附加新装置时，利用软件，该系统是柔性的和可配置的。例如，在该通信系统上，可以存在开关板级的或变电站级的HMI，该HMI可以使操作员使用IED内的任何可用信息，通过IED，利用软件，可用配置通过HMI接收的信息，而且该信息包括例如：开关装置状态、隔离器状态、电压和电流测量值、IED状态。

还可以在变电站通信系统上设置变电站操作员计算机，而且该变电站操作员计算机可以与连接到该变电站通信系统的任何功能单元执行通过本地通信点可用的同样配置功能。

Claims (8)

1、一种集成中压开关板，至少包括：功能单元(2)，该功能单元包含设有开关装置(37)的开关装置间隔室(3)；电源部分；I/O部分；以及通信部分，其特征在于，一种智能电子装置(4)被实际上定位于所述开关装置间隔室内，用于执行所述功能单元的监测、保护以及控制活动，并用于采集、集中以及管理所有来自所述功能单元不同部分的信息。

2、根据权利要求1所述的集成中压开关板，其特征在于，所述智能电子装置位于所述开关装置的板上。

3、根据权利要求2所述的集成中压开关板，其特征在于，所述智能电子装置包括控制单元。

4、根据权利要求1所述的集成中压开关板，其特征在于，它包括人机接口。

5、根据权利要求4所述的集成中压开关板，其特征在于，所述人机接口与所述智能电子装置相连，而且它位于开关装置间隔室外壳上。

6、根据权利要求1所述的集成中压开关板，其特征在于，所述电源部分包括自备电源单元。

7、根据权利要求1所述的集成中压开关板，其特征在于，所述I/O部分包括位于所述开关装置的板上的电压和电流传感器。

8、根据权利要求1所述的集成中压开关板，其特征在于，所述通信部分包括变电站通信系统。

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