CN102136689A - Hgis智能化开关 - Google Patents

Abstract

HGIS智能化开关，在传统HGIS开关安装智能组件柜和分相组合式电子电流互感器，智能组件柜中包括：智能控制器、开关在线监测装置和数字化电能表三部分；所述智能控制器包括保护功能模块、测控功能模块、合并单元模块和操作箱模块，开关在线监测装置是物理独立的开关在线监测装置，包括安装的位移传感器、SF6微水压力温度传感器和电流传感器，并同智能控制器一起进行开关自我诊断；物理独立的数字化电能表通过多模光纤和所述智能控制器的合并单元模块连接，从合并单元模块获取电压电流信号进行计量方面的相关运算；分相组合式电子电流电压互感器安装于HGIS的开关和出线端绝缘子之间。HGIS智能化开关解决智能组件的户外运行问题。

Description

HGIS智能化开关

技术领域

本发明涉及在智能电网中使用的一次HGIS智能化开关设备。

背景技术

开关设备是电力系统中重要的控制和保护设备。开关设备中断路器的任务是根据电网运行的要求，把电力设备或线路投入或者退出运行，或者将发生故障的电力设备或线路从电网中快速切除，以保证电网中无故障部分正常运行。一旦开关设备出现故障，就可能造成电力系统的事故，给用户造成经济损失。

传统的HGIS开关的结构是：设有为常规电流互感器(CT)1；弹簧操作机构箱2；控制箱3。常规电流互感器安装于断路器与出线端之间，输出模拟信号供传统模拟式二次设备采样，包括保护、测控、表计等。弹簧机构操作箱主要为断路器和隔离/接地提供分合能量。HGIS开关的二次控制硬件回路即控制箱则主要是提供CT、断路器、隔离开关端子排，还有断路器控制部分、隔离/接地开关控制部分。

断路器作为电力系统中重要的控制元件，它的智能化是电气设备智能化乃至智能电网的基础。断路器的智能化不是通常所想的，使用计算机就达到了智能化，它必须配置最新传感器技术、微电子技术和信息传输技术，实现操动机构的可控操动。智能化设备除满足常规设备的原有功能外，还主要表现为：具有灵敏准确地获取周围大量信息的感知功能；具有对获取信息的处理能力；具有对处理结果的思维判断能力，对处理结果的再生信息的实施及有效操作的实施功能。

现阶段的数字化变电站建设，虽然过程层设备已经数字化，但由于集成度不够，多数厂家比如保护设备、智能终端、合并单元、测控装置、在线监测装置均为独立的物理单元，所以导致无法和断路器合为一体，无法简化开关设备原来的二次回路，只能做到开关设备的半智能化。

发明内容

本发明的目的：通过对传统的HGIS开关改进，提出一种HGIS智能化开关的解决方案，使智能化开关具备保护、测控、自我诊断、计量等功能。

本发明的技术方案为：HGIS智能化开关，在传统HGIS开关设备上安装智能组件柜和分相组合式电子电流互感器，分相组合式电子互感器是一次侧电流电压数字化输出端，智能组件柜中包括：智能控制器、开关在线监测装置和数字化电能表三部分；

所述智能控制器包括保护功能模块、测控功能模块、合并单元模块和操作箱模块，其中合并单元模块连接并接收分相组合式电子电流电压互感器一次侧的电流和电压信号，并进行各相电流和电压值的数据同步；保护功能模块通过接合并单元功能模块获取一次侧的电流和电压信号进行保护算法处理；测控功能模块通过合并单元功能模块获取一次侧的电流和电压信号进行数值运算；操作箱模块通过内部总线从保护和测控模块获取命令然后进行相关断路器和刀闸的控制，并通过开入插件获取断路器和刀闸的状态信息；

开关在线监测装置是物理独立的开关在线监测装置，包括安装的位移传感器、SF6微水压力温度传感器和电流传感器是对开关行程曲线、跳闸速度、合闸速度、跳闸时间、合闸时间、SF6微水指标、SF6压力指标、SF6密度指标、SF6温度指标、开关跳圈电流、开关合圈电流、开关储能电机电流、开关隔刀电机电流、开关地刀电机电流多项指标监视的传感器，并同智能控制器一起进行开关自我诊断；

物理独立的数字化电能表通过多模光纤和所述智能控制器的合并单元模块连接，从合并单元模块获取电压电流信号进行计量方面的相关运算；

分相组合式电子电流电压互感器安装于HGIS的开关和出线端绝缘子之间，将一次侧电流电压模拟信号使用远端模块RTU转换为数字光信号，并使用IEC60044-8协议发送给合并单元模块进行数据同步。

智能组件柜中包括：1)智能控制器IED(Intelligent Electronic Devices)；2)开关在线监测装置IED；3)数字化电能表三部分；智能组件柜和HGIS开关控制箱体通过电缆进线连接，智能组件柜脱离HGIS开关支架进行落地安装，智能组件柜拥有温度和湿度调节功能。

本发明采用了保护设备、测控设备、合并单元、操作箱四合一的智能控制器IED(以下简称为智能控制器)。智能控制器IED物理上为一台装置，但集成了上面所述的四大功能。其中合并单元接收分相组合式电子电流电压互感器一次侧的电流和电压信号，并进行各相电流和电压值的数据同步。采用物理独立的数字化电能表。数字化电能表支持IEC61850-9-2协议，使用以太网多模光纤将数字化电能表和智能控制器的合并单元模块连接，从合并单元模块获取电压电流信号进行计量方面的相关运算。

采用分相组合式电子电流电压互感器，将电子式互感器安装于HGIS的开关和出线端绝缘子之间，将一次侧电流电压模拟信号使用RTU(远端模块)转换为数字光信号，并使用IEC60044-8协议发送给合并单元进行数据同步。

本发明的有益效果是：通过对传统的HGIS开关改进，提出一种HGIS智能化开关的解决方案，使HGIS开关具备保护、测控、自我诊断、计量等功能，HGIS开关高度集成化减少了开关对外部二次设备的依赖性，将大多数调试工作由原来的现场调试变为工厂内调试，简化了现场工作量。另外一方面克服了以往的变电站运行过程中，开关设备往往实行定时检修的方法来进行维护，也就是每隔一段固定的时间，无论开关工作正常与否都将开关设备停止运行进行检修。当开关投入运行后就算存在问题也没有办法及时发现，严重威胁到电网安全运行的问题。

本发明中的HGIS智能开关提供了开关自我实时监测的能力，可以随时监测开关各项指标，并在综合分析各项指标的基础上给出开关设备的风险度评估、运行状态、风险部位。变电站运行人员可以根据开关设备风险度评估以及风险部位有针对性的制定检修计划；且本发明的开关在线监测功能模块在物理上是独立的设备，开关在线监测设备安装于

附图说明

图1为传统HGIS开关正视图

图2为HGIS智能化开关正视图

图3为HGIS智能化开关侧视图

图4为智能控制器连接示意图

图5为智能控制器硬件实现示意图

图6为开关在线监测和传感器连接示意图

图7为开关在线监测装置硬件实现意图

图8为HGIS开关对外接口示意图

具体实施方式

一、结合附图对本发明作进一步说明：

图1为传统HGIS开关的正面示意图，图中数字标示分别为：1为常规电流互感器(CT)；2为弹簧操作机构箱；3为控制箱。常规电流互感器安装于断路器与出线端之间，输出模拟信号供传统模拟式二次设备采样，包括保护、测控、表计等。弹簧机构操作箱主要为断路器和隔离/接地提供分合能量。控制箱则主要是提供CT、断路器、隔离开关端子排，还有断路器控制部分、隔离/接地开关控制部分。

图2为智能化HGIS开关的正面示意图，图中数字标示分别为：4为分相组合式电子电流电压互感器；7：合并单元、智能终端、保护功能、测控功能四合一装置(以下简称智能控制器)；10：智能组件箱；8：数字化电能表；9：开关在线监测装置；5：远端模块(RTU)；2为弹簧操作机构箱。

分相组合式电子电流电压互感器，安装于断路器(图3中的位置11)与出线端绝缘子(图3中的位置6)之间的位置。电子式电流互感器采用了低功率铁芯线圈(LPTC)传感测量电流，采用了空芯线圈传感保护电流，这样可使电流互感器具有较高的测量准确度、较大的动态范围及较好的暂态特性；电压互感器采用同轴电容分压器传感被测电压。组合式电子电流电压互感器输出的模拟小信号量经过远端模块(图2中5)采样后转换为数字式的光信号进行输出(遵循IEC60044-8标准协议)，相比传统互感器而言不仅仅增加了抗干扰性能，而且还大大减少了二次电缆。如果采用传统互感器，每一相的电流和电压信号需要采用点对点的方式拉电缆给二次设备。如果有多个二次设备需要一次侧电流电压信号，则传统互感器需要将每相电流电压都拉至相关设备，电缆众多，而采用电子式互感器后每一相只需拉一根光缆给二次设备即可，接线方式大大简化。

由于采用HGIS智能化开关方案，所以图1中的控制箱(3)可以大大简化，将原来在控制箱由硬件电路搭成的许多逻辑回路进行简化，由智能控制器软件逻辑来实现这些功能。由图2可以看到，控制箱由于经过精简，箱体的大小比图1中的控制箱(3)有所减小。由于HGIS智能化需要集成智能控制器、开关在线监测、数字电能表几部分功能(统一称为智能组件)，所以需要考虑智能组件的安装位置。原来传统的HGIS开关控制箱中由于没有智能芯片，所以其箱体本身不带适合智能设备运行的温度和湿度控制方式。控制箱由于直接挂在HGIS开关外侧，所以当HGIS开关进行分闸和合闸操作时控制箱体会伴随有较为强烈的振动，这种剧烈的振动也会影响智能组件的安全运行。

传统HGIS开关控制箱体本身厚度不够，所以原来的箱体上安装温湿度控制器或者智能组件均会对箱体有较大的改动，可实施性差。本发明将原来的传统HGIS开关控制箱体进行简化，缩小控制箱体的体积，在精简后的控制箱体旁边新增加了智能组件柜(图2中10)，智能组件柜和控制箱体之间通过电缆进行连接。智能组件柜自备有热交换器，能够将智能组件柜体内的温度控制在-20℃到+55℃之间，湿度范围控制在60％～85％RH之间，以满足智能组件户外运行的要求。为了解决由HGIS开关振动时带来的对智能组件的影响，本发明中将智能组件柜和开关本体分开，即智能组件柜不安装在开关本体钢架上，而是直接落地安装，如图3中的10。落地安装的方法解决了HGIS开关分合闸时带来的巨大振动对智能组件的影响，保证了智能组件的安全稳定运行。

图3中，12为SF6温度压力露点一体化传感器的安装位置，11为断路器开关所在位置，6为出线端绝缘子。

目前智能电网建设中，越来越多的过程层、间隔层设备按就地安放的原则来实施建设，所以就地放置的空间也越来越紧张。绝大多数二次厂家的保护装置、测控装置、合并单元、智能操作箱均为物理独立的单台装置，所以当就地安放时必然对户外柜的空间提出了较多的要求，而单个户外柜本身空间有限，多个户外柜来进行安装则面临成本较高，占用土地多的情况，这就形成了矛盾的局面。本发明提出了保护功能、测控功能、合并单元功能、智能操作箱四个功能合为一体的智能控制器方案。智能控制器通过3根多模光纤和每相组合式电子电流电压互感器的远端模块进行连接，分别接收每一相的电流和电压信号。合并单元功能模块将接收到的每一相电流和电压信号进行同步，将同步后的数据通过智能控制器内部总线发送给保护功能模块和测控功能模块，除此以外合并单元还将同步好的数据通过光纤以太网用IEC61850-9-2点对点的协议发送给电能表用于计量，如图4。保护模块将处理后的结果通过内部总线发送给智能操作箱功能模块进行跳合闸相关操作，测控模块通过MMS报文接收到的相关遥控命令并通过遥控接点执行。

在智能控制器设计方案中，保护和测控功能模块被整合在功能强大的TI公司OMAP-L138处理器中，OMAP-L138处理器实际上由两个处理器构成一个是ARM9的内核，一个是C674x的DSP内核。ARM用于运行Linux操作系统，并进行IEC61580相关方面的协议处理，以及进行智能控制器的整装置系统管理，报文事件记录，波形录波等；DSP用于处理实时性要求较高的事情，比如保护算法、测控相关算法等。OMAP处理器通过FPGA接收合并单元功能模块同步好的数据。考虑到合并单元功能模块以4kHz的采样率发送数据，OMAP以1.2kHz的中断接收数据，为了防止丢帧，在FPGA中设计了FIFO进行数据缓存。通过BROADCOM BCM5325交换芯片，OMAP可以支持多个网口的通信模式；通过UART芯片ST16C554，OMAP可以支持多个串口的通信模式。由于OMAP芯片本身不支持CAN控制器，所以在FPGA中完成了CAN控制器的设计，经过CAN驱动芯片后能够进行CAN通信。

合并单元模块则使用了ADI公司的DSP芯片BF537来进行数据处理。通过光纤串口，合并单元接收电子式互感器远端模块发送过来的数据。由于远端模块以8kHz的速率进行采样值的发送，而合并单元模块以4kHz的中断进行数据接收，所以合并单元模块也同保护测控模块一样使用FPGA构建的FIFO缓存进行数据接收。接收后的采样值数据由DSP外部总线从FPGA中读入DSP内部后进行插值数据同步，同步好的数据再写入FPGA的FIFO中，然后以IEC60044-8协议发出给保护测控功能模块。DSP通过BROADCOM BCM5325交换芯片来实现对多网口的支持，软件设计使这些网口即支持GOOSE通信也支持SMV采样值通信。

智能操作箱模块则通过微控制器MACROCHIP PIC33F来实现智能开入和开出的功能。由于对开入使用了A/D采样技术，所以能够自适应DC 220V或者DC 110V的开入电压，并进行相应的防抖处理。智能操作箱模块和其他功能模块的通信时通过CAN总线来完成的。整个智能控制器的硬件实现方案如图5所示。

在以往的变电站运行过程中，开关设备往往实行定时检修的方法来进行维护，也就是每隔一段固定的时间，无论开关工作正常与否都将开关设备停止运行进行检修。这种检修方法比较盲目，正常的开关到时间后也需要停电检查。甚至出现正常的开关设备因为不正确的检修后导致故障出现，检修完毕后还需要多次动作开关以检查开关是否正常，行业甚至有这样的观点“开关设备往往不是用坏的，而是试坏的”。而运行过程中如果没到检修时间，开关设备就算存在问题也没有办法及时发现，严重威胁到电网的安全运行。

本发明中的HGIS智能开关提供了开关自我实时监测的能力，可以随时监测开关各项指标，并在综合分析各项指标的基础上给出开关设备的风险度评估、运行状态、风险部位。变电站运行人员可以根据开关设备风险度评估以及风险部位有针对性的制定检修计划，比如在电网负荷比较轻的时候做停电检修，从而做到由定期检修向状态检修的转变。

本发明中的开关在线监测功能模块在物理上是独立的设备，开关在线监测设备(图2中9)安装于HGIS智能化开关的智能组件柜中(图2中10)。其通过在HGIS开关罐体下部安装SF6传感器(图3中12)采集露点、温度、压力信息，进而达到对SF6的温度、压力、密度、微水指标的监视，使开关的绝缘性和密封性都得到实时监测。之所以选择SF6安装在罐体底部，是因为安装位置和测量结果有着密切的关系，经过大量试验表明罐体底部所测的SF6指标最接近真实指标，且温度传感器传回的温度值和罐体内的SF6温度最为接近。

通过在HGIS智能化开关的弹簧操作机构箱内(图2中2)安装位移传感器，对开关跳闸速度、合闸速度、跳闸时间、合闸时间以及开关的行程几项指标做监视，最终达到对开关机械特性进行监视的目的。通过在智能组件柜内安装穿心式电流传感器，从而做到对储能电机的启动电流、运行电流、运行时间；隔离刀闸电机的启动电流、运行电流、运行时间；接地刀闸电机的启动电流、运行电流、运行时间进行监视。之所以使用穿心式电流传感器，是因为所有被监测的电流回路都十分重要，如果因为引入电流监测功能而导致原来电流回路可靠性降低，则电流监测就失去了部分意义，假设出现因为电流传感器损坏而导致电流回路断开，反而会引起更大的灾难性后果。所以穿心式电流传感器不失为一种很好的方案，当电流传感器损坏的时候也不会影响开关原来的电流回路。

本发明中的开关在线监测装置和SF6传感器之间通过RS-485总线进行接口，这样一台开关在线监测装置可以和多个SF6传感器进行通信，即可以监测多个SF6气室；开关在线监测装置和位移传感器之间通过RS-422总线进行接口，一个位移传感器对应于开关在线监测的一个接收接口，位移传感器采用光增量编码调制传感器；开关在线监测和穿心式电流传感器之间为0～5V的模拟小信号，电流传感器采用霍尔原理的电流传感器，如图6所示。

开关在线监测设备也是基于TI公司的OMAP平台进行研发的。ARM用于运行Linux操作系统，并进行IEC61580相关方面的协议处理，以及进行开关在线监测装置的整体管理，报文事件记录，波形数据录波等；DSP用于处理实时性要求较高的事情，如储能电机、刀闸电机等的电流采样和计算，SF6相关指标计算，处理位移传感器上送来的信号等。由于开关在线监测装置和电流传感器、位移传感器、SF6之间采用电缆进行信号传送，基于电磁兼容性能方面的考虑，所以每种传感器过来的信号均进行隔离措施。模拟信号为了保证信号的线性响应特性，采用了线性光耦进行隔离；RS-422和RS-485数字信号则采用了磁耦合器件进行隔离。电流传感器信号经过光耦隔离后，由运放进行信号滤波放大，然后进入AD7689进行信号采样，AD7689为串行8通道采样芯片。由于一个开关间隔最多时需要监测多达20路的电流信号(3个储能电机电流，3个合圈电流，6个跳圈电流，4个隔刀电机电流，4个地刀电机电流)，所以需要3片AD7689进行信号采样。我们采用了FPGA定时触发AD7689进行数据采样并进行串口数据读取，然后DSP再采用并行口从FPGA读取采样值，这样可以大大提高DSP运行的效率。位移传感器采用光增量编码原理，输出为点对点RS-422信号(非总线方式)，接口模块将信号由差分信号转换为单端信号后隔离输出给FPGA，FPGA对信号进行滤波、计数累加、时间锁存等相关处理，DSP以4kHz的中断对FPGA进行位移传感器的数据访问及数据处理。SF6温度压力露点一体化传感器通过RS-485总线和开关在线监测装置进行数据交互(同样进行了磁隔离处理)，每个SF6传感器事先会设定不同的物理地址，以便开关在线监测装置进行区别。硬件实现框图如图7所示。

本发明中的HGIS智能化开关还具备计量功能，通过安装在智能组件柜中的数字式电能表实现计量功能(图2中8)。数字式电能表支持IEC61850-9-2协议，通过以太网光纤从智能控制器合并单元功能模块获取同步好的一次侧电流、电压数值用于计算。开关在线监测装置还包括三相相位传感器和穿心式电流传感器。图2中LA、LB、LC是接线端子。

本发明的HGIS智能化开关完全实现了对外接口的数字化，不再需要使用电缆对外接口，所有的对外接口均使用光纤以太网进行。对其他保护、测控跳合本智能化开关提供了GOOSE协议的光纤以太网口，对于其他保护测控以及电能表的一次侧采样值传输提供了满足IEC61850-9-2协议的光纤以太网口，对于监控后台则提供了满足MMS协议的光纤以太网口，如图8所示。原来和外部点对点拉电缆的工作也变为软逻辑配置，大大简化了现场安装、调试和运行维护的工作量；

HGIS智能化开关综合具备了组合式电子电流电压互感器功能、合并单元功能、保护功能、测控功能、智能操作箱功能、开关在线监测功能、计量功能，使传统意义上HGIS开关一次设备和二次设备部分完全融合在一起，形成一个不可分割的整体。智能控制器在整合合并单元功能、保护功能、测控功能、智能操作箱功能四个功能的同时还通过软逻辑简化了原来HGIS开关的二次控制硬件回路，减小了传统HGIS开关控制箱体体积的同时也节省了开关成本。考虑到HGIS智能开关的安全稳定运行，本发明还提出了设置物理独立的开关在线监测功能块，通过在开关本体安装相应的传感器对开关的绝缘特性、密封特性、机械特性、电流特性做实时监测实时评估，为运行人员提供制定开关检修方案的依据。数字化电能表解决了和电子式互感器接口的问题，由于采用数字化传输方式，传输过程中不会产生精度损失，保证了计量的准确性。HGIS智能化开关为了解决智能组件的户外运行问题，除控制柜外还安装了智能组件柜，解决了智能组件户外运行过程中对温度和湿度的要求；智能组件柜落地安装的方式解决了HGIS开关本体跳闸或者合闸时候所带来的巨大振动，为智能组件提供了一个安全稳定运行的环境。

Claims (6)

1.HGIS智能化开关，其特征是：在传统HGIS开关设备上安装智能组件柜和分相组合式电子电流互感器，分相组合式电子互感器是一次侧电流电压数字化输出端，智能组件柜中包括：智能控制器、开关在线监测装置和数字化电能表三部分；

所述智能控制器包括保护功能模块、测控功能模块、合并单元模块和操作箱模块，其中合并单元模块连接并接收分相组合式电子电流电压互感器一次侧的电流和电压信号，并进行各相电流和电压值的数据同步；保护功能模块通过接合并单元功能模块获取一次侧的电流和电压信号进行保护算法处理；测控功能模块通过合并单元功能模块获取一次侧的电流和电压信号进行数值运算；操作箱模块通过内部总线从保护和测控模块获取命令然后进行相关断路器和刀闸的控制，并通过开入插件获取断路器和刀闸的状态信息；

开关在线监测装置是物理独立的开关在线监测装置，包括安装的位移传感器、SF6微水压力温度传感器和电流传感器是对开关行程曲线、跳闸速度、合闸速度、跳闸时间、合闸时间、SF6微水指标、SF6压力指标、SF6密度指标、SF6温度指标、开关跳圈电流、开关合圈电流、开关储能电机电流、开关隔刀电机电流、开关地刀电机电流多项指标监视的传感器，并同智能控制器一起进行开关自我诊断；

物理独立的数字化电能表通过多模光纤和所述智能控制器的合并单元模块连接，从合并单元模块获取电压电流信号进行计量方面的相关运算；

分相组合式电子电流电压互感器安装于HGIS的开关和出线端绝缘子之间，将一次侧电流电压模拟信号使用远端模块转换为数字光信号，并使用IEC60044-8协议发送给合并单元模块进行数据同步。

2.如权利要求1所述的HGIS智能化开关，其特征是：智能组件柜和HGIS开关控制箱体通过电缆进线连接。

3.如权利要求1所述的HGIS智能化开关，其特征是：智能控制器包含保护功能、测控功能、合并单元功能、智能操作箱功能，是上面四中功能合一的独立物理装置。

4.如权利要求1所述的HGIS智能化开关，其特征是：开关在线监测装置通过RS-485总线和SF6传感器连接，通过RS-422接口和位移传感器连接，通过0～5V的模拟小信号接口和电流传感器连接。

5.如权利要求1或4所述的HGIS智能化开关，其特征是：将SF6传感器安装于HGIS开关罐体的底部。

6.如权利要求1所述的HGIS智能化开关，其特征是：采用分相组合式电子电流电压互感器，每相电子式互感器可以通过远端模块同时输出电流电压信号。

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