0 kV高压开关设备综合自动化监控系统研制

0 引言

随着国民经济的迅速发展，我国电力工业也得到了快速的发展，不仅表现为用电量大为增加，而且对变电站中10 kV高压开关设备的智能性、可靠性和安全性要求也越来越高。由于传统变电站中高压开关设备的日常运行、操作、维护基本上依靠电气工人根据诸如高压操作票等规章制度和自身的经验进行，容易受到电气工人责任心、知识结构、技术水平等因素的影响，同时人工巡检模式也缺乏对高压开关设备故障预判的前瞻性。因此，传统变电站中10 kV高压开关设备运维模式已经很难满足当今社会发展的需要[1]。

针对上述情况，为了提高10 kV高压开关设备可靠性，降低误操作、减轻电气工人劳动强度、降低人力成本及增强开关设备故障预判性，必须革新传统的高压开关设备运维模式，使其向智能性、高可靠性、高安全性及少人无人干预的模式发展。因此，研制10 kV高压开关设备综合自动化监控系统具有非常重要的现实意义[2]。

本文以某10 kV变电站改造工程为背景，结合工程中高压开关设备的工作流程和控制要求，介绍所研制的10 kV高压开关设备综合自动化监控系统技术特点。

1 10 kV高压开关设备组成和工作流程

1.1 10 kV高压开关设备的组成

10 kV高压开关设备主要由1台高压进线柜、1台高压计量柜、1台高压 PT柜(电压互感器柜)、7台高压出线柜、1台直流屏控制柜、1台直流屏电池柜及相关配套控制设备组成。这些设备主要完成10 kV变电站高压供配电系统回路通断、计量、保护等功能[3]。

(1) 高压进线柜：由壳体、真空断路器、氧化锌避雷器、电流互感器、综合保护装置、带电显示器等组成。该柜子主要接收校外某110 kV变电站送来的10 kV电压，具有通断、保护、控制、调节等功能。

(2) 高压计量柜：由壳体、高压隔离开关、高压熔断器、电流互感器、电压互感器、带电显示器等组成。该柜子主要功能是从高压侧计量，并与负控终端和计量小盘将所用电数量(kWh)远程传送给供电企业，用于进行电量结算。

(3) 高压PT柜：由壳体、高压熔断器、氧化锌避雷器、电压互感器、带电显示器等组成。该柜子主要完成各种电压显示，提供测量表计的电压回路、继电保护系统需要的信号等。

(4) 高压出线柜：由壳体、真空断路器、氧化锌避雷器、电压互感器、带电显示器等组成。该柜子主要完成给各个变压器高压侧供电及整条电气线路过流、接地故障跳闸保护等功能。

(5) 直流屏控制柜及电池柜：由整流模块、监控模块、电池及配套电器元件组成。该柜子(2面)主要完成为高压柜的操作提供直流电源，直流电压等级为DC110 V。

(6) 相关配套设备：主要包括负荷控制终端、计量小盘等小型配电箱，这些设备配合各个高压柜完成整个高压供配电过程。

1.2 10 kV高压开关设备工作流程和原理

校外110 kV变电站将10 kV电压送至高压进线柜；其次经过计量柜，对用户所用电的数量进行计量；然后进入 PT柜，将各种电压信号供给继电保护系统；最后分别进入7个高压出线柜。配电工艺过程如图1所示。

图1 10 kV高压开关设备一次主接线图
Fig. 1 Primary wiring diagram of 10 kV high voltage switchgear

1.3 监控技术要求

这些年以来由于高压开关设备内关键电气元件温升、本身机械零件磨损或电气工人操作失误等原因发生跳闸甚至人身伤亡事故不在少数，这就大大降低10 kV供配电系统可靠性和安全性[4]。

因此，高压开关设备中各个电气元件温度、真空断路器状态、真空断路器手车及接地开关电机驱动系统状态参数成为10 kV高压开关设备最关键的3类工艺参数，它们的检测精度和反应速度直接影响整个10 kV高压开关设备日常运行和管理[5]。现将这3类工艺参数介绍如下。

(1) 电气元件温度：真空断路器上下触臂梅花触指温度、主母线和分支母线搭接面温度、高压电缆头搭接处温度及开关设备仪表室的环境温度。

(2) 真空断路器状态参数：真空断路器储能电机的储能电压、电流，合/分闸线圈电压、电流。

(3) 真空断路器手车及接地开关电机驱动系统状态参数：真空断路器手车位置(实验、工作)信号、手车摇入摇出电机驱动信号、手车驱动电机故障信号、接地开关分合状态信号、接地开关驱动电机合分闸信号、接地开关驱动电机故障信号。

2 10 kV高压开关设备综合自动监控系统组成和硬件实现

2.1 控制系统组成

10 kV高压开关设备控制系统采用ABB嵌入式工控机(COM600)作为上位机，ABB智能监控单元MDC4、ABB电力综合保护装置(REF615)作为下位机；该系统上位机与综保装置(REF615)通过网线采用IEC61850中的GOOSE通信协议连接，与ABB智能监控单元(MDC4)下位设备通过 RS485总线(Modbus协议)进行数据传输，构成一种典型的小型 DCS(集散控制系统)，控制系统组成原理如图 2所示[6-15]。

图2 控制系统组成原理图
Fig. 2 Organization principle of control system

2.2 系统硬件实现

(1) 上位监控设备：选择瑞士ABB公司嵌入式工业控制计算机 COM600，该工控机配置酷睿i5-4590T(主频 2.6 G)的 CPU，8GB DDR3内存，128 G工业级SSD硬盘，带有4个RS-232C标准通信接口、2个LAN接口及4个USB接口。该设备可以方便地与下位机通信，实现了数据采集与监控。上位监控人机界面选择26英寸SAMSUNG液晶显示器。

(2) 下位监控设备：选用瑞士ABB公司综保装置(REF615)和智能监控单元(MDC4)作为下位设备。该综保装置基于 IEC61850标准设计和研发，专为民用配电和工业配电系统的馈线提供理想的保护、控制、测量和监视功能，能很好满足10 kV高压开关设备综合自动化监控系统需要。高压进线柜的综保装置完成进线柜电压、电流、零序电流检测及过流、速断、接地保护等功能。7个高压出线柜综保装置分别完成7面出线柜电压、电流、零序电流检测及过流、速断、接地保护等功能。同时，通过挂接在网络上第三方设备(直流屏、计量电表)完成这些设备工艺参数(如：直流屏电压、电流及计量电表有功、无功电度等)检测功能。

(3) 程序控制：作为下位监控设备，智能监控单元(MDC4)是一款集实时监视高压开关设备内关键点的运行温度、监测真空断路器控制回路状态参数及控制和保护电机驱动系统为一体的智能监测控制单元。其包括3个子功能系统：温升(TRM)在线监测系统、真空断路器(ICM)状态参数监测系统和真空断路器手车电机驱动控制系统(MTS)、接地开关电机驱动控制系统(MES)。这 3个子系统中工艺参数检测精度和反应速度直接影响整个变电站中10 kV高压开关设备可靠性和安全性[16]。下面就这3个子系统功能做一简要介绍。

1) 温升在线监测系统：由温度传感器、自供电CT、采样+无线通信模块和智能监控单元MDC4组成。无论是断路器触臂部分还是母排、电缆搭接处的测温点，在每一个点上都有独立的自供电 CT。自供电CT通过一次导体的电流在其自身感应出二次电流供给无线通信模块，这样使无线通信模块摆脱了对外部辅助电源的依赖。同时，采用无线射频识别技术(RFID)，把每个测温点实际温度通过无线网络传输给智能监控单元MDC4，这样就做到高压侧测温传感器与接收单元完全隔离，无需任何额外的布线，大大提高了高压开关设备安全性[18]。

2) 真空断路器状态参数监测系统：由非介入式霍尔传感器和智能监控单元MDC4组成。通过对真空断路器合分闸线圈、储能电机回路的电压电流进行测量得到其波形，配合该回路电压电流波形的正常范围进行工作状态判断，一旦超出该范围，系统向上位监控设备报警，尽可能地提前预防部件失效的发生，提高断路器工作可靠性。

3) 真空断路器手车、接地开关电机驱动控制系统由驱动电机和智能监控单元MDC4组成，配合上位监控设备COM600、综保装置REF615可以就地、远程实现高压开关设备一键式或全站程序化操作，如断路器可以远程进行自动分合闸操作、断路器手车在工作位置和实验位置之间自动行走、接地开关自动地进行合分闸操作。同时，安装在断路器室内的高清摄像头可以实时监视断路器手车与接地开关动作的全过程。这样以来，就可以大大简化 10 kV高压开关设备操作步骤，提高操作效率，并有效防止误操作的发生，保证操作工人人身安全。

3 系统控制软件设计

3.1 控制程序设计

控制主程序采用 COM600专用的配置工具软件SAB600(Station Automation Builder 600)在独立的PC机上用SCL编程，完成后下载到COM600中即可。控制程序由1个主程序和5个子程序组成[17-18]。

控制主程序包括初始化程序和控制程序。初始化程序完成了系统的初始化和故障诊断与连锁保护，在设备出现故障时进行声光报警。控制程序完成高压开关设备工艺参数检测、高压开关设备内关键电气元件温升检测、真空断路器状态参数检测、真空断路器手车和接地开关驱动电机参数检测控制，分别调用相应的控制子程序。

3.2 控制子程序设计

控制子程序包括以下几种。

(1) 工艺参数检测控制子程序：该子程序完成1面进线柜和7面出线柜电压、电流、零序电流等工艺参数检测及过流、速断、接地保护等功能。

(2) 高压开关设备内关键电气元件温升监测控制子程序：该子程序主要完成高压开关设备中真空断路器上下触臂温度(6个点)、主母排和分支母排搭接处温度(3个点)、电缆搭接处(3个点)温度检测及超温报警功能。

(3) 真空断路器状态参数监测子程序：该子程序主要完成真空断路器合分闸线圈、储能电机回路的电压、电流检测功能。同时，把其测得参数与标准值进行对比，如果发现测量值与标准值差别较大，提前发出预警信息提示操作人员要对其进行更换。

(4) 真空断路器手车、接地开关电机驱动控制系统子程序：该子程序主要完成真空断路器手车、接地开关电机驱动相关参数检测功能，如手车实验位置信号、工作位置信号、电机运动信号，接地开关合分闸位置信号、合分闸动作信号。

(5) 高压开关设备智能操控子程序：该子程序主要完成真空断路器合分闸、手车摇入摇出、接地开关合分闸自动化操作功能。该子程序主要分为两个具体命令组：自动分闸和自动合闸命令组。具体程序控制流程图(以自动分闸为例)如图3所示。

图3 高压开关柜智能操控程序流程图
Fig. 3 Flow chart of intelligent control program for high voltage switchgear

3.3 上位监控软件开发

上位机监控画面采用ABB SAB600在Windows XP professional系统上进行开发，监控系统软件运行画面分为用户管理界面、工况图画面、数据趋势曲线画面、历史报表画面、报警画面等。监控系统软件组成结构如图4所示[19-20]。

图4 系统软件模块结构图
Fig. 4 Module structure of software system

该监控软件主要实现功能：工况图对10 kV高压开关设备的工作状况进行实时监控， 按照工况实时显示各主要工艺参数，如高压开关设备的三相电压、三相电流、零序电流、真空断路器触臂温度、母排搭接面、电缆搭接处等，同时还可以反映出各个辅助设备(如直流屏、计量电表)运行状况；数据趋势画面可以对反映各个工艺参数运行趋势的情况进行查看，可以查看实时趋势和历史趋势；历史报表画面可以查看所有工艺参数历史报表，并对生成记录数据进行存储和打印；报警画面可以对各工艺参数超限需要报警的变量进行报警并记录。系统在运行过程中各工艺参数如果出现异常情况，计算机监控系统控制柜上的红色报警灯闪动并且发出声音，同时嵌入式工控机的监视主画面上会出现故障提示，系统自动停止动作。此时操作人员必须对报警进行确认，根据监控画面上显示的故障提示，进行检修。嵌入式工控机自动对各个工艺参数的故障记录并存盘，系统硬盘可以存储半年以上的数据，供用户实时和历史打印。

4 运行效果分析

该工程于 2017年下半年完成系统调试工作交付使用以来，实际运行表明，该系统性能优越，运行良好，具有较高的智能性、可靠性和安全性，实现了 10 kV变电站内高压开关设备全过程优化控制，提高了高压开关设备自动化和运行管理水平，消除了安全隐患，确保了整个10 kV变电站的平稳、安全、高效运行。高压开关设备综合自动化系统工况图如图5所示。

图5 综合自动化监控系统工况图
Fig. 5 Working condition diagram of integrated automation supervisory system

5 结论

该系统设计满足10 kV高压开关设备的工艺和控制要求，控制精度高，保护动作响应快，实现了供配电网络的全过程优化控制，对改善变电站10 kV高压开关设备运行和管理水平、提高工作效率效果显著，具有一定的应用推广价值。