模塊化結構智能斷路器IED的設計

1、模塊化結構智能斷路器IED的設計西安森源開關技術研究所有限公司 陳建平 胡占強 蘇曉東 摘要：根據國家電網對智能高壓電力設備,應具有測量數字化、控制網絡化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化的要求。設計了一種滿足上述要求,根據各個功能要求的模塊化的智能開關控制器(IED),敘述了各個功能模塊的技術要求,以及整體控制的產品設計。關鍵詞：智能斷路器 、機械特性、保護計量、接點測溫、真空度監(jiān)測、開關狀態(tài)。一、 引言智能化電器是指能自動適應電網、環(huán)境及控制要求的變化,始終處于最佳運行工況的電器。由于電力系統(tǒng)及電力設備其物理過程的復雜性、不確定性和模糊性,難以有精確的數學描述,所以應采用計算機技術,通過

2、感知、學習、記憶和大范圍的自適應等手段,及時適應環(huán)境和任務的變化,以有效的處理和控制,使電器設備和電力系統(tǒng)達到其最佳的性能指標。智能化電器包含三個層次:智能化電器元件、智能化開關柜和智能化供配電系統(tǒng)。智能化開關設備由一次開關電器元件和智能監(jiān)控單元組成。智能控制單元不僅可替代原有開關設備二次系統(tǒng)的測量、保護和控制功能,還應能記錄設備各種運行狀態(tài)的歷史數據、各種數據的現場顯示,并通過數字通信網絡向系統(tǒng)控制中心傳送各類現場參數,接收系統(tǒng)控制中心的遠方操作和管理。此外,開關設備的一次開關電器為智能電器元件時,也可由控制中心直接進行遠方的智能控制。智能化開關,其“智能化”應包含幾部分:二次系統(tǒng)智能化:二

3、次系統(tǒng)包括:保護、測量、控制、操作、防誤閉鎖、通訊、遠動、信息處理等功能模塊集成于一體,實現開關二次系統(tǒng)智能化功能。10KV開關二次系統(tǒng)智能化主要有:保護: 10KV線路速斷、過流保護、單相接地及重合閘等微機保護單元測量: 對開關所連接線路進行高速交流采樣,并計算U、I、P、Q、COS、有功電度、無功電度、故障電流檢測與識別控制: 開關的分閘與合閘,閘刀及電容器組的控制通訊: 對內各功能模塊的通訊,對外與上位機計算機通訊遠動: 實現遙信、遙測、遙控、遙調四遙功能,及通訊規(guī)約的轉換和信息傳送信息處理: 統(tǒng)計、計算、報警、諧波分析、故障診斷、定位、隔離及重構等各種信息分析處理技術一次開關本體的在線

4、監(jiān)測智能化· 開關智能化操作,提高開關通斷特性。通過智能化檢測單元,實現開關主觸頭電壓過零關合和電流過零分閘。提高開關的壽命和性能,改善電網電能質量。· 開關機械特性在線監(jiān)測和故障預測,開關觸頭的行程、運動速度曲線、溫升、彈簧機構工作狀態(tài)等參數的在線監(jiān)測,重要參數的變化趨勢分析,可以實現開關故障預測,制定合理開關檢修策略,提高開關動作可靠性,安全性,延長開關壽命具有積極意義。· 真空開關真空度監(jiān)測· 開關動作在線監(jiān)測,開關分/合閘次數,開關切斷電流水平· 開關接點溫度的在線監(jiān)測開關智能化的幾個關鍵技術問題 · 高速高性能微處理器的使用

5、,由于采樣的數據越來越多,以及同步開關功能的實現,要求微處理器的速度很高,有些必須要采用多處理器并行工作模式才能夠完成實時處理的要求· 一次與二次系統(tǒng)協調開發(fā),通常二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)是由不同廠家生產,隨著技術的發(fā)展,越來越多的電力企業(yè)要求一次設備開關和二次系統(tǒng)統(tǒng)一起來,從整體出發(fā),實現10KV一次設備開關智能化,從而簡化系統(tǒng)內部接線,降低成本,縮小體積,節(jié)省占地面積,節(jié)省電纜,減少現場安裝調試工作量,降低系統(tǒng)運行成本· 新型傳感器技術的應用,開關的智能化與傳感器技術分不開,要提高智能化開關的可靠性、檢測精度,需要采用新型的傳感器,光電傳感器、在線位移傳感器、角度傳感器、光纖

6、溫度傳感器、及檢測真空度的傳感技術。尤其是開關本體的在線監(jiān)測,傳感技術成為制約該領域發(fā)展的主要因素二、產品說明本產品的智能開關控制器(IED)目前以彈操機構VS1斷路器為設計對象(VSM永磁機構主要含有操作控制器,做為下一輪設計的對象)。所監(jiān)測的對象和操作的對象主要有以下幾部分:開關機械特性測量開關狀態(tài)顯示及溫濕度控制開關的10KV線路保護開關的觸頭及母線測溫開關真空度測量開關電力參數測量產品總體拓撲圖如下總體方案為一個主控制器(主IED);各個功能采用模塊(分IED)插板方式。一、 主控制器(主IED):·LCD顯示器：240X128圖形點陣 ·高性能中央處理器：Micr

7、ochip dsPIC30F6010A嵌入式處理器·大容量存貯器：存儲LCD字庫及整定數據·鍵盤：功能鍵（確認、取消、）方向鍵（、）·開關的狀態(tài)顯示及語音提示·高壓室、電纜室的溫濕度控制·三相帶電顯示·雙路通訊模塊·電源轉換模塊1、 面板布置示意圖2、LCD顯示器LCD采用240×128點陣式圖文液晶顯示器,顯示特點為全中文菜單結構,可顯示各種功能菜單,并可顯示各種測量數據、參數等。3、LED指示燈(1)A、B、C指示燈三相帶電LED指示燈,當三相帶電時點亮,顏色為紅色。(2)閉鎖、解鎖指示燈當三相帶電時,閉鎖指示

8、紅燈點亮; 當三相同時不帶電時，閉鎖解除指示綠燈亮。(3)A路加熱、B路加熱指示燈當控制器進行加熱時,加熱指示紅燈點亮。(4) A路加熱斷線、A路加熱斷線斷線報警指示燈控制器檢測到加熱器斷線時, 斷線報警指示紅燈點亮。(5)分閘斷線、合閘斷線報警指示燈控制器檢測到分閘回路或合閘回路斷線時, 斷線報警指示紅燈點亮。(6)真空度報警指示燈控制器檢測到真空度超標時,報警指示紅燈點亮。4、智能防誤語音提示功能當斷路器位于試驗位置與工作位置之間時，此時斷路器處于合閘位置時，有“請分斷路器”的語音提示。當斷路器位于試驗位置與工作位置之間或處于工作位置時，如果接地刀誤被強制合閘，有“請分接地開關”的語音提示

9、。當上面兩條誤操作同時出現時，有“請分斷路器，請分接地開關”的語音提示。5、LCD背光保護功能當3分鐘內沒有按鍵響應, LCD背光自動關閉,當有任意按鍵按下背光開啟。6、通訊功能各個功能模板與前面板通過RS485(自定義規(guī)約)來聯絡。主控制板與后臺電力自動化系統(tǒng)通過標準規(guī)約(MODBUS規(guī)約、101規(guī)約、IEC61850規(guī)約)進行通訊。7、接口端子包括:三相帶電顯示輸入。斷路器合位、斷路器分位、斷路器試驗位置、斷路器工作位置、接地位置、儲能位置。加熱器A路輸出、加熱器B路輸出、排風A路輸出。A路溫濕度傳感器、B路溫濕度傳感器。觸頭報警輸出、超溫報警輸出。RS485接口。后面板交直流電源。后面板

10、加熱器交流電源。二、開關機械特性測量模塊(分IED)1. 主要部件·高性能中央處理器：Microchip dsPIC30F6015嵌入式處理器·大容量存貯器：存儲位移數據及整定數據·旋轉式角位移傳感器·RS485通訊接口2.基本功能:儀器主要測量的開關參數:分閘數據1. 開距2. 相序3. 超程4. 分閘反彈5. 剛分速度6. 分閘速度7. 分閘同期性8. 分閘時間 9. 觸頭磨損(二次測量的開距之差) 10.分閘線圈電流 合閘數據1. 相序2. A相彈跳3. B相彈跳4. C相彈跳5. 全行程6. 合閘速度7. 合閘同期性8. 合閘時間9. 合閘線圈電

11、流測試的參數及測試的數據通過RS485由前面板設定及顯示。裝置記錄或輸入斷路器正常狀態(tài)下的分閘、合閘包絡線，斷路器傳動機構出現卡澀、斷裂、松動等問題，其機械運動曲線會發(fā)生改變；當變化超出設定的包絡線，則給出檢修預警信號。3.接口端子包括:三相觸頭信號A路傳感器信號輸入的分合閘按鈕信號輸出的分合閘信號三、開關的10KV線路保護模塊(分IED)1. 主要部件·高性能中央處理器：Microchip dsPIC30F4011嵌入式處理器·大容量存貯器：存儲事件記錄及整定數據·高精度電流互感器·RS485通訊接口2.基本功能:速斷保護當檢測到A相或C相的電流值等于

12、或大于設定的速斷保護定值后，立刻進行保護分閘。速斷定值整定范圍為:速斷保護電流定值可整定范圍099.99A(二次值)定時過流保護當檢測到A相或C相的電流值等于或大于設定的定時過流保護定值后，在設定的定時過流時限內如果持續(xù)則進行保護分閘。定時過流定值整定范圍為:定時過流保護電流定值可整定范圍099.99A(二次值)，時限范圍：0999.9秒反時限過流保護反時限保護按照JB7570典型的安秒特性曲線(Time-Current Curves)進行保護，包括一條快速TCC和五條慢速TCC。延時分閘保護根據用戶的選擇符合五條慢速曲線中的一條；動作電流用戶可整定，慢速TCC可根據用戶需求加以選擇?？刂破鞣?/p>

13、時限保護分閘的故障通流時間t與所整定的保護分閘電流值及故障電流值之間的關系由以下算式確定： 上式中Ie表示用戶所整定的保護分閘電流值；Ia表示故障電流值；K有5個取值（見下表1）分別對應圖1中自上而下的5條慢速曲線。圖1 典型時間-電流特性曲線當故障電流值Ia恰好等于所整定的保護分閘電流值Ie時，由上式可知其故障通流時間t=K，此時用戶整定了K值即指定了保護分閘的延時時間。表1 不同K值對應不同保護分閘電流值的典型延時時間K值2512631.51倍電流延時時間（s）2512631.52倍電流延時時間（s）6.131.50.750.385倍電流延時時間（s）10.480.240.120.0610

14、倍電流延時時間（s）0.250.120.060.03反時限速率定值(K值)整定范圍為:1.5秒、3.0秒、6.0秒、12秒、25秒 即對應5條反時限特性曲線。重合閘?？刂破髦睾祥l次數可在03次整定，時間可由用戶根據開關本體性能整定，當發(fā)生過流時，控制器即可進入重合閘操作，額定操作順序為：分-t1-合分-t2-合分-t2-合分(t1,t2時間由用戶自行設定)，t1:0.0 秒999.9秒；t2: 0.0秒999.9秒。保護的定值設定數據通過RS485由前面板設定及顯示。3.接口端子包括:A相、C相電流輸入信號輸出的保護分閘信號四、開關的觸頭測溫(分IED)觸頭在線測溫具有以下特性:絕緣隔離性溫度

15、采集模塊與溫度接收模塊采用無線傳輸的方式進行數據交換,避免有線連接高壓端傳入低壓端的危險高性能的溫度傳感器采用進口的高精度數字式溫度傳感器,測溫設備固定在觸臂上,十分接近發(fā)熱點,能快速準確地反映觸頭溫度的變化無需電池供電傳感器部分的數據處理與發(fā)射、接收電路均采用線圈感應供電,手車柜只需大于10A電流即可供電,避免了電池容易失電無法長期工作的問題采用國際先進的無線傳輸技術解決了信號互相干擾問題和有線連接的布線困難,讀數準確,可靠性高配備環(huán)境溫度傳感器溫度和溫升二種模式可選,滿足不同用戶需求1.主要部件·溫度采集及發(fā)射模塊CT信息處理模塊發(fā)射模塊電源溫度傳感器溫度采集模塊示意圖·

16、;溫度接收模塊信息處理模塊RS485接口接收模塊報警輸出溫度接收模塊示意圖2.技術指標:溫度傳感器的測量范圍 -55125,精度±0.5采用先進的zigbee無線技術和適合工業(yè)用的RS485總線超溫報警輸出 220VAC/5A(無源輸出節(jié)點)五、開關真空度測量(分IED)主要部件·高性能中央處理器：Microchip dsPIC30F2010嵌入式處理器·大容量存貯器：存儲事件記錄及整定數據·RS485通訊接口·帶真空度傳感器的滅弧室設計原理采用在真空滅弧室上內置真空傳感器，該真空傳感器與真空滅弧室內部相通，使用過程中將真空滅弧室管內真空壓力信

17、號轉換為離子流信號。在線真空監(jiān)測器捕捉運行狀態(tài)下的離子流信號，經處理、分析后，顯示實時的真空度狀態(tài)，當真空滅弧室真空度下降或泄漏到一定程度時，分別進行預警或報警六、開關電力參數測量(分IED)主要部件·高性能中央處理器：Microchip dsPIC30F5015嵌入式處理器·電力參數計量芯片·大容量存貯器：存儲事件記錄及整定數據·高精度電流、電壓互感器·RS485通訊接口2.基本功能:支持三相三線制和三相四線制，具有三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、三相視在功率、功率因數、系統(tǒng)頻率、三相有功電度、三相無功電度參數的測量和計量。系統(tǒng)技術指標：1 準確度、顯示位數及模式參數位數顯示（最大）準確度電壓VX59.9.9.9.9.V/kV0.2%電流I Xx59.9.9.9.9.A/kA0.2%有功功率P59.9.9.9.9.W/kW/MW/GW0.5%無功功率Q59.9.9.9.9.var/kvar/Mvar/Gvar0.5%視在功率S59.9.9.9.9.VA/kVA/MVA/GVA0.5%功率因數PF51.00000.