基于手車式高壓開關(guān)柜的手車智能控制技術(shù)研究

摘

要：針對(duì)現(xiàn)有的各類高壓開關(guān)柜手車無法很好地滿足新能源電站“無人值班，少人值守”的要求，開發(fā)一種手車智能控制技術(shù)。傳統(tǒng)的手車式高壓開關(guān)柜，操作人員操作斷路器手車和接地刀閘時(shí)，由于無電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，只能就地手動(dòng)操作，若操作人員違反五防要求，導(dǎo)致誤操作，則有可能危及人身、設(shè)備安全。某公司通過在傳統(tǒng)的手車式高壓開關(guān)柜斷路器手車底盤和接地刀閘處增設(shè)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器手車和接地刀閘的遠(yuǎn)程電動(dòng)操作，并增加電動(dòng)操作的五防閉鎖。該改進(jìn)提高了手車式高壓開關(guān)柜操作的安全系數(shù)，保證了人身、設(shè)備安全，節(jié)省了操作工時(shí)和管理成本。關(guān)鍵詞：高壓手車開關(guān)；電動(dòng)；開關(guān)柜；底盤車；地刀；五防閉鎖；智能控制0

引言隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，開關(guān)設(shè)備智能化在國外和國內(nèi)實(shí)際上已經(jīng)歷了多年研究，并且在智能變電站或新能源集控中心有了一些應(yīng)用。在傳統(tǒng)的手車式高壓開關(guān)柜斷路器手車底盤和接地開關(guān)處增設(shè)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過電氣二次系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，用以驅(qū)動(dòng)小車的搖入、搖出和接地開關(guān)的分合閘操作。增加的電驅(qū)動(dòng)部分模塊化嵌入小車底盤和接地開關(guān)，不改變?cè)虚_關(guān)柜的結(jié)構(gòu)和功能，所以不會(huì)對(duì)原開關(guān)柜的電氣性能和機(jī)械性能造成影響。不打亂重構(gòu)原有開關(guān)柜的五防閉鎖，而是在原有開關(guān)柜完善的機(jī)械五防閉鎖機(jī)構(gòu)之外，再設(shè)計(jì)一套電氣閉鎖系統(tǒng)，兩套五防既可共存又可獨(dú)立起作用，相互不產(chǎn)生干涉，大大提高了高壓設(shè)備操作的安全性。一方面，電動(dòng)操作和手動(dòng)操作共存，二者各自都可以獨(dú)立操作，并實(shí)現(xiàn)自由切換，提高了操作的可靠性、靈活性。另一方面，兩種操作互鎖，確保在同一時(shí)間只能使用一種操作模式，從而確保了操作的安全性。1

項(xiàng)目意義目前，新能源電站設(shè)備分布廣，作業(yè)點(diǎn)分散，安全管理人員數(shù)量少，無法對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安全可靠的監(jiān)管，不能及時(shí)規(guī)避相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，并且存在一定的安全管理漏洞和風(fēng)險(xiǎn)。為進(jìn)一步推廣集中監(jiān)控管理與電站定期巡檢的模式，并有效提高電站運(yùn)維效率，電站自動(dòng)化控制程度需要進(jìn)一步提高?；诖?，提出了高壓開關(guān)柜手車智能控制技術(shù)，該項(xiàng)控制技術(shù)有效提高了電站的自動(dòng)化程度，同時(shí)也減少了運(yùn)維值班人員巡檢的工作量，降低了電站運(yùn)維人員在操作開關(guān)柜分合閘過程中人身觸電的風(fēng)險(xiǎn)。2

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)功能及實(shí)施原理2.1

實(shí)現(xiàn)的功能（1）接地開關(guān)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，緩慢、平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)合閘/分閘操作。（2）手動(dòng)和電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)間具有離合裝置，使電動(dòng)和手動(dòng)操作相互獨(dú)立。（3）電動(dòng)操作控制單元可遠(yuǎn)程和本地控制接地開關(guān)合閘/分閘，具有電動(dòng)操作電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)和故障報(bào)警功能，當(dāng)搖進(jìn)/搖出操作過程中出現(xiàn)阻滯時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警，并及時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，防止繼續(xù)進(jìn)行操作，損壞相關(guān)機(jī)械閉鎖[2]。（4）電動(dòng)操作控制單元可通過位置輔助裝置來監(jiān)控合閘/分閘情況，避免高壓拉弧對(duì)設(shè)備造成損壞，因?yàn)楹祥l與分閘過程中未完全完成合閘或分閘動(dòng)作的斷路器在通電或斷電瞬間會(huì)出現(xiàn)高壓拉弧現(xiàn)象。（5）控制單元具有步進(jìn)電機(jī)制動(dòng)功能，以防止電動(dòng)操作到位后電機(jī)因堵轉(zhuǎn)損壞。（6）接地開關(guān)本體帶位置信號(hào)輔助節(jié)點(diǎn)，并具備完整的五防聯(lián)鎖功能。2.2

斷路器電動(dòng)底盤車電動(dòng)底盤車的步進(jìn)電機(jī)和絲桿的連接采用齒輪嚙合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)搖進(jìn)/搖出操作。如圖1所示，底盤車可分別進(jìn)行手動(dòng)和電動(dòng)操作，手動(dòng)和電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)間具有螺母式離合裝置，可在手動(dòng)操作過程中的任何位置進(jìn)行脫離，離合后可以使電動(dòng)操作與手動(dòng)操作相互獨(dú)立。電動(dòng)操作控制單元可通過遠(yuǎn)程控制來對(duì)底盤車進(jìn)行搖進(jìn)/搖出操作，同時(shí)電動(dòng)操作模式下具有電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)和故障報(bào)警功能，在電動(dòng)模式下，搖進(jìn)/搖出操作過程中出現(xiàn)阻滯時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，并及時(shí)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，防止搖進(jìn)/搖出操作繼續(xù)進(jìn)行，損壞相關(guān)機(jī)械閉鎖。控制單元具有電機(jī)制動(dòng)功能，以防止電動(dòng)搖進(jìn)/搖出操作完成后步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)工作，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)損壞。同時(shí)，底盤車本體帶位置信號(hào)輔助節(jié)點(diǎn)來確定搖進(jìn)/搖出操作是否完成并反饋分合閘情況到遠(yuǎn)程控制終端（人機(jī)交互端），具備完整的五防聯(lián)鎖功能。2.3

電動(dòng)接地開關(guān)電動(dòng)操作主要針對(duì)JN15、JN17系列帶關(guān)合能力的線路側(cè)接地開關(guān)。如圖2所示，結(jié)構(gòu)上在手動(dòng)操作的接地開關(guān)框架中加裝電驅(qū)動(dòng)裝置及傳動(dòng)模塊，配合操作控制單元（或和電動(dòng)斷路器控制器合成為二合一控制單元），實(shí)現(xiàn)接地開關(guān)的電動(dòng)操作。2.4

新增步進(jìn)電機(jī)及電動(dòng)控制裝置工作原理通過新增的AC/DC電源模塊給遠(yuǎn)程電動(dòng)控制裝置提供所需直流電，遠(yuǎn)程控制裝置內(nèi)部由電源管理單元、步進(jìn)電機(jī)控制單元、分合閘檢測(cè)單元、中央處理單元、堵轉(zhuǎn)檢測(cè)單元、無線通信單元等構(gòu)成。其中，電源管理單元負(fù)責(zé)將外部AC/DC電源模塊提供的直流電轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程控制裝置內(nèi)部其他各單元所需的不同電壓等級(jí)；步進(jìn)電機(jī)控制單元用于接收中央處理單元傳遞過來的控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)外部的步進(jìn)電機(jī)；分合閘檢測(cè)單元用來檢測(cè)分閘/合閘的狀態(tài)，將分合閘狀態(tài)信息傳遞給中央處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；中央處理單元將從無線通信單元獲得的控制命令，配合分合閘檢測(cè)單元傳遞過來的分合閘狀態(tài)信息進(jìn)行處理，將處理完的信息傳遞給步進(jìn)電機(jī)控制單元來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成分合閘動(dòng)作；堵轉(zhuǎn)檢測(cè)單元負(fù)責(zé)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中是否遇到阻滯情況，一旦遇到阻滯則傳遞信息給中央處理單元，中央處理單元接收到阻滯信號(hào)后立即發(fā)出停止運(yùn)行的信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制單元，使步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行；無線通信單元與遠(yuǎn)程控制終端進(jìn)行無線通信，將從遠(yuǎn)程控制終端獲得的控制命令數(shù)據(jù)傳遞給中央控制單元進(jìn)行處理并執(zhí)行，與此同時(shí)，將從中央處理單元傳遞過來的分合閘狀態(tài)信息反饋到遠(yuǎn)程控制終端。3

項(xiàng)目實(shí)施過程3.1

斷路器底盤車改造傳統(tǒng)手車式高壓斷路器小車的底盤是機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該機(jī)械結(jié)構(gòu)中不具備電動(dòng)搖進(jìn)/搖出機(jī)構(gòu)，無法對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控或電動(dòng)操作，該項(xiàng)控制技術(shù)是通過在傳統(tǒng)手車式高壓斷路器小車的底盤安裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程控制裝置，同時(shí)改造斷路器的二次接線，安裝電動(dòng)底盤車控制器，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高壓手車式開關(guān)的遠(yuǎn)程操控及本地的電動(dòng)操作。3.2

接地開關(guān)改造傳統(tǒng)手車式高壓開關(guān)柜的接地開關(guān)是機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖4所示，該機(jī)械結(jié)構(gòu)中不具備電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)控制裝置，無法對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控或本地電動(dòng)操作，該項(xiàng)控制技術(shù)是通過在傳統(tǒng)手車式高壓開關(guān)柜的接地開關(guān)處安裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)增加電動(dòng)地刀控制器、相關(guān)二次線回路及遠(yuǎn)程控制裝置，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手車式高壓開關(guān)柜的接地開關(guān)遠(yuǎn)程操控或電動(dòng)操作。3.3

遠(yuǎn)程電動(dòng)控制增加部分的硬件連接遠(yuǎn)程控制裝置的電源接口外接AC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)輸出接口外接兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，用來驅(qū)動(dòng)底盤車與接地刀，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電動(dòng)控制；遠(yuǎn)程控制裝置的分合閘檢測(cè)接口分別接入兩路合閘與兩路分閘位置輔助信號(hào)，用于檢測(cè)底盤車與接地刀的分閘與合閘情況；遠(yuǎn)程控制裝置的外部天線接口外接GPRS天線，用于無線電信號(hào)傳輸（注意天線不能放置在金屬箱或金屬籠中，以免信號(hào)被屏蔽，影響遠(yuǎn)程無線通信）。4

具體實(shí)現(xiàn)過程描述控制終端下發(fā)底盤車合閘命令，底盤車遠(yuǎn)程控制裝置接口的無線通信單元接收控制終端下發(fā)的控制命令，將數(shù)據(jù)傳遞給中央控制單元進(jìn)行處理，同時(shí)中央處理單元對(duì)位置輔助裝置傳遞的底盤車位置信息進(jìn)行處理，然后輸出控制信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)控制單元控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪與軸承傳動(dòng)，底盤車實(shí)現(xiàn)搖進(jìn)操作。當(dāng)?shù)妆P車運(yùn)行到“即將合閘”位置檢測(cè)處，位置輔助裝置輸出信號(hào)傳遞到遠(yuǎn)程控制裝置的分合閘檢測(cè)單元，將輸出信號(hào)傳遞到中央處理單元進(jìn)行處理，中央處理單元輸出減速信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制單元對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行減速處理，進(jìn)而使底盤車緩慢運(yùn)行，直到中央處理單元接收到位置輔助裝置輸出的合閘信號(hào)后輸出停止信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制單元，控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)將完成搖進(jìn)操作的狀態(tài)信息通過通信單元傳遞給控制終端，整個(gè)搖進(jìn)任務(wù)完成?？刂平K端下發(fā)底盤車分閘命令，底盤車遠(yuǎn)程控制裝置接口的無線通信單元接收控制終端下發(fā)的控制命令，將數(shù)據(jù)傳遞給中央控制單元進(jìn)行處理，同時(shí)中央處理單元對(duì)位置輔助裝置傳遞的底盤車位置信息進(jìn)行處理，然后輸出控制信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)控制單元控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪與軸承傳動(dòng)，底盤車實(shí)現(xiàn)搖出操作。當(dāng)?shù)妆P車運(yùn)行到“即將分閘”位置檢測(cè)處，位置輔助裝置輸出信號(hào)傳遞到遠(yuǎn)程控制裝置的分合閘檢測(cè)單元，將輸出信號(hào)傳遞到中央處理單元進(jìn)行處理，中央處理單元輸出減速信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制單元對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行減速處理，進(jìn)而使底盤車緩慢運(yùn)行，直到中央處理單元接收到位置輔助裝置輸出的分閘信號(hào)后輸出停止信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制單元，控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)將完成搖出操作的狀態(tài)信息通過通信單元傳遞給控制終端，整個(gè)搖出任務(wù)完成。在底盤車搖進(jìn)/搖出操作過程中，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)阻滯時(shí)，遠(yuǎn)程控制裝置中堵轉(zhuǎn)檢測(cè)單元檢測(cè)到步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)后，中央處理單元輸出停止信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制單元來控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)將故障信號(hào)通過無線通信單元上報(bào)給控制終端進(jìn)行故障報(bào)警，并將控制模式切換為手動(dòng)控制模式。5

創(chuàng)新點(diǎn)（1）整體開關(guān)柜結(jié)構(gòu)沒有變動(dòng)，增加的電驅(qū)動(dòng)功能部分是以模塊化形式嵌入底盤車和接地開關(guān)，不改變?cè)虚_關(guān)柜結(jié)構(gòu)和功能，即不會(huì)對(duì)原開關(guān)柜的電氣性能和機(jī)械性能造成影響。（2）本次改進(jìn)不會(huì)打亂重構(gòu)原有開關(guān)柜的五防閉鎖功能，而是在原有開關(guān)柜完善的機(jī)械五防閉鎖機(jī)構(gòu)之外，再新增設(shè)計(jì)一套電氣閉鎖系統(tǒng)，機(jī)械五防與電氣五防這兩套五防既可共存又可獨(dú)立起作用，相互不產(chǎn)生干涉，大大提高了產(chǎn)品操作的安全性。（3）電動(dòng)操作模式與手動(dòng)操作模式共存，二者各自都可以獨(dú)立操作，并實(shí)現(xiàn)自由切換，提高了設(shè)備操作的靈活性。另一方面，兩種操作模式互鎖，確保同一時(shí)間內(nèi)只能使用一種操作模式，確保了操作人員在操作過程中的安全性。（4）具備運(yùn)行狀態(tài)及分/合閘狀態(tài)檢測(cè)功能，通過無線通信將運(yùn)行狀態(tài)信息反饋到管理終端，管理人員可以很容易地知道分/合閘情況。（5）遠(yuǎn)程控制合閘/分閘，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備集中管理，大大提高了運(yùn)維效率。6

安全經(jīng)濟(jì)效益6.1

管理收益可以從根源上有效監(jiān)控從設(shè)備到整個(gè)配電房的高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)，制定切實(shí)可行的運(yùn)維策略，形成標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)維管理流程和配單流程；同時(shí)，利用運(yùn)行管理軟件平臺(tái)和配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)柜集中“三遙”功能?？蓪?shí)現(xiàn)多個(gè)配電房集中管理與控制，且不受地理位置的限制。6.2

經(jīng)濟(jì)收益遠(yuǎn)程電動(dòng)控制裝置的加入，有效節(jié)約了在巡檢路途中所耗費(fèi)的人力及物力，可實(shí)現(xiàn)從事后檢修到事前預(yù)防的轉(zhuǎn)變，降低因故障引起的經(jīng)濟(jì)損失。通