关键词：智能化开关柜；智能控制；在线监测；智能断路器
引言
建设智能电网时，智能变电站是其重要的支撑和基础。智能变电站是由一系列智能化、环保和可靠的电力设备组成。在变电站中具有数字化的电力数据信息、网络化的通信方式和通信平台以及标准化的信息共享机制。在信息技术逐渐显现出发展的优势的时代背景下，智能变电站是推动国家发展，促进电力领域进步的有效建设设施。实现更高的智能化变电站的措施中，发展智能化的中压开关柜是有效的措施之一。
1 传统中压开关柜
开关柜是电力系统中主要的电气设备之一，开关柜外部的电线首先进入中压开关柜内部的主控开关，然后经由主控开关在传送到其他开关。它的主要作用是连接与断开电力线路，它可以关闭电力系统中的故障线路和故障设备，是确保电力系统安全运行的有效措施之一。在时代的发展过程中，中压开关柜逐渐走向智能化。在智能化建设进程中，应将传统的中压开关柜与现代中压开关柜进行对比，找出智能化中压开关柜的发展方向，促进我国智能电网的发展。传统中压开关柜由避雷装置、二次设备、互感器、断路器以及隔离刀闸组成。这个系统在运行过程中采集电力系统的电压和电流数值，同时上传这些数据，当电力系统发生故障时，中压开关柜的继电保护动作，二次设备与断路器主要通过监控、保护信号和控制信号的传输来完成对电缆的监控与保护。断电信号一般由工作人员或保护装置进行信号控制的操作指令，断电器根据指令完成闭合闸口和分开闸口的操作。在这一系列的操作过程结束后，状态信号反馈给主体控制室。传统中压开关柜需要定期检修。检查设备是否发生了故障和是否存在故障隐患来维持电力系统的正常运行。但是在中压开关柜的检修过程中，常常需要大范围的停电，这种停电措施影响了用户正常用电。所以，传统中压开关柜在运行过程中逐渐显现出了一些不足，已经不能满足人们日益增长的电量使用需求。
2 智能中压开关柜
智能中压开关柜是在常规中压开关柜基础上，广泛应用监测技术、传感技术、数据传输与分析、智能控制和状态评估等先进技术，通过网络联系电力仪表、智能检测设备、新型智能化断路器、微机智能保护等设备，实现对功率、功率因数、电压、电流、频率、电能计量等电气参数以及断路器的分合闸状态、接地开关的分合状态、手车位置状态、柜内温度和湿度数据、温升、局放等运行状态进行实时监视、控制、诊断、处理、反馈的电力设备。
2.1 智能化开关柜的基本结构
本文介绍的智能化中压开关柜主要由开关柜智能电子组件IED 、工业级图像传感器、真空度传感器、无线温度传感器、环境温湿度传感器、带电指示器和加热除湿装置等几个部分组成。
2.2 智能电子组件（IED）
2.2.1屏幕显示
采用彩色显示屏，可实时显示开关柜的模拟运行状态，例如：模拟母线图、断路器动作状态、手车位置状态、接地开关动作位置状态、各种模拟量、开关量和数字量等。通过工业交换机可连接多路工业级图像传感器，用于断路器手车进出车位置状态、接地开关分合闸位置状态等关键可动部位的实时监控。
2.2.2 断路器状态监测
智能断路器安装有多种传感器，通过内置控制单元对传感器采集的数据进行实时监测、分析，如发现异常可及时处理。控制单元主要作用：①触头开距和位移曲线的测量 通过安装在断路器机构转轴上的光电式旋转编码器，测量操作机构动作过程中的角位移量进而间接得到真空灭弧室触头的位移数据。根据角位移量推算出位移曲线和触头开距等数据即可诊断断路器机械磨损、疲劳的状况。②分(合)闸时间测量 通过测量分(合)闸动作过程中辅助开关触点切换的时间差计算出平均分(合)闸速度，平均分(合)闸速度可以判断储能弹簧是否疲劳和蠕变。③触头温度检测 使用无线半导体测温传感器。此系统由高压侧发射端、低压侧接收端及上位机监控系统三部分组成。高压侧发射端电路安装在柜内一次静触头处进行温度数据的采集，由单片机控制的温度传感器对获取的温度数据测量及转换后，利用无线传输模块将数据发送至低压侧接收端；低压侧接收端通过 RS-232 总线与智能监测系统相连，由 MODBUS 通信协议的问答机制，根据智能监测系统的指令将相应的温度数据通过总线实时发送给智能监测系统进行进一步的操作。
2.2.3 温湿度监控报警及状态监测
通过433MHz无线频段与无线温度、湿度传感器相连接。根据需求设置多个传感器取样点，IED可实时获取并显示各取样点的温度值、温度曲线、湿度状态。IED可自行配置各取样点的温湿度报警阀值，还可通过聚类分析、模糊判断，预警柜内触头处、母线搭接处、环境温度报警信息。
2.2.4 通信及数据传递
基于IEC61850 通信标准，定义了统一、标准化信息和信息交换模型，可实现IED之间的互操作性和智能变电站站内信息的共享，使得智能化开关柜具有良好的扩展性，满足未来智能变电站自动化系统发展的需要。
2.2.5 环境监测与控制
使用2 路温湿度测量回路，一路控制风机的启停解决温升过高问题，另一路控制加热器启停解决湿度过高问题。同时引入电流与环温反馈联合控制的方式，可以更准确的反映开关柜的工作状态，达到精确控制的目的。
3 智能化中压开关柜构成原理
智能化中压开关柜由开关柜本体、智能电子组件IED、综保装置、各类传感器、执行机构和通信网络等组成，具体组成如图1所示。智能电子组（IED）采集包括智能断路器、图像传感器、温湿度传感器、真空度传感器、无线测温传感器等多种反馈信号，实现智能化开关柜运行中的在线状态监测过程。
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图1 智能化中压开关柜构成原理图
4 方案的不足与思考
4.1 断路器机械特性特征量的监测
间接测量法测量触头开距。先直接获取断路器机构转轴的角位移变化值，之后经计算间接得到的触头位移数据。此法适用于装配精密，可靠稳定性较高的机构上，若机构构件发生变形，此法将出现较大偏差。因为断路器刚分速度对灭弧性能影响较大，故速度曲线较平均速度而言更能准确描述断路器的机械特性。而想获得完整有效的速度曲线，就必须得到更为精确的分(合)闸位移测量数据，而目前普遍使用的传感器和单片机系统暂时还不易实现直接获取精确分(合)闸速度的数据。
4.2 无线测温方案
开关柜内部的高电压、大电流会产生强烈的电磁干扰，本方案采取对高压侧发射端（采样传感器）进行被动抗干扰措施。具体方法是用铜制作成环形屏蔽罩罩在采样传感器外部，使采样传感器与铜屏蔽罩等电位，保护采样传感器不被高压击穿。缺点是无法将采样传感器做的更加小巧。成本较高也是制约其使用的较大因素。
4.3 图像数据处理
在关键监测位置安装图像传感器，可实时监控开关柜运行时柜内的开关状态、手车位置等信息。开关柜内空间狭小，母线元件等交错干扰，照明灯覆盖存在死角，图像传感器得到观测图像不易识别，可增加关合及位置等标准标识点，以便通过比对特征点与图像传感器的相对位置来判断关合及位置是否到位，也可使用图像增强技术，使柜内成像清晰可辨。
5 结束语
综上所述，随着人们生活质量的提高，工业生产活动的加快，社会对电量的需求逐渐扩大。这给我国电网和电力系统的运行带来了进一步的挑战。传统的中压开关柜已经不能再满足时代的发展需要。由于我国信息化技术的发展，智能化的电力系统已经成为社会发展的必然趋势。所以应采取有效的措施进行智能化中压开关柜的建设。通过在中压开关柜上加装智能监控设施、温度传感器、湿度传感器和真空传感器，用数据和动态显示等方法实现中压开关柜的智能化建设，促进我国电力系统的发展。
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论文作者:陈元如
论文发表刊物:《中国电业》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/24
标签：开关柜论文; 中压论文; 断路器论文; 智能论文; 传感器论文; 状态论文; 变电站论文; 《中国电业》2020年第1期论文;