智能化開關(guān)柜的基本組成與基本功能探討

方徐俊

摘 要：本文通過探討智能化開關(guān)柜基本組成與基本功能，以期配電設(shè)備智能化水平可以有所提高。

關(guān)鍵詞：智能化開關(guān)柜；基本組成；基本功能

中圖分類號：TM591 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及傳感技術(shù)是構(gòu)成智能化開關(guān)柜的主要技術(shù)形式，伴隨信息技術(shù)的發(fā)展將得到不斷地完善，并在智能大廈、過程控制自動化、工廠自動化以及電網(wǎng)運(yùn)行自動化中，作為組成基礎(chǔ)性元件繼續(xù)發(fā)揮重要作用。為了使當(dāng)今供電自動化系統(tǒng)得到更好的發(fā)展，對智能開關(guān)柜的基本組成與基本功能進(jìn)行探討顯得尤為重要。

一、智能化開關(guān)設(shè)備的發(fā)展

智能化控制單元功能發(fā)展主要有4點(diǎn)：一是智能化開關(guān)設(shè)備具有自診斷功能。智能化開關(guān)設(shè)備中若出現(xiàn)溫度超標(biāo)、分?jǐn)啻螖?shù)較為頻繁的情況時，則會出發(fā)智能系統(tǒng)內(nèi)自動報警功能，并在一定故障影響下停止運(yùn)行，從而避免出現(xiàn)因系統(tǒng)故障而造成電廠安全事故。然而，當(dāng)今智能化低壓開關(guān)設(shè)備普遍較貴，已超出一般電廠經(jīng)營負(fù)荷范圍，因此大多數(shù)供電企業(yè)均使用功能模塊進(jìn)行供電自動化系統(tǒng)建設(shè)，其中“監(jiān)控負(fù)載”是應(yīng)用較多的模塊功能。這種將智能化整體功能進(jìn)行細(xì)分后生產(chǎn)加工程模塊功能的方式，有效縮減了應(yīng)用成本，并符合系統(tǒng)針對性應(yīng)用需求；二是智能化開關(guān)設(shè)備具有故障記憶功能。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障后，如斷路器出現(xiàn)反復(fù)分?jǐn)喙收?，這時智能化開關(guān)設(shè)備將會記住斷路器分?jǐn)酄顟B(tài)，有利于技術(shù)人員對故障進(jìn)行檢修；三是智能化開關(guān)設(shè)備具有控制負(fù)載功能。控制負(fù)載功能是指當(dāng)出現(xiàn)整定值無法滿足系統(tǒng)內(nèi)電流運(yùn)行量時，則會激活智能化開關(guān)設(shè)備反時限屬性，從而避免系統(tǒng)出現(xiàn)安全隱患；四是智能化開關(guān)設(shè)備具有監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的功能。由于智能化開關(guān)設(shè)備具有24小時、全天候運(yùn)行的特點(diǎn)，因此無論何時，只要系統(tǒng)內(nèi)部存在運(yùn)行故障，智能系統(tǒng)就會靈敏捕捉并迅速做出警示。

二、智能化開關(guān)柜的特點(diǎn)

第一，智能化開關(guān)柜系統(tǒng)特點(diǎn)。智能化開關(guān)柜是運(yùn)用現(xiàn)代傳感器、計算機(jī)技術(shù)等智能化手段，通過在常規(guī)開關(guān)柜上建設(shè)具有控制以及保護(hù)功能的智能單元，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)通信、顯示、計量、保護(hù)、測量、控制、記錄以及開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)等情況進(jìn)行實(shí)時反饋，并通過數(shù)據(jù)等系統(tǒng)內(nèi)客觀反應(yīng)，進(jìn)行在線監(jiān)視以及故障診斷的智能化開關(guān)柜。由此可見，智能化開關(guān)柜不僅具有全面性、整體性、深入性等分析研究功能，而且可通過相關(guān)數(shù)據(jù)資料的分析進(jìn)行自診，在提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益的同時，為系統(tǒng)運(yùn)行撐開了一把“保護(hù)傘”。

第二，智能化開關(guān)柜的通信特點(diǎn)。將變電站綜合自耦動畫系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)以及變電站監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)形式，通過計算機(jī)與相關(guān)智能化開關(guān)柜保護(hù)、控制智能單元進(jìn)行高效連接。通過對智能化開關(guān)柜在供電自動化系統(tǒng)內(nèi)部的合理應(yīng)用，可構(gòu)成具有網(wǎng)絡(luò)化、分布式特點(diǎn)的智能配電系統(tǒng)。

第三，智能開關(guān)柜具有動態(tài)發(fā)展特點(diǎn)。隨著時間的推移，我國的科學(xué)技術(shù)將得到不斷地發(fā)展與完善，對于智能化開關(guān)柜亦是如此，一定會伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與信息技術(shù)水平的提升，突破當(dāng)前發(fā)展中存在的困境，尤其是在“在線監(jiān)測傳感器技術(shù)”領(lǐng)域，將得到更好的發(fā)展與完善，而已經(jīng)代替常規(guī)二次設(shè)備的開關(guān)柜二次功能微機(jī)化，也會在現(xiàn)有應(yīng)用水平基礎(chǔ)上朝著智能化發(fā)展方向不斷前行。

三、智能化開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)

利用以微處理器作為智能化核心的保護(hù)以及控制職能單元，也稱為分布式自動裝置的智能化開關(guān)柜，加之應(yīng)用管理系統(tǒng)軟件開關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)常規(guī)二次設(shè)備被計算機(jī)全面取代，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)二次回路繼續(xù)應(yīng)用于電廠自動化系統(tǒng)內(nèi)，已成為當(dāng)今社會智能化開關(guān)柜的主要結(jié)構(gòu)形式。這種智能化開關(guān)柜結(jié)構(gòu)形式具有容易維護(hù)、可靠性強(qiáng)、功能全等優(yōu)勢，又因具有通信接口，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)在無人監(jiān)管情況下，落實(shí)24小時、全天候的綜合自動化運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)前智能化開關(guān)柜結(jié)構(gòu)主要系統(tǒng)構(gòu)成是以控制以及保護(hù)智能單元為計算機(jī)核心，并通過開關(guān)量輸出通道、開關(guān)量輸入通道、脈沖量輸入通道、模擬量輸入通道、液晶顯示屏幕、電源、操作間以及通信接口等內(nèi)容構(gòu)成，可見其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、全面性、智能化等特點(diǎn)。

（一）模擬量輸入通道

智能化開關(guān)柜模擬量輸入通道連接，是通過與電壓互感器TV（0V～100V）、一次電流互感器TA（0A～5A）進(jìn)行直接連通，并運(yùn)用TV、TA值相對較小、且強(qiáng)電電流控制在5A以下的電流電壓變換器從而達(dá)到建立模擬量輸入通道目的。其中，采樣保持器、低通濾波器可高效通過0A～5A電壓信號、4mA～20mA電流信號，而這兩個可能會通過的電壓信號，是由小TA與TV經(jīng)由0V～100V電壓轉(zhuǎn)化而來。而送入A/D轉(zhuǎn)換器的相關(guān)信息，則是通過低采樣保持器、通濾波器而進(jìn)行的。為了使模擬量輸入通道可以發(fā)揮積極作用，系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)由交流采樣技術(shù)整理而來模擬量，應(yīng)通過電流出相角、幅值及頻率以及電壓，計算出在模擬量輸入通道內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)部P、Q與派生算出的功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。

（二）開關(guān)量輸入通道

合理應(yīng)用抗干擾技術(shù)如光電隔離等技術(shù)形式，可有效對開關(guān)柜斷路器運(yùn)行過程中信號狀態(tài)、操作封閉鎖信號、操作機(jī)構(gòu)存儲能力以及開關(guān)柜各種位置信號等發(fā)面，實(shí)行實(shí)時監(jiān)控，促使開關(guān)量輸入通道可發(fā)揮積極作用。

（三）脈沖量輸入通道

在電源失電信號、控制回路斷線操作等功能發(fā)生后，可利用合閘操作、光電隔離技術(shù)進(jìn)行高效落實(shí)，從而控制電源失電信號發(fā)出。

（四）開關(guān)量輸出通道

四、智能化開關(guān)柜的基本功能

第一，具有測量基本功能。針對電網(wǎng)電壓、電流、有功功率、功率因素、電網(wǎng)頻率以及無功功率、有功電度以及無功電度等方面進(jìn)行測量；

第二，具有一定的保護(hù)能力。對過電流、過電壓、低電壓、接地、不平衡電壓、線路保護(hù)速斷、重合閘、低頻以及不平衡電流實(shí)行保護(hù)。

五、智能化開關(guān)柜的設(shè)計方案

針對硬件系統(tǒng)的設(shè)計方案。利用8～16為單CPU進(jìn)行運(yùn)算，并利用外擴(kuò)RAM 6264確保對大量數(shù)據(jù)的保護(hù)與計算，而對信息進(jìn)行定制保護(hù)、信息控制等工作則應(yīng)通過E2PROM 2817A進(jìn)行存儲，促使硬件系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線控制或遠(yuǎn)程調(diào)整。此外，模擬量輸入通道可通過中間變換器來實(shí)現(xiàn)隔離變化、電壓之間聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電系統(tǒng)與智能單元在隔離情況下，達(dá)到電壓互感器、電流互感器的轉(zhuǎn)換（詳情見表1）。

由于開關(guān)量輸入含有兩類：一是用以檢測設(shè)備工作狀態(tài)是開還是合的繼電器界第三狀態(tài)、斷路器等開關(guān)元件輔助觸點(diǎn)；二是存在于智能單元內(nèi)的接點(diǎn)狀態(tài)，如裝置面板上的切換開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)量輸出回路繼電器接點(diǎn)，因此要結(jié)合接點(diǎn)性質(zhì)進(jìn)行方案優(yōu)化，促使信號出口與斷路器跳閘出口信號均得到優(yōu)化。

由于當(dāng)前通信接口電路過于繁雜，因此應(yīng)通過在系統(tǒng)與智能電器間構(gòu)建兩條形式最為簡單的信號線，將二者進(jìn)行連接。其中，標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口上的4個引腳，即請求發(fā)送信號RTS、數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTR、串行輸出TXD以及串行輸入RXD，是構(gòu)成系統(tǒng)機(jī)（PC機(jī)）唯一可用方式。RS-232/RS-485是出去單片機(jī)外構(gòu)成系統(tǒng)與PC機(jī)連通的主要結(jié)構(gòu)。其中，RS-485電平是基于單片輸出的1TL邏輯電平，在光電隔離基礎(chǔ)上且經(jīng)由MAX485芯片轉(zhuǎn)化而來，并經(jīng)光電隔離接口（RS-232/RS-485）轉(zhuǎn)化成RS-232電平而輸入。

結(jié)語

總之，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，我國智能化開關(guān)柜結(jié)構(gòu)與功能將得到發(fā)展與完善，并在當(dāng)前發(fā)展基礎(chǔ)上達(dá)到一體化布局配套水準(zhǔn)，為包括供電自動化在內(nèi)的企業(yè)智能化發(fā)展奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱海成.智能化開關(guān)柜的構(gòu)成與功能探究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（4）：1548-1549.endprint