智能型開關柜及其關鍵技術-湖南工程學院學報2003.9
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智能型開關柜及其關鍵技術-湖南工程學院學報2003.9
技術論文，時間有點久了，《智能型開關柜及其關鍵技術-湖南工程學院學報2003.9》！
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第13卷第3期 沏 南 工 程 學 院 學 報 Vol.13 .N o.3
20 03年，月 Journalo fH unanI nstituteo fE ngineering S}p c.2003
智 能 型 開 關 柜 及 其 關 鍵 技 術
李永 堅 ‘，2 ， 周有 慶 ‘
(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙,410082;2 .湖南工程學院電氣與信息工程系，湖南 湘潭,411101)
摘 要:分析了智能型開關拒的內涵及其組成結構，探討了傳感技術、徽機處理技術、狀態(tài)監(jiān)測和故障
診斷技術、現(xiàn)場總線技術在高壓開關設備智能化中的作用，介紹了國內外當前在此領城內的研究成果，
展望了高壓開關柜的智能化發(fā)展趨勢與應用前景.
關鍵詞:開關拒;智能化;現(xiàn)場總線;組態(tài)軟件
中圖分類號:TM591 文獻標識碼:A 文章編號:1671一119X(2003)03一0022一03
(1) 開 關 作為供用電設備(如變壓器、電動機、
饋電線等等)的基本控制與保護電器，應能夠保障它
0 引 言
所控制、保護對象在任何工作狀態(tài)下都能可靠工作.
開關 電 器 在電力系統(tǒng)中起著控制和保護等重要 (2) 應 加 強對開關柜這一機、電、磁結合的裝置
作用.隨著電力系統(tǒng)自動化水平的不斷提高，要求開 自身工作狀態(tài)的監(jiān)測與控制(主要是指非電量的測
關電器與變電站綜合自動化、配電自動化的發(fā)展相 試)，提高其工作可靠性.
適應和配套.于是，自20世紀90年代以來，出現(xiàn)了 (3) 智 能 開關柜作為基本元件，它是電網(wǎng)運行
智能化開關電器，智能化開關電器是在傳統(tǒng)的開關 自動化、工廠自動化(FA)、過程控制自動化(PA),
設備中引人計算機技術、數(shù)字處理技術和網(wǎng)絡通信 智能大廈等等自動化系統(tǒng)的組成基礎(硬件平臺)，
技術而發(fā)展起來的新一代開關電器 智能化日漸成 它應保障上述系統(tǒng)的安全、可靠、經濟運行
為開關電器的一個重要發(fā)展方向.無論是高壓電器 在上 述 三 個方面都達到了最佳性能指標的開關
還是低壓電器，無論是電器元件還是成套開關設備， 柜才稱為“智能型開關柜”.鑒于開關柜本身、開關柜
都出現(xiàn)了智能化的發(fā)展趨勢.目前我國的開關電器 控制對象和開關柜組成的電力網(wǎng)三者具有物理過程
已經初步形成了智能型低壓斷路器、智能型接觸器、 的復雜性、不確定性和模糊性，難以有精確的數(shù)學模
智能型開關柜、智能型預裝式變電站等一系列產品， 型，所以智能型開關柜需要采用各種先進技術，通過
并在電力系統(tǒng)中得到了應用.開關柜是中、低壓開關 感知、學習、記憶和大范圍的自適應手段來進行有效
設備的主要工作形態(tài)之一，它是以開關為主體的成 的處理和控制，以使各方面都基本達到最佳性能指
套電器.常規(guī)的開關柜主要由斷路器、互感器、二次 標，
控制保護電路、計盤儀表、隔離開關等幾個主要部分
構成，而智能型開關柜則是一個不斷發(fā)展與變化的 2 智能型開關柜的組成結構
概念.它與計算機技術、數(shù)據(jù)技術、控制理論、傳感器
技術、通信技術、網(wǎng)絡技術和電力電子等技術的發(fā)展 智能 化 開 關柜應是高度集成化和數(shù)字化的設
密切相關，是集保護、控制、測量,PLC,RTU及通信 備，必須采用計算機技術作為數(shù)字化的核心技術;從
等多種功能于一體的高技術產品. 控制和保護功能上講，應具有一定的智能性，即能夠
使智能化開關根據(jù)開關的狀態(tài)和電網(wǎng)的運行模式，
自動選擇最佳模式進行控制與保護;從結構形式上
1 開關柜的智能化
講，開關柜設備應是充分模塊化和標準化的，因而智
能化開關柜不僅硬件要采用PLC、單片機等數(shù)字化
開關柜智能化應從以下三方面考慮:
收稿日期 2003-06一24
作者簡介 李永堅(1971-),男，碩士研究生，講師，研究方向 電氣工程及其自動化技術
萬方數(shù)據(jù)李永堅:智能型開關柜及其關鍵技術
第 3期
部，直接面向一次設備或設備組合，能完成各自對象
控制模塊，同樣軟件需要采用具有開放性、模塊化、
的繼電保護、實時電量監(jiān)控、狀態(tài)信息記錄及歷史記
實時性好的控制組態(tài)軟件.智能化開關柜的組成模
錄等功能;微機處理技術還可作為計算機分層網(wǎng)絡
塊如下圖所示:
的終端，具有多種可選的通用網(wǎng)絡接口，便于事故分
析和狀態(tài)監(jiān)視;形成微機防誤操作和安全保障系統(tǒng)，
適應變電站自動化的需要.
3.3 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術
電氣 設 備 的在線監(jiān)測和故障診斷是其智能化的
基本手段，起源于20世紀70年代.經過多年的發(fā)
展，現(xiàn)代高壓開關設備的監(jiān)測功能正 日趨完善，例
如:對電壓、電流、功率和功率因數(shù)、有功和無功電
能、電網(wǎng)頻率以及斷路器合歡分工作狀態(tài)等的檢測功
圖 1 智 能 型 開 關 柜 模 塊 示 意圖 能;對過電流、短路、不平衡運行、電機啟動、接地等
傳感 器 和 變送器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經PLC或單片 的保護功能等.這些功能依靠先進的通訊手段將各
機后變成數(shù)字信號，這些數(shù)字信號經過通信設備傳
單元聯(lián)系起來，實現(xiàn)變電站的集中微機監(jiān)控.
送到上位機.組態(tài)軟件接收到數(shù)據(jù)后作必要的計算
3.4 現(xiàn)場總線技術
和判斷，然后將數(shù)據(jù)反饋給PLC/單片機，由PLC/
現(xiàn)場 總 線 技術是控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技
單片機進行數(shù)據(jù)分配 它具備很多優(yōu)越性，如能在各
術從控制層發(fā)展到工藝設備現(xiàn)場的技術結果，是一
種惡劣環(huán)境下完成功能并可靠地工作;設備本身具 種互連現(xiàn)場自動化設備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通
有自動檢測功能，對設備內部的溫升、電磁輻射、機 信協(xié)議一 個現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以看成由數(shù)字通信設
構故障等信號進行采集和分析處理.這些優(yōu)點使得 備和監(jiān)控監(jiān)測設備組成的分布式系統(tǒng)，其控制單元
智能型開關柜構成了電網(wǎng)運行自動化、工廠自動化 全部分散到現(xiàn)場，控制回路由現(xiàn)場設備實現(xiàn)，同時又
和智能大廈等的基礎硬件平臺. 可以在控制室用數(shù)字通信的方式與控制單元進行操
作與調整.實際上現(xiàn)場總線就是一種計算機網(wǎng)絡，這
3 智能化中的新技術 個網(wǎng)絡上的每一個節(jié)點就是一個智能化設備 現(xiàn)場
總線具有開放性、互操作性〔兼容性)、高穩(wěn)定性和時
效性、通信介質多樣性等特點，因此現(xiàn)場總線作為連
3.1 現(xiàn)代傳感技術
以往 電 力 系統(tǒng)中作為測量和保護用的互感器普 接各智能型開關柜的通信網(wǎng)絡可較好的適應今后發(fā)
遍使用電磁式的，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)電壓的升高和 展的需要.這一應用將使原變電站、電廠控制系統(tǒng)的
容量的增長，某些復雜的繼電保護裝置不僅能反映 結構形式發(fā)生很大變化，系統(tǒng)趨向“扁平化”，控制室
短路電流的大小，還能反映相位和波形，甚至反映電 設備也大為減少.由于智能型開關設備本身就可完
流的突變率，因而使用傳統(tǒng)的電磁式互感器已不能 成開關柜運行控制的基本功能，因而利用現(xiàn)場總線
滿足目前高壓開關設備多功能的需要，這就對現(xiàn)代 即可構造一個全新的分布式計算機控制系統(tǒng)，它可
傳感器技術提出了更嚴格的要求.隨著現(xiàn)代光纖技 大大提高控制和保護的準確性，以及電力系統(tǒng)的可
術的發(fā)展，基于法拉第旋光效應的光電互感器和光 靠性，并且擴充性好，維護也方便.
電傳感器(OCT)相繼出現(xiàn)卜現(xiàn)在已投人使用的光學
電流互感器由于測量范圍寬、絕緣簡單可靠、無磁飽 4 國內外發(fā)展概況
和、無二次開路危險、抗電磁干擾能力強、體積小、重
量、安裝運輸方便、易于同微機保護接口等優(yōu)點，已 國外 對 智 能化開關柜開發(fā)較早.20世紀 80年
在高壓開關設備中得到應用. 代中期開關電器的開發(fā)即已初步進人智能型時代，
80年代后期出現(xiàn)了微機集中檢測與控制，可對饋電
3.2 微機處理技術
微 機 處 理技術的發(fā)展是實現(xiàn)智能化控制的前 主保護裝置進行遠距離操作，對各回路電壓、電流、
提，它是集測量、運算、決策、控制、保護及遙控于一 有功電量和無功電量、功率因數(shù)、頻率、變壓器溫度
體的綜合化智能體系，可以安裝于高壓開關設備內 等進行檢測，但技術水平仍停留在遙測、遙控上，缺
萬方數(shù)據(jù)湖南工程學院學報 2003年
少遙信、遙調功能. 爭力
20 03年，月 Journalo fH unanI nstituteo fE ngineering S}p c.2003
智 能 型 開 關 柜 及 其 關 鍵 技 術
李永 堅 ‘，2 ， 周有 慶 ‘
(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙,410082;2 .湖南工程學院電氣與信息工程系，湖南 湘潭,411101)
摘 要:分析了智能型開關拒的內涵及其組成結構，探討了傳感技術、徽機處理技術、狀態(tài)監(jiān)測和故障
診斷技術、現(xiàn)場總線技術在高壓開關設備智能化中的作用，介紹了國內外當前在此領城內的研究成果，
展望了高壓開關柜的智能化發(fā)展趨勢與應用前景.
關鍵詞:開關拒;智能化;現(xiàn)場總線;組態(tài)軟件
中圖分類號:TM591 文獻標識碼:A 文章編號:1671一119X(2003)03一0022一03
(1) 開 關 作為供用電設備(如變壓器、電動機、
饋電線等等)的基本控制與保護電器，應能夠保障它
0 引 言
所控制、保護對象在任何工作狀態(tài)下都能可靠工作.
開關 電 器 在電力系統(tǒng)中起著控制和保護等重要 (2) 應 加 強對開關柜這一機、電、磁結合的裝置
作用.隨著電力系統(tǒng)自動化水平的不斷提高，要求開 自身工作狀態(tài)的監(jiān)測與控制(主要是指非電量的測
關電器與變電站綜合自動化、配電自動化的發(fā)展相 試)，提高其工作可靠性.
適應和配套.于是，自20世紀90年代以來，出現(xiàn)了 (3) 智 能 開關柜作為基本元件，它是電網(wǎng)運行
智能化開關電器，智能化開關電器是在傳統(tǒng)的開關 自動化、工廠自動化(FA)、過程控制自動化(PA),
設備中引人計算機技術、數(shù)字處理技術和網(wǎng)絡通信 智能大廈等等自動化系統(tǒng)的組成基礎(硬件平臺)，
技術而發(fā)展起來的新一代開關電器 智能化日漸成 它應保障上述系統(tǒng)的安全、可靠、經濟運行
為開關電器的一個重要發(fā)展方向.無論是高壓電器 在上 述 三 個方面都達到了最佳性能指標的開關
還是低壓電器，無論是電器元件還是成套開關設備， 柜才稱為“智能型開關柜”.鑒于開關柜本身、開關柜
都出現(xiàn)了智能化的發(fā)展趨勢.目前我國的開關電器 控制對象和開關柜組成的電力網(wǎng)三者具有物理過程
已經初步形成了智能型低壓斷路器、智能型接觸器、 的復雜性、不確定性和模糊性，難以有精確的數(shù)學模
智能型開關柜、智能型預裝式變電站等一系列產品， 型，所以智能型開關柜需要采用各種先進技術，通過
并在電力系統(tǒng)中得到了應用.開關柜是中、低壓開關 感知、學習、記憶和大范圍的自適應手段來進行有效
設備的主要工作形態(tài)之一，它是以開關為主體的成 的處理和控制，以使各方面都基本達到最佳性能指
套電器.常規(guī)的開關柜主要由斷路器、互感器、二次 標，
控制保護電路、計盤儀表、隔離開關等幾個主要部分
構成，而智能型開關柜則是一個不斷發(fā)展與變化的 2 智能型開關柜的組成結構
概念.它與計算機技術、數(shù)據(jù)技術、控制理論、傳感器
技術、通信技術、網(wǎng)絡技術和電力電子等技術的發(fā)展 智能 化 開 關柜應是高度集成化和數(shù)字化的設
密切相關，是集保護、控制、測量,PLC,RTU及通信 備，必須采用計算機技術作為數(shù)字化的核心技術;從
等多種功能于一體的高技術產品. 控制和保護功能上講，應具有一定的智能性，即能夠
使智能化開關根據(jù)開關的狀態(tài)和電網(wǎng)的運行模式，
自動選擇最佳模式進行控制與保護;從結構形式上
1 開關柜的智能化
講，開關柜設備應是充分模塊化和標準化的，因而智
能化開關柜不僅硬件要采用PLC、單片機等數(shù)字化
開關柜智能化應從以下三方面考慮:
收稿日期 2003-06一24
作者簡介 李永堅(1971-),男，碩士研究生，講師，研究方向 電氣工程及其自動化技術
萬方數(shù)據(jù)李永堅:智能型開關柜及其關鍵技術
第 3期
部，直接面向一次設備或設備組合，能完成各自對象
控制模塊，同樣軟件需要采用具有開放性、模塊化、
的繼電保護、實時電量監(jiān)控、狀態(tài)信息記錄及歷史記
實時性好的控制組態(tài)軟件.智能化開關柜的組成模
錄等功能;微機處理技術還可作為計算機分層網(wǎng)絡
塊如下圖所示:
的終端，具有多種可選的通用網(wǎng)絡接口，便于事故分
析和狀態(tài)監(jiān)視;形成微機防誤操作和安全保障系統(tǒng)，
適應變電站自動化的需要.
3.3 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術
電氣 設 備 的在線監(jiān)測和故障診斷是其智能化的
基本手段，起源于20世紀70年代.經過多年的發(fā)
展，現(xiàn)代高壓開關設備的監(jiān)測功能正 日趨完善，例
如:對電壓、電流、功率和功率因數(shù)、有功和無功電
能、電網(wǎng)頻率以及斷路器合歡分工作狀態(tài)等的檢測功
圖 1 智 能 型 開 關 柜 模 塊 示 意圖 能;對過電流、短路、不平衡運行、電機啟動、接地等
傳感 器 和 變送器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經PLC或單片 的保護功能等.這些功能依靠先進的通訊手段將各
機后變成數(shù)字信號，這些數(shù)字信號經過通信設備傳
單元聯(lián)系起來，實現(xiàn)變電站的集中微機監(jiān)控.
送到上位機.組態(tài)軟件接收到數(shù)據(jù)后作必要的計算
3.4 現(xiàn)場總線技術
和判斷，然后將數(shù)據(jù)反饋給PLC/單片機，由PLC/
現(xiàn)場 總 線 技術是控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技
單片機進行數(shù)據(jù)分配 它具備很多優(yōu)越性，如能在各
術從控制層發(fā)展到工藝設備現(xiàn)場的技術結果，是一
種惡劣環(huán)境下完成功能并可靠地工作;設備本身具 種互連現(xiàn)場自動化設備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通
有自動檢測功能，對設備內部的溫升、電磁輻射、機 信協(xié)議一 個現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以看成由數(shù)字通信設
構故障等信號進行采集和分析處理.這些優(yōu)點使得 備和監(jiān)控監(jiān)測設備組成的分布式系統(tǒng)，其控制單元
智能型開關柜構成了電網(wǎng)運行自動化、工廠自動化 全部分散到現(xiàn)場，控制回路由現(xiàn)場設備實現(xiàn)，同時又
和智能大廈等的基礎硬件平臺. 可以在控制室用數(shù)字通信的方式與控制單元進行操
作與調整.實際上現(xiàn)場總線就是一種計算機網(wǎng)絡，這
3 智能化中的新技術 個網(wǎng)絡上的每一個節(jié)點就是一個智能化設備 現(xiàn)場
總線具有開放性、互操作性〔兼容性)、高穩(wěn)定性和時
效性、通信介質多樣性等特點，因此現(xiàn)場總線作為連
3.1 現(xiàn)代傳感技術
以往 電 力 系統(tǒng)中作為測量和保護用的互感器普 接各智能型開關柜的通信網(wǎng)絡可較好的適應今后發(fā)
遍使用電磁式的，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)電壓的升高和 展的需要.這一應用將使原變電站、電廠控制系統(tǒng)的
容量的增長，某些復雜的繼電保護裝置不僅能反映 結構形式發(fā)生很大變化，系統(tǒng)趨向“扁平化”，控制室
短路電流的大小，還能反映相位和波形，甚至反映電 設備也大為減少.由于智能型開關設備本身就可完
流的突變率，因而使用傳統(tǒng)的電磁式互感器已不能 成開關柜運行控制的基本功能，因而利用現(xiàn)場總線
滿足目前高壓開關設備多功能的需要，這就對現(xiàn)代 即可構造一個全新的分布式計算機控制系統(tǒng)，它可
傳感器技術提出了更嚴格的要求.隨著現(xiàn)代光纖技 大大提高控制和保護的準確性，以及電力系統(tǒng)的可
術的發(fā)展，基于法拉第旋光效應的光電互感器和光 靠性，并且擴充性好，維護也方便.
電傳感器(OCT)相繼出現(xiàn)卜現(xiàn)在已投人使用的光學
電流互感器由于測量范圍寬、絕緣簡單可靠、無磁飽 4 國內外發(fā)展概況
和、無二次開路危險、抗電磁干擾能力強、體積小、重
量、安裝運輸方便、易于同微機保護接口等優(yōu)點，已 國外 對 智 能化開關柜開發(fā)較早.20世紀 80年
在高壓開關設備中得到應用. 代中期開關電器的開發(fā)即已初步進人智能型時代，
80年代后期出現(xiàn)了微機集中檢測與控制，可對饋電
3.2 微機處理技術
微 機 處 理技術的發(fā)展是實現(xiàn)智能化控制的前 主保護裝置進行遠距離操作，對各回路電壓、電流、
提，它是集測量、運算、決策、控制、保護及遙控于一 有功電量和無功電量、功率因數(shù)、頻率、變壓器溫度
體的綜合化智能體系，可以安裝于高壓開關設備內 等進行檢測，但技術水平仍停留在遙測、遙控上，缺
萬方數(shù)據(jù)湖南工程學院學報 2003年
少遙信、遙調功能. 爭力
