一种面向智能电网的智能开关柜及运行与控制方法

摘要

本发明公开了一种面向智能电网的智能开关柜及运行与控制方法，所述开关柜包括智能开关柜监控单元、温湿度检测单元、智能测控单元、机械特性在线监测单元、绝缘在线监测单元、视频监视单元、柜内环境控制单元、人机界面单元、站控层监控系统、系统电源单元、网络通信单元和载波通信单元。所述方法如下：智能开关柜监控单元对一次设备的监测与控制，对开关柜内温湿度的检测和调节，人机界面单元对参数的就地显示与就地调节，对智能电网的智能设备通信，对柜内一次设备的视频信息的显示，网络通信单元对上级监控系统的通信。本发明具有智能操控、机械特性在线监测、绝缘在线监测、视频监视和稳定、快速及可靠的通信。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压智能开关柜及运行与控制方法，特别适于智能电网对智能变电、智能配电和智能调度的要求。

背景技术

随着智能电网概念的提出和逐步推广，与其相关智能设备的研发也提上了日程。智能开关柜作为智能电站的一个重要组成部分，除具有传统开关柜的基本功能外，还要增加智能操控功能、机械特性在线监测功能、绝缘在线监测功能和稳定、快速及可靠的通信功能，以适应智能电网要求的新功能。

申请号为“200810043514.X”名称为“高压智能监控系统”和申请号为“200820060597.9”名称为“高压智能监控装置”所公开的高压监控系统中所述及的智能开关柜，虽然强调了其较强的通信功能，但是不具备以智能操控为目的的动态显示及闭锁功能和以开关设备自身检测为目的开关柜环境监控、开关设备机械特性在线监测、一次设备绝缘在线监测功能和视频监视功能，因此，在开关设备自身状态不明的情况下提供的数据会使智能电网可靠安全性能大打折扣。

发明内容

为了实现智能电网中对智能开关柜的要求，本发明提出一种具有自身状态监控功能的智能开关柜及运行与控制方法，在实现常规开关柜的测控功能的基础上，附加了一次设备状态评估、检修报告功能和视频监视功能，并且增加了一次设备状态参数上传功能，按智能电网的过程层、间隔层与站控层的三层模式进行设计。

一种面向智能电网的智能开关柜，其特征在于包括智能开关柜监控单元、温湿度检测单元、智能测控单元、机械特性在线监测单元、绝缘在线监测单元、视频监视单元、一次设备、柜内环境控制单元、人机界面单元、站控层监控系统、系统电源单元、网络通信单元和载波通信单元，其中一次设备的输出端分别与温湿度检测单元、机械特性在线监测单元、绝缘在线监测单元和视频监视单元的输入端连接，一次设备同时与智能测控单元和载波通信单元双向通信，温湿度检测单元、机械特性在线监测单元和绝缘在线监测单元的输出端分别与智能开关柜监控单元的输入端相连，柜内环境控制单元的输入端和智能开关柜监控单元的输出端相连，智能测控单元、人机界面单元和站控层监控系统分别与智能开关柜监控单元双向通信，视频监视单元的输出端和人机界面单元的输入端相连，载波通信单元与人机界面单元双向通信，站控层监控系统与网络通信单元双向通信，系统电源单元向智能开关柜监控单元、温湿度检测单元、智能测控单元、机械特性在线监测单元、绝缘在线监测单元、视频监视单元、一次设备、柜内环境控制单元、人机界面单元、站控层监控系统、系统电源单元和载波通信单元提供电源。

所述智能测控单元包括电压信号调理模块、电流信号调理模块、模拟脱扣电路和分合闸模块，其中电压信号调理模块、电流信号调理模块的输入端分别接一次设备的输出端，分合闸模块与一次设备双向通信，电流信号调理模块的一个输出端串接模拟脱扣电路后接分合闸模块的输入端，电流信号调理模块的另一个输出端和电压信号调理模块的输出端分别接智能开关柜监控单元的输入端，分合闸模块与智能开关柜监控单元双向通信。

一种面向智能电网的智能开关柜的运行方法如下：

智能开关柜监控单元，用于实现对采集来的主回路电量信息、开关柜内一次设备绝缘信息、开关设备机械特性信息、开关柜环境信息及智能测控单元传送的开关设备开关量信息进行进一步信息处理以及实现对负载的保护、对开关柜的漏电保护和将相关信息上传至站控层监控系统；将站控层监控系统）传送来的开关柜状态信息及检修报告信息转发至人机界面单元并产生必要的开关设备动作信息及阈值修正；用于对从人机界面单元传送来的设定参数进行配置；用于对开关柜的控制部分、柜内环境控制单元进行符合闭锁要求的开关量控制；用于对人机界面单元和站控层监控系统按指定协议进行信息通信；

温湿度检测单元，用于对必要的一次设备接线端子和开关柜内部进行温度检测，对开关柜内部进行湿度检测；

智能测控单元，用于对开关柜内主回路的电压、电流信号进行检测和预处理，并将检测信号送至智能开关柜监控单元和本单元内的模拟脱扣电路，必要时模拟脱扣电路产生分闸信号作用于本单元的分合闸模块，对开关设备发出分闸操作命令，对开关柜内开关设备的分、合闸回路控制信号进行输出，对开关设备发出分、合闸操作命令，将柜内开关设备辅助触点信息传送给智能开关柜监控单元；

机械特性在线监测单元，用于对在开关设备分、合闸时表征机械部分的运行状况的行程信号、分合闸线圈电流信号和传动轴振动信号进行检测和预处理，并将检测信号送至智能开关柜监控单元；

绝缘在线监测单元，用于对表征开关柜绝缘状况的漏电流信号和超声波信号进行检测和预处理，并将检测信号送至智能开关柜监控单元；

视频监视单元，用于对开关柜内一次设备进行视频信息采集；

一次设备，用于对开关柜内的电能进行传输及主回路的分、合控制；

柜内环境控制单元，用于对开关柜内的温湿度进行控制，通过风机与加热器来实现其功能；

人机界面单元，用于对智能开关柜监控单元中设备的参数进行查询和调整，用于对开关设备当前状态和故障记录进行显示及故障的声光报警,用于对视频监视单元采集的视频信息进行就地显示，用于对载波通信单元传送来的负载端智能用电设备信息进行显示；

站控层监控系统，用于对智能开关柜监控单元传来的开关柜状态参数进行处理，并给出开关柜状态评估，适时修正基于风险聚类的阈值及专家系统状态数据库；

系统电源单元，用于向系统二次回路涉及的各模块提供电源；

网络通信单元，用于站控层监控系统与上级监控系统进行信息的互联；

载波通信单元，用于人机界面单元）与开关柜负载侧远端智能用电负载进行信息互联。

所述的一种面向智能电网的智能开关柜的控制方法，采用如下步骤：

A、将处理器、通信模块和各中间变量寄存单元进行初始化；各温湿度传感器将相关的温湿度量以无线电波的形式传送到温湿度检测单元，而后存入相应的寄存器，电流互感器、电压互感器分别将电流信号、电压信号经调理后输送至智能开关柜监控单元，再经采样后输送至参数测量程序，其中电流信号同时经调理电路后输送至智能测控单元的模拟脱扣电路；

B、判断主回路是否已发生故障，若已发生则读取相应的故障特征值和故障时间值，并按约定格式记入铁电存储器，通知人机界面单元，使其产生声光报警信号，发出断路器分断指令；

C、读取主电路电压参数，判断开关柜是否带电；

D、如果开关柜带电，则投入绝缘监测任务，计算开关柜内一次回路各相泄漏电流，一旦越限，读取泄漏电流值及时间值，按约定格式记入铁电存储器，通知人机界面单元，使其产生声光报警信号，并发出开关设备分断指令，并将泄漏电流值与放电电流信号上传至站控层监控系统，否则越过本步；

E、根据开关设备分断指令，经过智能开关柜监控单元中相关的IO口电平变化驱动智能测控单元中对应的分合闸继电器来控制断路器分合闸；

F、根据开关设备分断指令和断路器辅助触点情况引起的智能开关柜监控单元中相关的IO口电平变化判定开关设备是否处于变位过程中；

G、如果开关设备处于变位过程中，则投入机械特性监测任务，将开关设备的动作行程、分合闸线圈的电流和机械振动信号上传站控层监控系统，否则越过本步；

H、依据温湿度检测单元检测的柜内环境值与设定的阈值进行比较，如需进行环境控制，则开起风机或加热器进行相应的环境控制；

I、人机界面单元及站控层监控系统通信均采用定时中断的方式与智能开关柜监控单元进行通信来交换参数、状态和其它信息。

本发明的有益效果是： 

1、具有多传感器的机械特性在线监测系统，经过多传感器数据融合，采用DS证据理论对机械特性参数进行融合判断，引入不确定状态，依据置信程度进行综合评估开关设备机械特性，使监测到的机械特性特征更可靠，从而提高了开关设备在系统中的可靠性，并且使制定的检修报告更加合理经济。

2、具有绝缘特性在线监测功能，使开关柜在运行中可更安全可靠的工作，为开关柜的合理检修提供更全面的数据支持。

3、具有特殊的智能测控单元，使控制信号不仅经过软件的逻辑闭锁，还要经过编程后的CPLD逻辑单元组成的硬件逻辑闭锁，可靠性再度得到提高。

4、具有站控层监控计算机的智能故障诊断功能，通过开关设备故障样本的增加，采用带有风险系数的K均值聚类方法智能修正开关设备故障状态的判别函数，得出更可靠的开关设备状态；采用基于隶属函数的专家系统，使给出的检修报告更加合理。

5、具有强大的网络通信功能，支持基于现场总线的光纤、以太网和双绞线三种通信方式，其中光纤、以太网模块为供用户选配件，灵活方便。

6.具有视频监视功能，通过安装在开关柜内固定位置的摄像头采集柜内的视频信息，从而实现就地显示，使工作人员在人机界面单元的显示屏上可以实时的观测柜内一次设备的可视信息。

7.具有载波通信功能，可以通过电力线实现与负载侧的智能用电设备进行信息互联。

附图说明

图1是本发明的应用系统示意图；

图2是本发明的智能测控单元组成框图；

图3是本发明的绝缘在线监测单元组成框图；

图4是本发明的人机界面单元组成框图；

图5是本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

下面参考附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本智能开关柜采用的技术方案是：智能开关柜监控单元1通过温湿度检测单元2、智能测控单元3、机械特性在线监测单元4、绝缘在线监测单元5来实现对一次设备7的监测与控制；智能开关柜监控单元1通过温湿度检测单元2来实现对开关柜内温湿度的检测；智能开关柜监控单元1通过柜内环境控制单元8来实现开关柜内的温湿度调节；智能开关柜监控单元1通过人机界面单元9来实现就地显示与就地参数调节；智能开关柜监控单元1通过现场总线与站控层监控系统10连接，来实现开关设备状态的故障诊断，阈值修正并产生检修报告；人机界面单元9通过视频监视单元6来实现对柜内一次设备的就地显示；人机界面单元9通过载波通信单元13来实现与负载端智能用电设备的通信；站控层监控系统10通过网络通信单元12（可根据连网方式选配）来实现与智能电网的相关监控系统的通信；系统电源单元11负责全柜二次部分的供电。其中：

智能开关柜监控单元1处理器选用高档DSP和大容量CPLD等器件，并配有铁电存储器，时钟芯片等辅助芯片，实现保护、数据处理和变换以及通信控制功能，并具有CAN通信口、RS485串行通信接口与站控层监控系统互连，通过双端口RAM与人机界面单元互连。

温湿度检测单元2采用无线传感器网络的方式采集数据，克服接触式温度传感器，测量主回路温度时不同电位绝缘困难的问题和红外非接触式传感器受柜内空气状况条件影响大的缺点。

智能测控单元3，用于对开关柜内主回路的电压、电流信号进行检测和预处理，并将检测信号送至智能开关柜监控单元和本单元内的模拟脱扣电路，必要时模拟脱扣电路产生分闸信号作用于本单元的分合闸模块，对开关设备发出分闸操作命令，对开关柜内开关设备的分、合闸回路控制信号进行输出，对开关设备发出分、合闸操作命令，将柜内开关设备辅助触点信息传送给智能开关柜监控单元；

机械特性在线监测单元4采用直线位移传感器和（或）角位移传感器及相关信号调理电路检测行程信号，采用霍尔传感器及相关调理电路来检测开关设备分合闸线圈的电流信号，采用压电式加速度传感器及相关调理电路来检测开关设备的振动信号，当状态异常时上传故障信息至站控层监控系统，来起动专家系统，专家系统依据事件情况查询专家库进行故障类型推理和故障类型进行分析。

绝缘在线监测单元5采用接触式引流环结构后，经小电流互感器隔离，再采用高精度的仪用放大器进行信号的调理来检测泄漏电流信号，采用超声波接收器布置在开关柜壳体的不同位置，根据柜内超声波状况进行检测柜内放电情况，当泄漏电流或超声检测有任一参数超限，则上传故障信息至站控层监控系统，来起动专家系统，专家系统依据事件情况查询专家库进行故障类型推理和故障类型定位。

视频监视单元6，用于对开关柜内一次设备进行视频信息采集，由安放在柜内固定位置的摄像头及其图像处理电路组成。

一次设备7，用于对开关柜内的电能进行传输及主回路的分、合控制，主要由开关设备、隔离开关、母线等组成。

柜内环境控制单元8采用通风机和电加热器的方法来实现开关柜的温湿度调节。

人机界面单元9采用单片机或ARM加LCD或TFT的构架，外附发光管、按键和报警蜂鸣器的方式实现设备的参数查询和调整，用于对开关设备当前状态和故障记录进行显示及故障的声光报警，通过双端口RAM与智能控制单元1进行通信。

站控层监控系统10，采用工业控制计算机加相关软件来实现，记录有开关设备状态数据库和故障诊断专家库，用于对开关设备状态信息进行处理和状态识别并产生相应的检修报告，通过RS485总线、以太网或CAN总线与智能控制单元1进行通信，通过网络通信单元12与上级监控进行通信。

系统电源单元11，用于向系统二次回路涉及的各模块提供电源，采用交、直流两路电源供电，交流电经整流后与直流电源以或的方式给智能开关柜的二次回路供电。

网络通信单元12,支持光纤和以太网通信，用于将智能开关柜监控单元与其它监控单元或系统进行信息的互联。

如图1所示，本发明的应用系统包括：智能开关柜本体、站控层监控计算机系统、电力母线、以太网、光纤网或现场总线网组成。

受电电力线经智能开关柜的一次设备后至配出电力线，电力线路的电压、电流信号经开关柜的电压、电流互感器检测后送入智能测控单元（含模拟脱扣功能）；网络通信单元用于将站控层监控系统与上级监控系统进行信息的互联，视频监视单元用于将柜内视频信息通过RS485总线传送到人机界面单元进行就地显示，电力载波单元用于将负载侧远端智能用电设备的相关信息与智能开关柜的信息进行互联，以支持智能电网的控制与通信功能。

如图2所示，智能测控单元由电压信号调理电路、电流信号调理电路、模拟脱扣电路及分合闸模块组成，其中电压信号调理电路将电压互感器采集到的电压信号进行放大、低通滤波及基准抬升后，使之成为符合DSP芯片AD模块要求的电压信号；电流信号调理电路将电流互感器采集到的电流信号进行流压转换、放大、低通滤波及基准抬升后，使之成为符合DSP芯片AD模块要求的电压信号;模拟脱扣电路的功能则由基准电压和比较电路组成，当电流信号调理电路中表征主回路电流大小的电压信号超限时，不经过DSP处理，直接作用于分合闸模块，使开关设备分闸；分合闸模块则由经光电隔离和放大电路组成的分合闸控制电路和与开关设备辅助触点相连的开关量输入信号隔离电路两部分组成，其功能为开关设备分合线圈的驱动和开关量输入信号的隔离。

如图3所示，绝缘在线监测单元由泄漏电流检测电路和超声波检测电路两部分组成，其中泄漏电流检测电路由安装在开关柜内穿墙端子底部的引流环采集泄漏电流，然后经霍尔电流互感器进行流压转换、就地放大及低通滤波，再经信号变换电路进行信号变换将泄漏电流信号转换成4-20mA的标准信号，然后经双绞线或同轴电缆转送到监控单元侧的变换、放大及低通滤波电路和信号调理电路转换成为符合DSP输入要求的电压信号送入DSP；超声放电检测电路由安装在开关柜面板上的超声波传感器采集超声信号经就地放大及带通滤波，再经信号变换电路进行信号变换将泄漏电流信号转换成4-20mA的标准信号，然后经双绞线或同轴电缆转送到监控单元侧的变换、放大及带通滤波电路和信号调理电路转换成为符合DSP输入要求的电压信号送入DSP。

如图4所示，人机界面单元由单片机或ARM处理器、LCD或TFT显示屏、按键及处理电路、RAM、两路RS485通信及隔离电路和声光报警及驱动电路组成。其中单片机或ARM通过数据总线及相关控制总线与监控单元的双口RAM相连，实现与智能开关柜监控单元的信息互联；一路RS485通信及隔离电路与载波通信单元相连，通过载波通信单元与开关柜负载侧的远端智能用电设备建立通道；另一RS485通信及隔离电路与视频监视单元相连，建立人机界面单元与柜内摄像头的信息通道。

如图5所示，本发明工作时，当系统电源单元上电后，系统执行初始化功能，然后根据温湿度检测单元提供的信息记录开关柜内各处的温湿度信息；根据智能测控单元和温湿度检测单元提供的开关设备接线端的湿度信号进行电流、电压值的计算及实现常规的继电保护功能；根据智能测控单元提供的开关设备分、合闸状态信号，判定开关设备的状态，决定绝缘监测任务是否投切；根据智能开关柜监控单元提供的分、合闸信号及智能测控单元提供的开关设备分、合闸状态信号，判定开关设备是否在变位过程中，决定机械特性监测任务是否投退；根据温湿度检测单元采集到的柜内环境温湿度信号，决定是否开起加热器或风机进行环境控制；数据的采样和计算全部为中断方式进行；与人机界面单元和站控层监控系统的通信也采用中断方式，而各种保护和监测量的分析则以任务的形式工作。

本发明可采用多种形式进行实施而不脱离本发明的精神或本质特征，除非特别指定，上述实施例不限于前面描述的任何细节，而是应该由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内进行广泛的解释，并且因此所述权利要求包括落在权利要求的边界和界限内的所有改变及修改或者这种边界和界限的造价物。