GIS组合电器智能高压开关控制监测系统及其实现方法与流程

gis组合电器智能高压开关控制监测系统及其实现方法
技术领域
1.本发明涉及高压开关技术领域，尤其涉及一种gis组合电器智能高压开关控制监测系统。


背景技术：

2.气体绝缘组合电器设备，gas insulated switchgear,gis，将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体。自20世纪60年代gis开关实用化以来，已广泛运行于世界各地。gis开关不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比，gis的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。
3.在传统的gis二次回路中主要采用了电磁式分立元器件技术，各种元件功能单一，为完成复杂的功能需要大量各种不同类型的电气元件，同时为连接这些元件而使用了上千条的电线，因此在gis开关旁边设置了体积庞大的汇控柜，用于电缆转接和各种控制回路。智能汇控柜将保护、测控和gis智能控制集成于汇控柜内，对上节省了大量电缆，但下行到一次设备本体的内部电缆数量并没有减少。其与一次设备本体之间的连接仍然要经过规格、型号各异的大量电缆。这些电缆的设计因厂家、工程、间隔的不同而存在很大差异，其设计和施工难度并未减少，信号和回路亟待规范和标准化。
4.此外，当前智能化变电站中高压开关只解决了高压开关对外的智能化，而没有解决开关内部的智能化问题，因此只能算是半智能高压开关。国内围绕智能化的相关技术在近十年来得到了较为快速的发展和实践，为智能化开关的发展奠定了较好的基础。过程层技术逐步走向成熟。当前基于常规开关和互感器的过程层解决方案，并没有能彻底消除开关设备的电缆。


技术实现要素：

5.本发明的目的是将传统开关汇控柜和开关操作机构箱中的分立继电器、电缆回路用智能化的微机系统和光纤来取代，通过一二次融合技术，在一次设备操作机构箱中安装即插即用的智能控制模块和状态采集模块，实现断路器、隔离/接地开关机构箱的智能化，通过光缆实现对一次设备各开关部件的就地化控制和信号采集，通过智能控制模块间的自动配合实现开关部件之间的联闭锁功能，通过在操作机构箱中内置传感器，实现对开关运行状态的在线监测，形成具有一次设备智能化、信息交换标准化、系统高度集成化、运行控制自动化、保护控制协同化、分析决策在线化等技术特征的智能化高压开关。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种gis组合电器智能高压开关控制监测系统，其包括：
7.第一环网控制架构，所述第一环网控制架构包括：智能采集执行单元a套，所述智
能采集执行单元a套与a相断路器控制模块a套相互连接，所述a相断路器控制模块a套与b相断路器控制模块a套相互连接，所述b相断路器控制模块a套与c相断路器控制模块a套相互连接，所述c相断路器控制模块a套与综合控制分析单元相互连接，所述综合控制分析单元与智能采集执行单元a套相互连接，所述a相断路器控制模块a套、b相断路器控制模块a套、c相断路器控制模块a套用于控制a相断路器、b相断路器、c相断路器操动机构的分合闸同时通过接入的各种传感器在线监测a相断路器、b相断路器、c相断路器的性能指标，所述智能采集执行单元a套用于执行电流电压同步功能并通过电流传感器采集电流信息，通过电压传感器采集电压信息，通过角度传感器采集角度信息；
8.第二环网控制架构，所述第二环网控制架构包括：智能采集执行单元b套，所述智能采集执行单元b套与a相断路器控制模块b套相互连接，所述a相断路器控制模块b套与b相断路器控制模块b套相互连接，所述b相断路器控制模块b套与c相断路器控制模块b套相互连接，所述c相断路器控制模块b套与综合控制分析单元相互连接，所述综合控制分析单元与智能采集执行单元b套相互连接，所述a相断路器控制模块b套、b相断路器控制模块b套、c相断路器控制模块b套用于控制a相断路器、b相断路器、c相断路器操动机构的分合闸同时通过接入的各种传感器在线监测a相断路器、b相断路器、c相断路器的性能指标，所述智能采集执行单元b套用于执行电流电压同步功能并通过电流传感器采集电流信息，通过电压传感器采集电压信息，通过角度传感器采集角度信息；
9.第三环网控制架构，所述第三环网控制架构包括：依次首尾连接的n个刀闸智能控制模块，所述第n个刀闸智能控制模块与综合控制分析单元相互连接，所述第1个刀闸智能控制模块同时与所述综合控制分析单元相互连接，所述刀闸智能控制模块用于控制刀闸操动机构的分合闸同时通过接入的各种传感器在线监测刀闸的性能指标；
10.所述综合控制分析单元用于收集并综合分析断路器控制模块、刀闸智能控制模块的在线监测信息，所述综合控制分析单元同时用于接收所述智能采集执行单元的刀闸控制命令并控制刀闸的分合操作，接收所述断路器控制模块的断路器控制命令并控制断路器的分合操作，所述综合控制分析单元还用于接收本地智能模拟盘的控制命令并实现就地的刀闸分合控制。
11.优选方式下，所述断路器控制模块同时接入角度传感器、机构箱温湿度传感器、气体传感器、线圈电流传感器、储能状态传感器。
12.优选方式下，所述刀闸智能控制模块同时接入角度传感器、机构箱温湿度传感器、电机电流传感器、触头传感器。
13.优选方式下，所述智能采集执行单元采集电流信息、电压信息的电路为：信息输入1端子通过串联的电感l1、电阻r1与tlp785隔离放大器的输入1端子相连，信息输入2端子通过串联的电感l2、电阻r2与tlp785隔离放大器的输入2端子相连，所述tlp785隔离放大器的输出4端子为信息输出1端子，所述tlp785隔离放大器的输出3端子为信息输出2端子，所述tlp785隔离放大器的输出3端子还通过并联的电阻r3、电容c2接地。
14.本发明基于上述结构，还提供了一种gis组合电器智能高压开关控制监测系统的实现方法，包括如下步骤：
15.s1、在第一环网控制架构中，a相断路器控制模块a套、b相断路器控制模块a套、c相断路器控制模块a套，从而控制a相断路器、b相断路器、c相断路器操动机构的分合闸，同时
通过接入的各种传感器在线监测a相断路器、b相断路器、c相断路器的性能指标；
16.s2、在第一环网控制架构中，智能采集执行单元a套执行电流电压同步功能并通过电流传感器采集电流信息，通过电压传感器采集电压信息，通过角度传感器采集角度信息；
17.s3、在第二环网控制架构中，a相断路器控制模块b套、b相断路器控制模块b套、c相断路器控制模块b套，从而控制a相断路器、b相断路器、c相断路器操动机构的分合闸，同时通过接入的各种传感器在线监测a相断路器、b相断路器、c相断路器的性能指标；
18.s4、在第二环网控制架构中，智能采集执行单元b套执行电流电压同步功能并通过电流传感器采集电流信息，通过电压传感器采集电压信息，通过角度传感器采集角度信息；
19.s5、在第三环网控制架构，刀闸智能控制模块控制刀闸操动机构的分合闸，同时通过接入的各种传感器在线监测刀闸的性能指标；
20.s6、综合控制分析单元，收集并综合分析断路器控制模块、刀闸智能控制模块的在线监测信息，同时接收所述智能采集执行单元的刀闸控制命令并控制刀闸的分合操作，接收所述断路器控制模块的断路器控制命令并控制断路器的分合操作，并且接收本地智能模拟盘的控制命令并实现就地的刀闸分合控制。
21.本发明的有益效果为：本发明以光纤和微机系统来替代传统大量电缆和分立元器件构成控制回路，通过智能化技术实现开关各部件的有机配合和即插即用；通过光纤的插接，对开关的各个部件进行控制和状态采集；通过对开关各部件物理拓扑的自动分析，形成开关各部件的联闭锁逻辑；解决二次回路中变化较多、不利于信号标准化的联闭锁相关信号，从根本上对二次回路进行简化，消除原来联闭锁回路设计、实施中存在的人为错误等风险，确保设备操作的安全性。本发明可实现二次回路智能化，有助于实现一二次融合的gis组合电器高压开关的控制网络化、测量数字化、状态可视化、功能一体化、监控诊断远程化和智能化，进一步提高高压开关的运行可靠性和检修维护的效率，提高变电站智能化水平，满足设备状态可视化、运维智能化的需求。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为本发明的综合控制分析单元框架设计原理图；
24.图3为本发明的电压电流信息开入光耦隔离电路。
具体实施方式
25.具体实施例：
26.图1示出本技术实施例提供的gis组合电器智能高压开关控制监测系统架构图。作为示例性而非限定性实施例，该组合电器包括智能采集执行单元a套、智能采集执行单元b套、综合控制分析单元、a相断路器控制模块a套、b相断路器控制模块a套、c相断路器控制模块a套、a相断路器控制模块b套、b相断路器控制模块b套、c相断路器控制模块b套和所有刀闸的智能控制模块；智能采集执行单元a套与a相断路器控制模块a套相互连接；a相断路器控制模块a套与b相断路器控制模块a套相互连接；b相断路器控制模块a套与c相断路器控制模块a套相互连接；c相断路器控制模块a套与综合控制分析单元相互连接；智能采集执行单元b套与a相断路器控制模块b套相互连接；a相断路器控制模块b套与b相断路器控制模块b
套相互连接；b相断路器控制模块b套与c相断路器控制模块b套相互连接；c相断路器控制模块b套与综合控制分析单元相互连接；综合控制分析单元与刀闸n智能控制模块相互连接；刀闸n智能控制模块与刀闸n-1智能控制模块相互连接；刀闸n-1智能控制模块与刀闸n-2智能控制模块相互连接；刀闸n-2智能控制模块和剩余刀闸模块分别依次相互连接，直至刀闸1智能控制模块；刀闸1智能控制模块与综合控制分析单元相互连接；综合控制分析单元与智能采集执行单元a套和智能采集执行单元b套相互连接。
27.下面对图1所示的gis智能组合电器的工作过程进行说明。
28.采用面向对象的设计方法，断路器、隔离开关/接地开关的智能控制模块对内实现传感器数据的采集、回路的监视控制，对外提供光纤接口与间隔层设备进行信息交互。针对有联闭锁需求的断路器、隔离开关/接地开关，通过智能主控模块实现联闭锁功能，取代传统电气联闭锁回路。将传统的分立元器件的控制功能与相应的电缆回路，用高可靠性高集成度的大规模集成电路、微控制器代替，将容易拉弧烧蚀的接点用静态电力电子器件代替，将机械传感用智能传感器代替。最终实现开关本体操作机构箱的高集成度和智能化。
29.220kv电压等级下，断路器相关模块进行双重化配置，gis智能高压开关采用了三个环网的分域控制拓扑架构，其中a套智能采集执行单元、a套断路器智能控制模块、综合控制分析单元组成断路器域a即环网1；b套智能采集执行单元、b套断路器智能控制模块、综合控制分析单元组成断路器域b即环网2；综合控制分析单元、刀闸智能控制模块组成刀闸域即环网3。
30.环网1中的“断路器智能控制模块”实现对断路器操动机构的分合闸控制，同时接入角度传感器、机构箱温湿度传感器、气体传感器、线圈电流传感器、储能状态传感器，实现断路器机械特性、气体绝缘特性等的智能感知。
31.环网2中的“智能采集执行单元”是智能高压开关对外的窗口，其和间隔层设备的保护控制设备实现点对点或组网通信连接，同时通过过程层网络接收来自保护/测控的控制命令。考虑到当前电子式互感器技术还未完全成熟，因此本课题采用常规电流、电压互感器。常规互感器将电流、电压信号通过电缆方式接入智能采集执行单元，由智能采集执行单元实现将模拟量转为数字量并通过sv报文发送的过程，同时实现间隔内的电压切换功能。
32.如图2所示，环网3中的“综合控制分析单元”其一实现了开关间隔在线监测大脑的功能，能够收集断路器智能控制模块、刀闸智能控制模块的在线监测信息，进行综合分析；其二接收智能采集执行单元的刀闸控制命令，去控制刀闸的分合操作；其三接收本地智能模拟盘的控制命令，进行就地的刀闸分合控制；最后其实现了间隔的电气联锁功能；综合控制分析单元具备无线通信能力，可通过lora扩频通信接入sf6传感器，充分发挥物联网的技术优势，大大减少了现场布线工作。综合控制分析单元通过iec61850mms通信直接向后台传送开关数据，具有数据自描述的能力，减少了变电站内大量监测数据上送时的配置工作。
33.环网3中的“刀闸智能控制模块”实现对刀闸操动机构的分合闸控制，同时接入角度传感器、机构箱温湿度传感器、电机电流传感器、触头传感器，实现刀闸状态的智能感知。
34.每个域相互独立，互不影响，确保了关键域即断路器域的实时性、稳定性和可靠性。
35.gis智能组合电器智能组件由两部分构成：一部分是安装在一次本体操动机构内的智能控制模块，如传感器、断路器智能控制模块、刀闸智能控制模块；一部分是安装在汇
控柜内的智能采集执行单元、综合控制分析单元。
36.智能采集执行单元ab套装置的具体作用是实现电流电压同步功能，电压切换功能，网络流控功能和双数据流数据防误功能。采集的信息有：电流电压信息，角度信息。电流电压信息通过板卡上集成的电流传感器和电压传感器采集，角度通过角度传感器采集。执行电流电压同步功能，电压切换功能，角度采集功能，网络流控功能，双数据流防误功能。电流电压同步功能，角度采集功能，网络流控功能，双数据流防误功能通过cpu插件上的双套dsp来执行，角度采集功能通过fpga来执行。
37.断路器智能控制模块ab套装置的具体作用：a.完成控制功能。b.能够接入储能状态传感器、sf6气体传感器、角度位置传感器、电流传感器，实现对断路器机械特性、绝缘特性等在线监测。
38.断路器控制模块集成了跳闸控制回路、合闸控制回路、储能电机打压控制回路、压力闭锁回路、防跳回路、信号采集回路、加热控制回路、断路器在线监测回路，控制的设备为高压断路器，通过监测各回路信息来控制这些设备。
39.智能化开关刀闸智能控制模块面向隔刀、地刀进行配置，后面统称刀闸，其主要通过环网接收智能采集执行单元、综合控制分析单元的控制命令对刀闸进行分闸和合闸控制，同时通过接入传感器实现对刀闸的动作行为和动作状态的监视。
40.在双向三环模式下，断路器环1，刀闸环2，断路器环3中任意一个环单方向中断后，各子机之间的数据仍能通过该环另外一个方向进行传输共享，因此单方向中断对断路器和刀闸保护逻辑无影响。
41.该智能化高压开关的网络拓扑结构采用了网络冗余技术，改善高压开关在发生故障时的可靠性，提高对故障的快速恢复能力。采用了面向对象的数据统一建模技术，将系统的某个具体功能看作各个逻辑节点的组合，依据结构图与各物理装置故障值，求得系统的可行性值。
42.所述综合控制分析单元的功能包括如下几部分
43.(1)在线监测主ied功能
44.智能化高压开关间隔内在线监测数据收集,和转发。综合控制分析单元和断路器控制模块通信，收集断路器相关监视信息，包括监视状态、监视模拟量、波形等。综合控制分析单元和刀闸控制模块进行通信，收集刀闸相关监视信息，包括监视状态、监视模拟量、波形等。
45.(2)mms通信
46.通过mms方式，本体智能终端将智能化高压开关监测信息上送至监控后台；另外mms接口同时将智能化高压开关间隔内的本体信息发送至监控后台，避免虚端子拉线的过程。
47.(3)3个环网功能
48.在智能采集执行单元双重化配置的情况下，3个环网分别为：1)断路器a套智能采集执行单元的环形网络；2)断路器b套智能采集执行单元的环形网络；3)刀闸环形网络。
49.(4)刀闸模块控制功能
50.综合控制分析单元接收智能采集执行单元转发过来的刀闸控制命令，然后对刀闸进行分合控制。
51.(5)电气联锁逻辑
52.综合控制分析单元接收智能采集执行单元传输过来断路器控制模块位置信息以及其他间隔位置信息，如母线间隔的接地刀闸位置，进行间隔内电气联锁逻辑运算，并将联锁逻辑结果发送至刀闸模块，刀闸模块接收电气联锁命令后执行联锁行为。
53.(6)光b码对时功能
54.由于综合控制分析单元就地放置，为保证对时效果采用光b码进行对时。
55.(7)刀闸遥控把手采集功能
56.综合控制分析单元通过电子模拟盘的485接口采集刀闸就地、远方把手信息；采集刀闸手分、手合信息；采集刀闸解锁、刀闸急停信息。综合控制分析单元采集完信息后进行工况判断，将有效命令下发至刀闸控制模块。
57.(8)温湿度信息采集功能
58.通过4～20ma接口采集智能化高压开关控制柜内的温度和湿度信息。
59.(9)rs-485通信功能
60.rs-485用于接入电子模拟盘的相关信号。
61.(10)南向无线传感器接入功能
62.本体模拟预留了无线接口，采用低功耗局域网无线标准lora，通过lora能够将sf6传感器、姿态传感器等无线传感器接入。
63.(11)北向无线发送功能
64.为将智能化高压开关在线监测数据通过无线组网方式交互，本体模拟预留了北向无线发送功能，能够将智能化开关的数据通过北向无线发送功能送至无线网关。
65.(12)过程层goose功能
66.综合控制分析单元通过goose方式和智能采集执行单元、刀闸模块进行数据交互。
67.传统变电站，汇控柜或者端子箱中会带有模拟操作盘，模拟操作盘用于就地控制断路器、隔刀、地刀等一次设备。传统的模拟操作盘，屏柜占用面积比较大，需要的断路器或者刀闸的位置均采用电缆方式进行连接，现场接线复杂，工作量比较大。
68.由于高压开关智能化后，所有的位置信号均采用数字化方式，因此不必要在采用传统的电缆方式进行模拟盘的连接。通过智能模拟盘的方式实现隔刀、地刀等一次设备的就地控制，大幅度减少现场接线工作，优化汇控柜整体的空间布局。
69.所述智能采集执行单元采集电流信息、电压信息的电路为：信息输入1端子通过串联的电感l1、电阻r1与tlp785隔离放大器的输入1端子相连，信息输入2端子通过串联的电感l2、电阻r2与tlp785隔离放大器的输入2端子相连，所述tlp785隔离放大器的输出4端子为信息输出1端子，所述tlp785隔离放大器的输出3端子为信息输出2端子，所述tlp785隔离放大器的输出3端子还通过并联的电阻r3、电容c2接地。其支持电流和电压开入模式，电流开入范围为-40ma～40ma，电压开入范围为-10v～10v，输入信号通过运算放大器对输入信号作预处理，然后通过tlp785隔离放大器对信号进行隔离放大。
70.本发明提供了一种gis组合电器智能高压开关控制监测系统，通过对断路器、刀闸、互感器开发特定的智能控制采集模块，就近完成对应开关操作机构的智能化；通过光纤构成环网，利用双数据流技术，来彻底消除原来电缆连接可能存在的信号不可靠及部件间电缆无法监视的问题；用光缆替代大量电缆，让原有的开关设备更为整洁美观和标准化，无
需再为冗杂的电缆进行大量的设计、铺设、连接、测试及后期运维等工作，将大大缩短变电站建设的周期，节省大量的人力物力；用光纤替代汇控柜与断路器、刀闸等设备之间的电缆，即插即用，简化开关二次回路的设计，其不但能将一直存在的与电缆相关的如接线设计复杂，电缆安装敷设困难，回路易出错，维护检修困难等问题解决掉，同时也符合智能设备即插即用的理念，是一次设备信号数字化的思想和技术上的重要转变；从根本上提高gis组合电器的智能化水平，将大大简化智能变电站二次虚回路的设计和配置工作，使变电站的运行维护变得更为简单清晰。因而特别适用于高压开关智能化的场合。
71.采用一二次深度融合的gis智能化高压开关，可减少电缆及分立元件70％以上，有效提高二次控制回路运行可靠性，减少开关误动、拒动的风险；同时，通过状态监测技术提前发现开关故障，可以减少设备损坏、停电以及故障范围扩大造成的经济损失。预期在1个变电站生命周期中避免1～2次严重事故，即可产生上百万元的间接经济效益，如果在国内全面推广本发明的智能化高压开关，每年将减少设备造成的事故损失数十亿元。
72.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
73.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
74.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
75.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
76.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
77.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。