智能型开关柜及其关键技术-湖南工程学院学报2003.9
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技术论文，时间有点久了，《智能型开关柜及其关键技术-湖南工程学院学报2003.9》！
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第13卷第3期 沏 南 工 程 学 院 学 报 Vol.13 .N o.3
20 03年，月 Journalo fH unanI nstituteo fE ngineering S}p c.2003
智 能 型 开 关 柜 及 其 关 键 技 术
李永 坚 ‘，2 ， 周有 庆 ‘
(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙,410082;2 .湖南工程学院电气与信息工程系，湖南 湘潭,411101)
摘 要:分析了智能型开关拒的内涵及其组成结构，探讨了传感技术、徽机处理技术、状态监测和故障
诊断技术、现场总线技术在高压开关设备智能化中的作用，介绍了国内外当前在此领城内的研究成果，
展望了高压开关柜的智能化发展趋势与应用前景.
关键词:开关拒;智能化;现场总线;组态软件
中图分类号:TM591 文献标识码:A 文章编号:1671一119X(2003)03一0022一03
(1) 开 关 作为供用电设备(如变压器、电动机、
馈电线等等)的基本控制与保护电器，应能够保障它
0 引 言
所控制、保护对象在任何工作状态下都能可靠工作.
开关 电 器 在电力系统中起着控制和保护等重要 (2) 应 加 强对开关柜这一机、电、磁结合的装置
作用.随着电力系统自动化水平的不断提高，要求开 自身工作状态的监测与控制(主要是指非电量的测
关电器与变电站综合自动化、配电自动化的发展相 试)，提高其工作可靠性.
适应和配套.于是，自20世纪90年代以来，出现了 (3) 智 能 开关柜作为基本元件，它是电网运行
智能化开关电器，智能化开关电器是在传统的开关 自动化、工厂自动化(FA)、过程控制自动化(PA),
设备中引人计算机技术、数字处理技术和网络通信 智能大厦等等自动化系统的组成基础(硬件平台)，
技术而发展起来的新一代开关电器 智能化日渐成 它应保障上述系统的安全、可靠、经济运行
为开关电器的一个重要发展方向.无论是高压电器 在上 述 三 个方面都达到了最佳性能指标的开关
还是低压电器，无论是电器元件还是成套开关设备， 柜才称为“智能型开关柜”.鉴于开关柜本身、开关柜
都出现了智能化的发展趋势.目前我国的开关电器 控制对象和开关柜组成的电力网三者具有物理过程
已经初步形成了智能型低压断路器、智能型接触器、 的复杂性、不确定性和模糊性，难以有精确的数学模
智能型开关柜、智能型预装式变电站等一系列产品， 型，所以智能型开关柜需要采用各种先进技术，通过
并在电力系统中得到了应用.开关柜是中、低压开关 感知、学习、记忆和大范围的自适应手段来进行有效
设备的主要工作形态之一，它是以开关为主体的成 的处理和控制，以使各方面都基本达到最佳性能指
套电器.常规的开关柜主要由断路器、互感器、二次 标，
控制保护电路、计盘仪表、隔离开关等几个主要部分
构成，而智能型开关柜则是一个不断发展与变化的 2 智能型开关柜的组成结构
概念.它与计算机技术、数据技术、控制理论、传感器
技术、通信技术、网络技术和电力电子等技术的发展 智能 化 开 关柜应是高度集成化和数字化的设
密切相关，是集保护、控制、测量,PLC,RTU及通信 备，必须采用计算机技术作为数字化的核心技术;从
等多种功能于一体的高技术产品. 控制和保护功能上讲，应具有一定的智能性，即能够
使智能化开关根据开关的状态和电网的运行模式，
自动选择最佳模式进行控制与保护;从结构形式上
1 开关柜的智能化
讲，开关柜设备应是充分模块化和标准化的，因而智
能化开关柜不仅硬件要采用PLC、单片机等数字化
开关柜智能化应从以下三方面考虑:
收稿日期 2003-06一24
作者简介 李永坚(1971-),男，硕士研究生，讲师，研究方向 电气工程及其自动化技术
万方数据李永坚:智能型开关柜及其关键技术
第 3期
部，直接面向一次设备或设备组合，能完成各自对象
控制模块，同样软件需要采用具有开放性、模块化、
的继电保护、实时电量监控、状态信息记录及历史记
实时性好的控制组态软件.智能化开关柜的组成模
录等功能;微机处理技术还可作为计算机分层网络
块如下图所示:
的终端，具有多种可选的通用网络接口，便于事故分
析和状态监视;形成微机防误操作和安全保障系统，
适应变电站自动化的需要.
3.3 状态监测和故障诊断技术
电气 设 备 的在线监测和故障诊断是其智能化的
基本手段，起源于20世纪70年代.经过多年的发
展，现代高压开关设备的监测功能正 日趋完善，例
如:对电压、电流、功率和功率因数、有功和无功电
能、电网频率以及断路器合欢分工作状态等的检测功
图 1 智 能 型 开 关 柜 模 块 示 意图 能;对过电流、短路、不平衡运行、电机启动、接地等
传感 器 和 变送器采集现场数据，经PLC或单片 的保护功能等.这些功能依靠先进的通讯手段将各
机后变成数字信号，这些数字信号经过通信设备传
单元联系起来，实现变电站的集中微机监控.
送到上位机.组态软件接收到数据后作必要的计算
3.4 现场总线技术
和判断，然后将数据反馈给PLC/单片机，由PLC/
现场 总 线 技术是控制、计算机、通信、网络等技
单片机进行数据分配 它具备很多优越性，如能在各
术从控制层发展到工艺设备现场的技术结果，是一
种恶劣环境下完成功能并可靠地工作;设备本身具 种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通
有自动检测功能，对设备内部的温升、电磁辐射、机 信协议一 个现场总线系统可以看成由数字通信设
构故障等信号进行采集和分析处理.这些优点使得 备和监控监测设备组成的分布式系统，其控制单元
智能型开关柜构成了电网运行自动化、工厂自动化 全部分散到现场，控制回路由现场设备实现，同时又
和智能大厦等的基础硬件平台. 可以在控制室用数字通信的方式与控制单元进行操
作与调整.实际上现场总线就是一种计算机网络，这
3 智能化中的新技术 个网络上的每一个节点就是一个智能化设备 现场
总线具有开放性、互操作性〔兼容性)、高稳定性和时
效性、通信介质多样性等特点，因此现场总线作为连
3.1 现代传感技术
以往 电 力 系统中作为测量和保护用的互感器普 接各智能型开关柜的通信网络可较好的适应今后发
遍使用电磁式的，随着现代电力系统电压的升高和 展的需要.这一应用将使原变电站、电厂控制系统的
容量的增长，某些复杂的继电保护装置不仅能反映 结构形式发生很大变化，系统趋向“扁平化”，控制室
短路电流的大小，还能反映相位和波形，甚至反映电 设备也大为减少.由于智能型开关设备本身就可完
流的突变率，因而使用传统的电磁式互感器已不能 成开关柜运行控制的基本功能，因而利用现场总线
满足目前高压开关设备多功能的需要，这就对现代 即可构造一个全新的分布式计算机控制系统，它可
传感器技术提出了更严格的要求.随着现代光纤技 大大提高控制和保护的准确性，以及电力系统的可
术的发展，基于法拉第旋光效应的光电互感器和光 靠性，并且扩充性好，维护也方便.
电传感器(OCT)相继出现卜现在已投人使用的光学
电流互感器由于测量范围宽、绝缘简单可靠、无磁饱 4 国内外发展概况
和、无二次开路危险、抗电磁干扰能力强、体积小、重
量、安装运输方便、易于同微机保护接口等优点，已 国外 对 智 能化开关柜开发较早.20世纪 80年
在高压开关设备中得到应用. 代中期开关电器的开发即已初步进人智能型时代，
80年代后期出现了微机集中检测与控制，可对馈电
3.2 微机处理技术
微 机 处 理技术的发展是实现智能化控制的前 主保护装置进行远距离操作，对各回路电压、电流、
提，它是集测量、运算、决策、控制、保护及遥控于一 有功电量和无功电量、功率因数、频率、变压器温度
体的综合化智能体系，可以安装于高压开关设备内 等进行检测，但技术水平仍停留在遥测、遥控上，缺
万方数据湖南工程学院学报 2003年
少遥信、遥调功能. 争力
20 03年，月 Journalo fH unanI nstituteo fE ngineering S}p c.2003
智 能 型 开 关 柜 及 其 关 键 技 术
李永 坚 ‘，2 ， 周有 庆 ‘
(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙,410082;2 .湖南工程学院电气与信息工程系，湖南 湘潭,411101)
摘 要:分析了智能型开关拒的内涵及其组成结构，探讨了传感技术、徽机处理技术、状态监测和故障
诊断技术、现场总线技术在高压开关设备智能化中的作用，介绍了国内外当前在此领城内的研究成果，
展望了高压开关柜的智能化发展趋势与应用前景.
关键词:开关拒;智能化;现场总线;组态软件
中图分类号:TM591 文献标识码:A 文章编号:1671一119X(2003)03一0022一03
(1) 开 关 作为供用电设备(如变压器、电动机、
馈电线等等)的基本控制与保护电器，应能够保障它
0 引 言
所控制、保护对象在任何工作状态下都能可靠工作.
开关 电 器 在电力系统中起着控制和保护等重要 (2) 应 加 强对开关柜这一机、电、磁结合的装置
作用.随着电力系统自动化水平的不断提高，要求开 自身工作状态的监测与控制(主要是指非电量的测
关电器与变电站综合自动化、配电自动化的发展相 试)，提高其工作可靠性.
适应和配套.于是，自20世纪90年代以来，出现了 (3) 智 能 开关柜作为基本元件，它是电网运行
智能化开关电器，智能化开关电器是在传统的开关 自动化、工厂自动化(FA)、过程控制自动化(PA),
设备中引人计算机技术、数字处理技术和网络通信 智能大厦等等自动化系统的组成基础(硬件平台)，
技术而发展起来的新一代开关电器 智能化日渐成 它应保障上述系统的安全、可靠、经济运行
为开关电器的一个重要发展方向.无论是高压电器 在上 述 三 个方面都达到了最佳性能指标的开关
还是低压电器，无论是电器元件还是成套开关设备， 柜才称为“智能型开关柜”.鉴于开关柜本身、开关柜
都出现了智能化的发展趋势.目前我国的开关电器 控制对象和开关柜组成的电力网三者具有物理过程
已经初步形成了智能型低压断路器、智能型接触器、 的复杂性、不确定性和模糊性，难以有精确的数学模
智能型开关柜、智能型预装式变电站等一系列产品， 型，所以智能型开关柜需要采用各种先进技术，通过
并在电力系统中得到了应用.开关柜是中、低压开关 感知、学习、记忆和大范围的自适应手段来进行有效
设备的主要工作形态之一，它是以开关为主体的成 的处理和控制，以使各方面都基本达到最佳性能指
套电器.常规的开关柜主要由断路器、互感器、二次 标，
控制保护电路、计盘仪表、隔离开关等几个主要部分
构成，而智能型开关柜则是一个不断发展与变化的 2 智能型开关柜的组成结构
概念.它与计算机技术、数据技术、控制理论、传感器
技术、通信技术、网络技术和电力电子等技术的发展 智能 化 开 关柜应是高度集成化和数字化的设
密切相关，是集保护、控制、测量,PLC,RTU及通信 备，必须采用计算机技术作为数字化的核心技术;从
等多种功能于一体的高技术产品. 控制和保护功能上讲，应具有一定的智能性，即能够
使智能化开关根据开关的状态和电网的运行模式，
自动选择最佳模式进行控制与保护;从结构形式上
1 开关柜的智能化
讲，开关柜设备应是充分模块化和标准化的，因而智
能化开关柜不仅硬件要采用PLC、单片机等数字化
开关柜智能化应从以下三方面考虑:
收稿日期 2003-06一24
作者简介 李永坚(1971-),男，硕士研究生，讲师，研究方向 电气工程及其自动化技术
万方数据李永坚:智能型开关柜及其关键技术
第 3期
部，直接面向一次设备或设备组合，能完成各自对象
控制模块，同样软件需要采用具有开放性、模块化、
的继电保护、实时电量监控、状态信息记录及历史记
实时性好的控制组态软件.智能化开关柜的组成模
录等功能;微机处理技术还可作为计算机分层网络
块如下图所示:
的终端，具有多种可选的通用网络接口，便于事故分
析和状态监视;形成微机防误操作和安全保障系统，
适应变电站自动化的需要.
3.3 状态监测和故障诊断技术
电气 设 备 的在线监测和故障诊断是其智能化的
基本手段，起源于20世纪70年代.经过多年的发
展，现代高压开关设备的监测功能正 日趋完善，例
如:对电压、电流、功率和功率因数、有功和无功电
能、电网频率以及断路器合欢分工作状态等的检测功
图 1 智 能 型 开 关 柜 模 块 示 意图 能;对过电流、短路、不平衡运行、电机启动、接地等
传感 器 和 变送器采集现场数据，经PLC或单片 的保护功能等.这些功能依靠先进的通讯手段将各
机后变成数字信号，这些数字信号经过通信设备传
单元联系起来，实现变电站的集中微机监控.
送到上位机.组态软件接收到数据后作必要的计算
3.4 现场总线技术
和判断，然后将数据反馈给PLC/单片机，由PLC/
现场 总 线 技术是控制、计算机、通信、网络等技
单片机进行数据分配 它具备很多优越性，如能在各
术从控制层发展到工艺设备现场的技术结果，是一
种恶劣环境下完成功能并可靠地工作;设备本身具 种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通
有自动检测功能，对设备内部的温升、电磁辐射、机 信协议一 个现场总线系统可以看成由数字通信设
构故障等信号进行采集和分析处理.这些优点使得 备和监控监测设备组成的分布式系统，其控制单元
智能型开关柜构成了电网运行自动化、工厂自动化 全部分散到现场，控制回路由现场设备实现，同时又
和智能大厦等的基础硬件平台. 可以在控制室用数字通信的方式与控制单元进行操
作与调整.实际上现场总线就是一种计算机网络，这
3 智能化中的新技术 个网络上的每一个节点就是一个智能化设备 现场
总线具有开放性、互操作性〔兼容性)、高稳定性和时
效性、通信介质多样性等特点，因此现场总线作为连
3.1 现代传感技术
以往 电 力 系统中作为测量和保护用的互感器普 接各智能型开关柜的通信网络可较好的适应今后发
遍使用电磁式的，随着现代电力系统电压的升高和 展的需要.这一应用将使原变电站、电厂控制系统的
容量的增长，某些复杂的继电保护装置不仅能反映 结构形式发生很大变化，系统趋向“扁平化”，控制室
短路电流的大小，还能反映相位和波形，甚至反映电 设备也大为减少.由于智能型开关设备本身就可完
流的突变率，因而使用传统的电磁式互感器已不能 成开关柜运行控制的基本功能，因而利用现场总线
满足目前高压开关设备多功能的需要，这就对现代 即可构造一个全新的分布式计算机控制系统，它可
传感器技术提出了更严格的要求.随着现代光纤技 大大提高控制和保护的准确性，以及电力系统的可
术的发展，基于法拉第旋光效应的光电互感器和光 靠性，并且扩充性好，维护也方便.
电传感器(OCT)相继出现卜现在已投人使用的光学
电流互感器由于测量范围宽、绝缘简单可靠、无磁饱 4 国内外发展概况
和、无二次开路危险、抗电磁干扰能力强、体积小、重
量、安装运输方便、易于同微机保护接口等优点，已 国外 对 智 能化开关柜开发较早.20世纪 80年
在高压开关设备中得到应用. 代中期开关电器的开发即已初步进人智能型时代，
80年代后期出现了微机集中检测与控制，可对馈电
3.2 微机处理技术
微 机 处 理技术的发展是实现智能化控制的前 主保护装置进行远距离操作，对各回路电压、电流、
提，它是集测量、运算、决策、控制、保护及遥控于一 有功电量和无功电量、功率因数、频率、变压器温度
体的综合化智能体系，可以安装于高压开关设备内 等进行检测，但技术水平仍停留在遥测、遥控上，缺
万方数据湖南工程学院学报 2003年
少遥信、遥调功能. 争力
