智能化开关柜课件

第七章 智能化开关柜01 开关电器的智能化02 智能化开关柜的基本组成与基本功能03 智能化开关柜的硬件系统04 智能化开关柜的测量与保护算法05 现场总线在智能化电器中的应用06 两种智能化开关柜的简介第一节第一节 开关电器的智能化开关电器的智能化一、智能化开关电器的概念1、概念：一般来说智能化开关电器是将计算机技术、数字信息处理技术、电力电子技术、传感器技术、网络技术、通信技术和新型开关制造技术在传统电器上进行有机融合，使其具备智能化核心。2、智能化开关电器的特点：（1）高性能、高可靠性；（2）免维护；（3）硬件软件化；（4）具备在线监测和自诊断功能；（5）提供网络化远动接口；（6）功能自适应等。3、智能化开关电器模型图71二、低压电器的智能化1、把微处理机和计算机技术引入低压电器，一方面使低压电器具有智能化功能，另一方面是低压电器，包括智能化断路器和智能化电动机控制器实现与中央控制计算机双向通信。2、低压开关柜和电动机控制中心实现智能化的主要电器元件是智能化低压断路器与电动机控制器。3、由新型低压电器元件和中央控制计算机组成的网络系统，与传统的低压配电系统和电动机控制中心相比有以下优点:1)实现中央计算机集中控制，提高了低压配电系统自动化程度。2)使低压配电系统的调度和维护达到新的水平。3)由于采用数字化的新型监控元件，开关柜屏面上提供的信息量大幅度增加。4)监控元件与传统的指示和指令电器相比较，接线简单、便于安装，提高了工作的可靠性。5)可以实现数据共享，减少信息重复和信息通道。4、低压电器的一个重要功能是通断能力。三、智能型配电系统1、技术：计算机技术、现场总线技术、控制技术以及网络通信技术。2、基本功能：运行状态监测;运行参数的监测;断路器的通断控制;故障应急处理;无功功率补偿的自动控制;运行参数、故障及操作记录的管理、存档及分析。3、特点：网络通信能力的高性能、高可靠性的低压配电系统。同时它是未来供配电系统的发展方向。4、结构：由现场的智能化电器元件或智能型低压开关柜和中央控制计算机构成。目前，国际上各大公司均推出了智能型低压开关柜，如英国ALS1DM公司GALAXIS 和 TRIMLINE 系列，西门子公司SIVACON 系列，ABB 公司HONOR 系列，HENSEL公司SAS 系列，MOElLER公司MODAN6阴系列等。5、发展方向：由智能化电器与中央计算机通过接口构成的自动化通信网络正从集中式控制向分布式控制发展。现场总线技术正向上下两端延伸，其上端和企业网络的主干Ethernet，Intranet 和Internet 等通信:下端延伸到工业控制现场区域。这方面有西门子公司的AS接口和罗克威尔公司的DeviceNet 两种总线系统。四、高压开关设备的智能化(一)高压开关设备智能化技术 1、传感器技术：以往电力系统中作为测量和保护用的互感器普遍使用电磁式的，随着现代光纤技术的发展，基于法拉第旋光效应的光电互感器和光电传感器(OCT)相继出现。目前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、无磁饱和、元二改开路危险、抗电磁干扰能力强，体积小、重量轻、安装运输方便、易于与微机保护接口等优点，已在高压开关设备中得到应用。2、微机处理技术：是集测量、运算、决策、控制、保护及遥控于一体的综合化智能体系，能完成各自对象的继电保护、实时电量监控、状态信息记录及历史记录等功能。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。其主要功能是对电路进行检测、保护和控制等。高压开关设备常见的监测内容可归纳为绝缘性能监测机械性能监测和电气性能监测三部分。具体包括:1)通过检测开断电流和燃弧时间这两个影响触头磨损量的主要参数来判断触头的电寿命。2)通过检测关键部件的机械振动、合/分闸线圈电流和电压的波形变化、控制回路通断状态，以及操动机构储能完成状况等信号，来判断断路器的机械故障。3)近年发展起来的采用UHF电磁波来监测绝缘状态，应用感温元件或红外线技术来监 控载流导体及接触部位温度。(二)智能化高压开关设备 现代传感技术、微机处理技术、状态监测和故障诊断技术在高压开关设备领域得到了广 泛应用，出现了各具特色的智能型高压开关设备。1、GIS：在智能化GIS 中，每个一次装置(互感器)配备了称为PISA(传感器和执行器处理接口)的电子接口，其主要任务有:实现AID 变换、测量信号的预处理、通过总线以及串接总线执行控制和保护命令。由于采用了PISA 技术，使脱扣、联锁、电压、电流等信号的传递时间大大减少，并能迅速作出控制或保护等操作的判断，使保护和监控更为及时、可靠。2、智能他高压熔断器：智能化熔断器结构如图7-2所示。图7-2a 为熔体部件布置示意图，智能化熔断器的保护系统(见图7-2b)由多个智能化熔断器和一个保护控制中心(PCC)组成。3.高压断路器及高压开关柜:其具有脱扣回路断线监测、动作时间检测、接触部件检测、弹簧的储能时间检测、温度/湿度检测和柜门的监视等功能，ABB公司突出的高压开关柜其结构如图7-3所示第二节第二节 智能化开关柜的基本组成与基本功能智能化开关柜的基本组成与基本功能 智能化开关柜是在常规开关柜上安装一个控/保护智能单元，利用计算机技术、网络通信技术和现代传感器技术，实现测量、计量、保护、控制、记录、显示、通信、开关柜状态在线监视与故障诊断。其智能化主要体现在以下几个方面:1.在线状态监测对开关柜本体进行故障及故障前兆的诊断及监视，包括:1)母线及柜内温度的在线监测及越限报警;2)操动机构的机械性能在线监视;3)绝缘状态的在线监测及报警。2.智能化的防误操作系统 1)具有各种操作的提示2)对操作的校核及误操作闭锁;3)禁止操作提示及操作条件提示。3.智能化的二次回路 测量、信号、保护、控制、远动的智能化。4.故障记录与分析 故障录波、故障记录、故障分析专家系统等。5.通信 开关柜应具有与变电站监控系统、变电站综合自动系统或智能配电系统进行通信的功能。一、控制、保护智能单元的结构 控制/保护智能单元一般都以单片微机为核心，加上模拟量输入通道、开关量输入通道/脉冲量输入通道、开关量输出通道、液晶显示屏幕、操作键、通信接口以及电源等。1、模拟量输入通道：采用交流采样技术，利用合适的算法算出电压、电流的初相角、幅值及频率，派生计算出P、Q 和功率因数等参数。2、开关量输入通道：采用光电隔离等抗干扰技术，来监视开关柜各种位置信号及断路器状态信号、操动机构储能信号及操作闭锁信号。3、脉冲量输入通道采用光电隔离等抗干扰技术，供脉冲电度表电度计量用c 4、开关量输出通道 采用光电隔离技术供断路器分、合闸操作用，并具有控制回路断线操作、操作电源失电信号的发生功能。5、人机界面 液晶显示及操作键，用于运行参数查询及设定各种运行参数，并作为报警与显示。6、通信接口 一般具有阳485/422标准通信接口，先进的则有现场总线接口，供通信联网用。7、电源一般采用AC220V或DCIlQ/220V输入。二、控制、保护智能单元的基本功能1.测量功能(1)电网电压(2)线路电流(3)有功功率、无功功率、功率因素、电网频率等(4)有功电度计量、无功电度计量 2.保护功能（1）线路保护速断、过电流、接地、重合闸、低频等保护。（2）电力电容器保护 速断、过电流、接地、过电压、低电压、不平衡电压、不平衡电流等保护。3.信号 断路器分、合闸位置;小车(高压开关柜)或抽屉单元(低压开关柜)位置信号:弹簧操动机构储能状态;接地开关分、合位置;闭锁信号、重合闸闭锁;闭锁控制回路失电及断线等。4.控制 断路器的分合闸控制。5.故障录波 记录故障前后28(可选)内各相电压、线路电流、零序电流波形，并具有读出功能。6.远动 通过通信网络，实现遥测、遥信、遥控、遥调四遥功能。第三节第三节 智能化开关柜的硬件系统智能化开关柜的硬件系统 一、硬件系统的结构 控制/保护智能单元由单片机系统、模拟量数据采集系统、开关量输入冯由出、串行通信接口、硬件时钟与自复位、人机对话及电源等模块组成，其原理框图如图 7-4所示。二、模拟量输入通道 模拟量输入通道原理图框如图7-5所示 对于电流测量的隔离变换与电压形成采用GYA-7 型微型电流互感器，其原理电路如图 7-6所示。保护用微型电流互感器的原理电路如图 7-7 所示在输出端井联一个电阻即可把电流 输出信号转换为电压信号。模拟量输入电路的采样保持、多路开关和模数转换环节(见图7-5)采用一块Maxim公司的MAXI叨芯片，它是单电源、多量程，有8 路输人带内部采样/保持和多路开关、时钟、基准电压的数据采集系统，转换时间为6.0间。采用这种芯片能大大简化电路。三、开关量输入、输出电路 开关量输入包括两类：1）断路器等开关元件的辅助触点和继电器的接点状态，以检测这些设备的工作状态(开还是合);2）智能单元装置本身的一些接点状态。同时开关量输出包括断路器跳闸出口以及信号出口信号。跳闸出口回路设计的关键是如何防止误动作。如图7-8所示。四、通信接口电路 系统接口电路如图7-9所示。整个通信系统由单片机部分、RS-232/RS-485 接口转换部分和系统PC 机构成。单片机输出的1逻辑电平通过光电隔离后，由MAX485 芯片转换为RS-485 电平，再由RS-232/RS-485 光 电隔离接口转换器转换为RS-232 电平，输入PC 的RS-232接口，反之亦然。五、硬件时钟与自复位电路 硬件时钟电路可选用MCl46818等专用时钟芯片。MCl46818芯片由电子时钟和存储器两部分组成，可计年、月、日、时、分、秒、星期;能处理闰月闰年;可将当前时间实时存储，以便CPU随时读取。同时为了防止运行时程序死循环，应设置硬件自复位电路。如图7-10所示，它由MCl46818、74LS393计数器和CPU组成。第四节第四节 智能化开关柜的测量与保护算法智能化开关柜的测量与保护算法 一、智能化开关柜的软件结构 智能化开关柜的控制/保护智能单元由硬件系统和软件系统两部分构成，在必要的硬件条件下，软件决定了智能单元的功能。智能单元的软件由调试程序和运行程序两部分构成。其中调试程序的主要任务是对智能单元各插件进行调试和对保护动作值进行设置，它通过键盘命令来实现。运行程序一般应有以下功能模块:对智能单元的各部分进行初始化;对交流电压和电流进行定时采样和数据处理;保护逻辑判断和跳闸处理;对开关量进行采集，并对跳 闸命令执行情况进行反馈;执行串行通信中断服务程序;执行键盘中断服务程序;运行显示程序;循环检测并发报警信号。二、测量算法 1、算法选择主要事项：1）、要考虑算法本身的数字滤波功能。2）、不能一味追求高精度或高速度，而应结合装置本身及其测控和保护的具体对象，选择合适的算法。测量算法主要用于电参数和电量的测量，包括电压、电流、功率、电能的测量。同时测量的误差受硬件和算法两方面因素的影响。电压、电流的测量算法采用均方根。根据周期性连续函数有效值的定义，将连续函数离散化，可得电压、电流有效值的计算式为 式中 N一一-每周波采样点数，N可取12，16,24 等;、ik一一电压、电流的第k 次离散采样值。有功功率、无功功率离散化后的计算式为据此还可以计算出有功功率和无功功率按下式计算 测量误差主要包括两个方面:测量中的截断误差和采样不同步误差。由于电压、电流、功率的测量值均采用离散化处理，因而其结果有截断误差。采样不同步误差是由于电网频率 波动，采样频率不能严格保持与电网频率同步而产生的。如果采取硬件测量电网频率，以此 频率决定采样点的时间间隔，则可以保证测量精度。三、保护算法 1、半周积分算法 该算法的依据是一个正弦量在任意半周期内绝对值的积分为一个常数S，且积分值S 和积分的起始点初相角 无关。正如图7-11 所示的正弦波中画有斜线的两块面积是相等的。据此，半周波的面积可写成 半周期面积S 常数可以通过图7-12所示的矩形法求和算出，即 式中 ik-第k 次电流采样值;N-每周波的采样点数:Ts-采样周期。在半周期面积S 求出后，可利用下式来算出交流电流的有效值:式中 w-正弦函数角频率 所以只要采样的点数N足够多，用矩形法近似积分的误差可以做到很小，对于微机保护是可行的。这种算法的数据窗长度为半个周期，即1伽恼。但它的运算量很小，把常数S 归人 定值后，只涉及加减法运算。另外，半周期积分算法本身有一定的高频分量滤除能力，因为叠加在基披上的高频分量在半周积分中，其对称的正负半周期相互抵消，剩余的未被抵消部分占的比重就很少了。但这种算法不能抑制故障电流中的直流分量。2、傅氏变换算法 一个周期性函数I (t)可用傅里叶级展开为各次谐波的正弦项和余弦项之和，可用下式表示:i1 (t)还可以表示为一般表达式 式中 I1-基波有效值1-t=0时基波分量初相角令 1=2I1cos1 b1=2I1sin1可以看出，只要求出基波的正弦和余弦项幅值，就很容易求得基波的有效值I1 和初相角1 根据傅氏级数的逆变原理可求得1 和 b 傅氏算法能有效地抑制直流和高次谐波分量，分离出基波分量，其滤波效果和算法稳定性都比较好。所以，对于以电流稳态基频分量为参数的保护大多采用这种算法。但傅氏算法在故障初期由于受非同期分量的影响，仍会产生相当大的误差。如何抑制非周期性分量影响是人们关心和研究的问题。第五节现场总线在智能化电器中的应用第五节现场总线在智能化电器中的应用、现场总线的优越性、现场总线的优越性 智能化电器等各种微机型电力自动装置应用现场总线是必然的趋势。采用具有现场总线的自动装置具有以下几方面明显的优越性：1)互操作性好具有现场总线接口的设备不仅在硬件上标准化，而且在接口软件上也 标准化。用户可优选不同厂家的产品集成为一个比较理想的自动化系统。2)而现场总线为开放式的互连网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循，使用户可以自由组成不同制造商的通信网络，既可与同层网络相连，也可与不同层网络相连。3)由现场总线设备组成的自动化系统，减少了占地面积，简化了控制系统内部的连接，可节约大量的连接电缆，使成本大大降低。4)安装、维护、使用方便使用现场总线接口技术，无需用很多控制电缆连接各控制单元。只需将各个设备挂接在总线上，这样就显著减少了连接电缆，使安装更方便，抗干扰能力更强。5)系统配置灵活，可扩展性好。二、二、PROFIBUS-DP 简介简介 PROFIBUS-DP(DP是“Decentralize Peripheiy”的缩写，意为分散的外围设备）是用于现场范围的快速、标准化的开放型总线系统，它归属于欧洲标准EN50170。它是一个综合系统，可使许多现场设备组成一个高速通信网络。传输介质可以是双绞线、铜线电缆或光纤。根据不同的传输介质，可实现不同的体系结构。典型的结构是线状结构；通过中继器在应用铜线时也可构成树枝状结构；在应用光纤时，借助光耦合模块（0LM)，除线状结构外，可构成环状和星状结构。FROFTBUS-DP 的特点是与 FROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)元件相兼容的。为了在应用时降低系统的反应时间，FROFIBUS-DP和FKOFBUS-FMS电器可在共用的总线上工作。FROFIBUS-DP的主要性能指标主要性能指标：1)传输介质双绞线、光纤；2)传输距离采用光纤时，最大距离可达100km;3)报文长度1244B;4)最大传输速度12Mbit/s;5)可连接用户数最多124个。三、三、ASI总线总线(-)ASI(-)ASI总线的特点总线的特点 执行器-传感器接口总线系统（ASI)是一种用于在控制器（主站）和传感器-执行器(从站）之间双向交换信息的总线网络。它属于现场总线下面的底层通信网络系统。ASI总线主要用于具有开关量特征的传感器和执行器系统，传感器可以是各种原理的位置接近开关，如温度、压力、流量、液位开关等；执行器可以是各种开关阀门，声、光报警器，也可以是继电器、接触器等低压开关电器。(二）二）ASIASI总线的体系结构总线的体系结构 ASI总线为主从结构，主机是整个系统的中心，它可以安装在控制器，如工业PC机、可编程序控制器（PLC)以及数字调节器(NC)内部。它使用专门的插卡插入到PC或PLC 的总线槽内，把ASI和控制器的CPU连接起来，主机和控制器总称为系统的主站。从站一般可分为两种：一种是带有ASI通信接口的智能传感器-执行器，在它内部装有 ASI从机（Slave)专用芯片，即Slave Chip，再加上一些外围芯片和E?PROM存储器，就构成了一体化的从站；第二种是分离型结构，它由专门设计的ASI接口模块和普通的传感器-执行器构成。ASIASI总线系统结构原理如图总线系统结构原理如图7-137-13所示。所示。图图7-13 ASI7-13 ASI总线系统结构原理图总线系统结构原理图图图7-14所示为一个所示为一个ASI总线总线网络网络的立体结构图。的立体结构图。第六节第六节 两种智能化开关柜简介两种智能化开关柜简介 一、西门子SIMODRAW智能型低压开关柜 西门子SIMODRAW智能型低压开关柜有标准PC(动力中心)柜和标准MCC(电动机控制中心）柜两种。MCC 柜内有功能单元区、母线区和电缆区三个部分。开关柜和自控层面的智能化连接见图7 15。通过总线通信系统，中央控制器可以直接访问每个抽屉对驱动模式控制命令、操作及诊断等进行编程。中央控制器是个连续性的高效率自我监察系统，同时能显示出自我诊断结果。当任何抽屉被抽出柜子时，总线通信系统将不受干扰地继续工作，停机范围将缩到最小。二、LGT-6000型智能化开关柜 LGT-6000智能型低压开关柜包括固定式、抽出式、插入式及含智能模块标准组件等多种形式。在安装智能模块标准组件后即构成LGT-6000智能型低压开关柜。LGT-6000智能型组合式低压开关柜采用标准的开放型现场总线PROFIBUS，通过总线实现主站与开关柜内电器元件通信、设置参数、远程(分合)控制、读取负载参数等。在智能化方面其主要功能及特点：1、网络管理 将具有通信能力的开关器件与之相连(或通过接口单元)，实现上位机(主站)通过总线对用户(从站)进行数据通信，实现遥控、遥调、遥信和遥测功能。PROFIBUS 总线技术最重要的优点是它具有强大的功能和广泛的应用领域。它使用同样的网络传输技术和网络协议以提供各种不同的应用服务。2、动力管理 开关柜采用西门子的PROF1BUS 网络电力仪表，主要用于测量和监测三相交流电网中的所有重要参数。该测量仪的一个突出特点是可以将特殊值及自由编程设置的高低界值的超过情况进行存储并读取。测量值通过AID 变换输入微处理器，所有的电网额定值会被连续地计算，平均值、最高值和最低值会根据需要在三个显示器中显示。4位的点阵式显示器会将数值和操作指导以英文显示。3、电动机管理 开关柜采用西门子具有通信能力的电动机保护和控制单元SIMOCODE-DP，它不仅具有完善的电动机保护功能(过载、断相故障和电流不平衡检测)，还可实现热敏电阻电动机保护功能和接地故障监视功能。4、监测系统 监控软件采用西门子公司生产的配电综合自动化系统WINCC V5.1。WINCC 是一个功能强大的集成人机界面(IHMI)软件系统 上位机选用WINCC V5.1 为设计平台，通过C肘611 与PLC 进行通信连接。上位监控的主要功能有:数据恢复、报表制作、实时监控、报警查询、系统设置及联机帮助。