【正文】 來(lái)電網(wǎng)遠(yuǎn)景進(jìn)行了詳細(xì)闡述。國(guó)家電網(wǎng)公司將分三個(gè)階段推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)： 20212021 年是規(guī)劃試點(diǎn)階段，重點(diǎn)開(kāi)展堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，制定技術(shù)和管理標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和設(shè)備研制，開(kāi)展各環(huán)節(jié)的試點(diǎn)； 20212021 年這五年是全面進(jìn)行建設(shè)的階段，將重點(diǎn)加快特高壓輸電網(wǎng)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設(shè)，初步形成我國(guó)智能電網(wǎng)運(yùn)行控制和互動(dòng)服務(wù)體框架系，關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備實(shí)現(xiàn)重大突破和廣泛應(yīng)用； 20212020年是引領(lǐng)提升階段，將全面建設(shè)成統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，技術(shù)和裝備達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用一種獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，依靠永久磁鐵實(shí)現(xiàn)分合閘保持功能，代替了傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的機(jī)械脫扣和鎖扣裝置。 同步關(guān)合技術(shù)，也成為選相分合閘，是為了抑制操作過(guò)電壓和提出的，早期因?yàn)榧夹g(shù)水平原因只是長(zhǎng)期停 留在理論階段，隨著高壓電器制造水平的提高和微電子自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品正在不斷發(fā)展并投入運(yùn)行本次設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)真空斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)時(shí)間分散性大、運(yùn)動(dòng)可控性差、響應(yīng)速度慢，難實(shí)現(xiàn)精確控制現(xiàn)狀，研究了配雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)高壓真空斷路驅(qū)動(dòng)器的智能控制技術(shù)。目前，人們普遍認(rèn)為智能斷路器大致應(yīng)該有以下幾個(gè)功能：斷路器不僅可以完成傳統(tǒng)斷路器具有的分合閘功能還可以檢測(cè)自身的狀態(tài)并判斷是存 在否故障，并能診斷電網(wǎng)是否故障，還包括信息遙信技術(shù)，斷路器的自動(dòng)重合閘以及同步關(guān)合技術(shù)等。 首先，永磁機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械 上的高可靠和少維護(hù)甚至免維護(hù)。永磁機(jī)構(gòu)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大區(qū)別在于它無(wú)需脫扣和閉鎖裝置即可實(shí)現(xiàn)分合閘保持功能，而且采用的機(jī)械零部件數(shù)目大大減少，大大提高了真空斷路器的機(jī)械可靠性。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的機(jī)械部件少，而且采用的中間轉(zhuǎn)換和連接機(jī)構(gòu)也比傳統(tǒng)真空斷 路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)少，從而大大減小了執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的時(shí)間分散性和不可控性，為真空斷路器的智能化操作打下了良好的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。由于永磁機(jī)構(gòu)采用了特殊的結(jié)構(gòu)和全新的工作 原理，必然隨之也會(huì)產(chǎn)生了一系列新的理論問(wèn)題。 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景 隨著科技的日益進(jìn)步，真空斷路器無(wú)論在理論研究水平還是制造技術(shù)都在不斷提高，高壓真空斷路器日益成為高壓真空開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)以數(shù)字信號(hào)處理器為核心，可以實(shí)時(shí)獲取斷路器的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)一定的算法，通過(guò)控制機(jī)構(gòu)的分合閘線圈電流，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的智能化控制。 ABB 公司于 1997 年成功研制了 VM1 型配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器 ,從此永磁操作機(jī)構(gòu)開(kāi)始逐步運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)際工作之中。這在國(guó)內(nèi)掀起了永磁機(jī)構(gòu)研究熱潮 ,如錦州華光電器有限責(zé)任公司、北京華東開(kāi)關(guān)廠、常州森源開(kāi) 關(guān)有限公司等國(guó)內(nèi)著名的斷路器生產(chǎn)企業(yè)相繼投入大量人力物力財(cái)力成立企業(yè)研發(fā)小組研制開(kāi)發(fā)類似的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器 ,使高性能的釹鐵硼稀土永磁材料在永磁機(jī)構(gòu)中得到更加廣泛應(yīng)用。它具有的高壽命的真空滅弧室并采用環(huán)氧澆注固封極柱，并配有高機(jī)械可靠性永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，電子控制部分用新型的光電接近開(kāi)關(guān)取代傳統(tǒng)的輔助開(kāi)關(guān)，并采用了電氣壽命較長(zhǎng)的充電電容器作為電源和智能控制單元保證了電氣控制部分的免維護(hù)。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可用手動(dòng)分閘操作裝置緊急分?jǐn)鄶嗦菲?。? 級(jí)和 級(jí)真空斷路器上配用永磁機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始了研制，由于斷路器觸頭開(kāi)距較大，可考慮采用單相直動(dòng)式操作，并可考慮將同步技術(shù)應(yīng)用于較高電壓等級(jí)，因此，將永磁機(jī)構(gòu)應(yīng)用于高電壓等級(jí)的斷路器也具有很大的發(fā)展前景。 與傳統(tǒng)高壓真空斷路器使用的的電磁式機(jī)構(gòu)或電動(dòng)彈簧式操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，機(jī)械可靠性較以往有很 8 大的提高。采用這樣的結(jié)構(gòu)，動(dòng)作部件少，使得操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有更好的可控性，為高壓真空斷路器實(shí)現(xiàn)智能化控制打下了基礎(chǔ)。2 為動(dòng)鐵心 ,是整個(gè)機(jī)構(gòu)中最主要的動(dòng)部件 。 當(dāng)真空斷路器處于合閘或分閘狀態(tài)時(shí)，分、合閘線圈中無(wú)勵(lì)磁電流，永久磁體利用永磁體的吸引力 將動(dòng)鐵心固定在上、下極限位置，而不需要傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中復(fù)雜機(jī)械聯(lián)鎖裝置。綜上所述，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)將電磁鐵與永久磁體特殊結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部功能 :由永久磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脫扣和鎖扣裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)鐵心在行程極限位置的保持功能，由通電勵(lì)磁的分、合閘線圈提供操作時(shí)所需的能量。 （ 2)分、合閘操作時(shí)間短，而且時(shí)間分散性小，便于實(shí)現(xiàn)精確控制。這樣永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)就保持了電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)可以用小功率電源操作的優(yōu)點(diǎn)，而沒(méi)有它那樣復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。真空斷路器的智能控制器還可以通過(guò)計(jì)算確定精確發(fā)出分合閘信號(hào)的時(shí)間，為同步開(kāi)合的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。在永久磁體的下方和上方分別安裝有合閘線圈 6 和分閘線圈 3。動(dòng)鐵心理論上有三個(gè)平衡狀態(tài) :其一為動(dòng)鐵心位于靜鐵心的最上方，動(dòng)鐵心的上端與靜鐵心的上磁極 8 接觸，見(jiàn)圖 22 中左上角分閘狀態(tài)圖。在合閘狀態(tài)時(shí)，與分閘情況相反，永磁體通過(guò)下部磁路的磁阻很小，磁通集中在下部磁路，動(dòng)鐵心被吸在下磁極 7 上。正因?yàn)槿绱耍瑘D 22 所示的這種雙線圈永磁機(jī)構(gòu)稱作雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。靜鐵心下磁極對(duì)動(dòng)鐵心的吸引力減小，上磁極對(duì)動(dòng)鐵心的吸引力增大。 合閘過(guò)程與分閘過(guò)程正好相反：合閘線圈中通過(guò)勵(lì)磁電流 (見(jiàn)圖 22 合閘過(guò)程圖 )并在上部間隙產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，動(dòng)鐵心上受到的總的向下的吸引力減小，當(dāng)吸引力小于動(dòng)鐵心的機(jī)械負(fù)荷時(shí)動(dòng)鐵心開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到極限位置即合閘位置，動(dòng)鐵心重新與永磁體吸合 .切斷合閘線圈電流后，動(dòng)鐵心保持在合閘位置不變，合閘過(guò)程結(jié)束。磁路中兩個(gè)控制線圈的安匝數(shù)設(shè)為 1IN 和 2IN ,兩個(gè)工作氣隙的磁阻 1R , 2R 均可表示為： 0R S??? （ 21） 式中 , 0? 為空氣的磁導(dǎo)率； S 為磁極的面積 ,δ為空氣間隙長(zhǎng)度 ,當(dāng)動(dòng)鐵心處于兩個(gè)極端位置時(shí) ,空氣隙的磁阻為 0R 及 SR 000R S??? （ 22） 0mR S? ??? （ 23） 式中 , 0? 為最小氣隙長(zhǎng)度 , m? 為最大氣隙長(zhǎng)度 , 0? m? 。在通電的瞬間 , 1IN =IN, 2IN = 32 可得出上下氣隙的磁通為 1 11 1m? ? ???； 2 12 2m? ? ??? （ 216） 將式 (27)～式 (210)代入上式得 1 1 [ ( ) ]mmIN R R IN R??? ? ? ?? (217) 201 []mmINR IN R? ??? (218) (3)當(dāng)可動(dòng)鐵心位 于靜鐵心的中部時(shí) ,永久磁體通過(guò)上部和下部氣隙的磁阻大小相等 ,此時(shí)動(dòng)鐵心的上端和下端受靜鐵心的磁吸引力大小相等 ,動(dòng)鐵心處于一種不穩(wěn)定的平衡態(tài)。當(dāng)線圈中的勵(lì)磁電流增大到一定的值時(shí) ,動(dòng)鐵心所受到的向下的合力等于動(dòng)鐵心上的機(jī)械負(fù)載 Fr,動(dòng)鐵心開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)。分析永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過(guò)程 的目的在于 :一是可以較精確地計(jì)算出機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間 ,進(jìn)而計(jì)算斷路器觸頭的動(dòng)作時(shí)間及觸頭的運(yùn)動(dòng)速度；二是可以通過(guò)觸頭動(dòng)作過(guò)程中吸力與反力的合理配合 ,使之既可以保證動(dòng)作的可靠性 ,又能改善機(jī)械碰撞 ,進(jìn)而提高斷路器的電氣和機(jī)械壽命。由于永磁機(jī)構(gòu)可動(dòng)觸頭機(jī)械行程較大 ,同時(shí)動(dòng)靜鐵心之間的空氣間隙較大 ,線圈通電時(shí)存在的漏磁在總的磁通中占很大比例 ,忽如果略漏磁，就會(huì)引起很大的計(jì)算誤差。由于配有永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓真空斷路器分閘或與閘特性只跟分合閘線圈參數(shù)有關(guān)，同時(shí)控制勵(lì)磁線圈的電參數(shù)也是很容易實(shí)現(xiàn)的，因此可用現(xiàn)代微機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制永磁機(jī)構(gòu)的分合閘特性，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的真空斷路器的智能化控。同時(shí)還要對(duì)高壓真空斷路器自身工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。同理在控制算法設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮算法的快速性和收斂性，以保證控制的實(shí)時(shí)性、開(kāi)合動(dòng)作的實(shí)時(shí)性。 3)安全性?？筛鶕?jù)需要調(diào)整斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以獲得最合適的分合閘速度和最佳分合閘時(shí) 間為實(shí)現(xiàn)同步開(kāi)合創(chuàng)造良好條件。通過(guò)與線檢測(cè)技術(shù) 19 結(jié)合來(lái)最大限度地體現(xiàn)出永磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性。 1)智能識(shí)別控制模塊 :該模塊是高壓真空斷路器智能控制器的核。 20 2)數(shù)據(jù)采集模塊 :它主要由小型電壓、電流轉(zhuǎn)換裝置和高速 多通道 A/D 轉(zhuǎn)換器組成，可隨時(shí)接收斷路器智能控制器的分閘命令、合閘命令、失壓跳閘信號(hào)、過(guò)流跳閘信號(hào) ,接收傳感器提供斷路器的分合閘狀態(tài)信號(hào)、斷路器位置信號(hào) ,接收當(dāng)前系統(tǒng)電壓、斷路器的操動(dòng)電源信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)等。 分 合 閘 信 號(hào) 采 樣 模 塊 C P U 模 塊電 源 模 塊驅(qū) 動(dòng) 模 塊電 容 器 模 塊分 合 閘 位 置 采 樣 模 塊 圖 32智能化操作單元結(jié)構(gòu)原理示意圖 Intelligent operation unit structure 要完成分、合閘操作，必須在永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合閘線圈中通以電流勵(lì)磁產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生電磁吸引力，依靠電磁吸引的作用才能驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)。另外，要使智能斷路器能夠在各種環(huán)境下都可靠工作，首先應(yīng)該解決的問(wèn)題是電容器的使用壽命問(wèn)題。當(dāng)檢測(cè)到真空斷路器的合閘或分閘位置時(shí)立即發(fā)出高、低電平，并將高、低電平 傳送至 CPU 模塊，通過(guò)邏輯計(jì)算后分別送至分合閘邏輯驅(qū)動(dòng)電路，及時(shí)切斷分合閘線圈中的脈動(dòng)電流。若采用同步關(guān)合技術(shù)，還需要通過(guò)調(diào)節(jié)裝置來(lái)改變操動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)，使斷路器的運(yùn)動(dòng)特性與當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)相適應(yīng)。首先，永磁機(jī)構(gòu)控制裝置的供電電源一般選擇電容器，因此它的控制部分比傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制回路多了一個(gè)電容器的充電控制環(huán)節(jié)，穩(wěn)定電容器充電的電壓值，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。高壓真空斷路器智能控制器的另外一個(gè)特點(diǎn)是，采用新型電源系統(tǒng)解決操動(dòng)電源問(wèn)題，并可設(shè)計(jì)光纖接口，通過(guò)光纖傳遞信號(hào)來(lái)發(fā)出分合閘命令，同時(shí)，內(nèi)部的各種參數(shù)也可通過(guò)光纖傳輸?shù)蕉慰刂苹芈贰? 充電單元：當(dāng)電容器組的工作電壓小于規(guī)定值時(shí)，對(duì)電容器組進(jìn)行整流穩(wěn)壓限流充電。 執(zhí)行單元：實(shí)現(xiàn)對(duì)分、合閘線圈的放電，以產(chǎn)生激勵(lì)電流和磁場(chǎng)使操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而完成斷路器的分、合閘操作。因此在對(duì)高壓真空斷路器智能控制器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其惡劣而復(fù)雜的工作條件，并保證在這樣的條件下在保證其可靠 性的基礎(chǔ)上提高檢測(cè)模塊的的精度和整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度等綜合性能指標(biāo)。另一種方案是采用蓄電池。除此之外，電容器還可以直接被并聯(lián)使 用，而不會(huì)產(chǎn)生蓄電池并聯(lián)時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)流效應(yīng)問(wèn)題。戶內(nèi)高壓真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)中的電源在實(shí)際工作時(shí)的電壓大約為 DC100V，因此必須保證為電容器充電的電源輸出電壓為 DC100V。它能儲(chǔ)存完成一個(gè)完整 O－ CO 操作循環(huán)的低于 250J 電能。同時(shí)，永磁機(jī)構(gòu)在動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)到行程極限位置后，為減少碰撞損耗和電源損耗，應(yīng)及時(shí)對(duì)分、合閘線圈進(jìn)行斷電。當(dāng)接收到來(lái)自手動(dòng)、自動(dòng)控制模塊的分、合閘指令時(shí)，送至CPU，邏輯控制回路會(huì)根據(jù)分、合閘位置采樣模塊發(fā)出的高、低電平（代表相應(yīng)的分合閘位置信息），自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前斷路器狀態(tài)，以決定是否執(zhí)行分、合閘指令。另一方面，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化，有利于提高 CPU 的處理速度。 3) 邏輯結(jié)構(gòu)清晰。 本設(shè)計(jì)中的微處理器采用高性能的 PIC 16F877，它具有 8kB? 4 個(gè)片內(nèi)Flash 程序存儲(chǔ)器， 368kB? 8 個(gè)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)， 256kB? 8 個(gè) EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及 10 位多通道 A/D 轉(zhuǎn)換器。模擬量要通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量來(lái)分析。 光電耦合器件是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發(fā)光二極管和輸出端的光敏元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。光電耦合器用于消除噪聲主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面 :一方面是防止輸入端的噪聲傳遞到輸出端，而只把有用信號(hào)傳送到輸出端。另外，用于低電壓時(shí)，其傳輸距離以100 米以內(nèi)為限、傳輸速率在 10Kbps 以下為 宜。其中電壓模擬量輸入電路示意圖如圖 45 所示，電流模擬量輸入與之類似。 信號(hào)輸出單元 信號(hào)輸出單元用于指示高壓真空斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)分閘時(shí)電容器兩端的電壓大于規(guī)定值時(shí)，標(biāo)志分閘電容電壓過(guò)量的指示燈亮 。當(dāng)失壓保護(hù)投入工作，且線路二次電壓低于設(shè)定值時(shí)，失壓指示燈亮 。 C P U電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路 光 電 隔 離 器 控 制 臺(tái)面 板 指 示 燈 圖 36 輸出單元示意圖 Output unit schematic 硬件監(jiān)控電路 電源的監(jiān)控電路就是帶電壓監(jiān)控的復(fù)位電路。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，設(shè)有看門狗的功能。硬件監(jiān)控電路如圖 47所示。 電磁兼容抗干擾技術(shù) 高壓真空斷路器智能控制器的電磁兼容性能是考驗(yàn)智能控制器在實(shí)際的工 31 作狀態(tài)下對(duì)阻尼震蕩波、電快速瞬變脈沖群、浪涌 (沖擊 )三類干擾信號(hào)的抗干擾能力，在線路中注入沖擊電壓時(shí)是否會(huì)引起控制系統(tǒng)的永久性損壞，在電快速瞬態(tài)或短脈沖或振蕩波抗擾實(shí)驗(yàn)中，僅允許規(guī)定的暫時(shí)功能性失效。電子元器件和設(shè)備的推廣使用，更是增加了因電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾而引起的誤動(dòng)、損壞等危險(xiǎn)，使得對(duì)高壓真空斷路器智能控制裝置電磁兼容性的研究變得越來(lái)越復(fù)雜且越 重要。微控制器系統(tǒng)若能使用同一頻率源，即可保證頻率特性要求。分析電源內(nèi)阻的實(shí)際上就是對(duì)電源所能提供最大瞬時(shí)功率的