0引言
柱上开关、刀闸传统的倒闸操作方式为通过绝缘杆拉合开关、刀闸或登杆操作，而柱上开关及刀闸的安装位置较高，倒闸操作存在一定不便，尤其在暴风雪、暴雨等恶劣的天气条件下操作，易发生操作人员高空坠落事故、误操作事故及柱上开关、刀闸自身质量问题引发人身设备伤亡事故，传统的操作方式存在一定的安全隐患。目前10KV配电网中架空线路占绝大多数，柱上开关的数量众多，为减轻日常倒闸操作的工作难度，降低恶劣天气下开关操作的风险和隐患，需要研究一种新的倒闸操作自动化技术解决这一难题。配网倒闸操作自动化技术的核心是通过控制器实现对柱上开关及刀闸的地面遥控操作，系统指令及柱上开关状态的传输主要利用GSM无线通讯技术进行，为避免带负荷拉刀闸的误操作，研究了在线有源验电装置。
1配网倒闸操作自动化技术基本原理
配网倒闸操作自动化系统由能量供给系统、手持无线管理器、控制中心、动作执行机构四部分组成。能量供给系统统为整个装置的运行提供能量，可以利用两种方式实现，一种是通过电压互感器从10kV线路取电，通过AC/DC变换，连接蓄电池为控制中心和电操机构供电，另一种方法是通过太阳能电池作DC/DC为电源，与蓄电池组成太阳能供电系统。手持无线管理器，即遥控器，是操作人员获取开关信息和下达操作命令的工具，它能通过无线方式唤醒开关上的控制中心，下传开关数据和上传控制命令，通过无线通讯的方式，向集控室传输柱上开关、刀闸的状态信息。控制中心是由集成CPU、无线模块和各种电路组成的高性能主板，当其被激活时可以查询蓄电池电量，分析手持管理器发出的命令，通过输出电路进行分合闸操作，并查询开关、刀闸状态，对手持管理器回传信息。动作执行机构分两种情况进行考虑，一种情况是针对柱上开关，在保留其原电动操作机构的基础上对其进行改造，加装无刷电机、偏心轮和传动杠杆，与控制中心相配合，实现分合闸的控制。另一种情况是针对传统柱上隔离刀闸，开发制作一套全新的动作执行机构。柱上隔离刀闸的验电指示装置采用电容降压，用高亮度发光二极管指示隔离开关是否带电进行验电，并对带负荷的隔离刀闸发送拒动指令，防止带负荷拉刀闸。
2柱上开关地面操作自动化装置
柱上开关地面操作自动化装置是一套10kV柱上断路器遥控分合闸和开关开合状态显示及管理的装置，主要针对10KV柱上储能空气开关和SF6开关。在不破坏原操作机构的前提下，通过加装外部装置，利用GSM网络通信技术实现在地面通过手持无线管理器即可知晓柱上开关的状态并遥控操作开关分合。
2.1能量供给系统
柱上开关操作自动化装置的能量供给系统主要有10kV取电和太阳能供电两种方式，根据供电的可靠性及安装的方便性和经济性进行选择。10kV取电直接以高压线路作为电源，通过电压互感器和AC/DC变换器输出电压为220V的电流为蓄电池供电并供负载使用，高压互感器负责改变输出电压，蓄电池负责储蓄电能，此类方式一般适用于主干线路上。太阳能供电系统由太阳电池板、充电控制器和蓄电池组三种硬件设施，此供电方式一般适用于分支线开关处。太阳能电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，并配上适当的支架及接线盒。充电控制器主要由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成，主要作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，并在充电过程中减少损耗，延长蓄电池的使用寿命。蓄电池组是将太阳电池方阵发出的直流电贮存起来，供负载使用。在光伏发电系统中,蓄电池处于浮充放电状态。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还给负载用电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。
2.2手持无线管理器
手持无线管理器即遥控器，拥有大容量存储器和无线模块。大容量存储器用于储存管区内开关的蓄电池状态数据，存储器的容量能够保存1000台开关的相应数据和报警信息。存储器采用可擦可写的EEPROM，保证停电后依然能够保存停电前的数据。无线模块是通过GSM网络技术实现信息上传和下传的核心，其具体参数为：遥控315MHz，杆上回传433MHz，功率10mW，有效控制距离25m。手持无线管理器面板上共有0～9共计10个数字按键，遥控输入的控制范围从000～999。数字键下部有指示灯3个，分别为红色分闸指示，黄色状态指示，绿色合闸指示。该系统的被控对象编码由4位数字组成，前三位是开关的编码，后一位为动作指令（“1”为查询，“2”为开闸，“3”为合闸）。如查询编号为“121”的开关状态，则在遥控器上按下“1211”，即可根据指示灯的状态得知开关目前的状态。如要对该开关进行分闸操作，可按键“1212”，合闸则按“1213”，在执行合闸动作期间，分闸动作将不被执行。手持无线管理器的主要实现读取柱上开关数据和上传控制命令功能；对紧急情况的报警功能，如电池低电压，有节点出现故障，传感器状态异常等；管区内用户管理功能，如显示开关信息、开关ID等。
2.3控制中心
控制中心是整套装置的灵魂，系统的管理能力、抗干扰能力，都由此决定。控制中心是一块集成CPU、无线模块和各种电路的高性能主板。主板上装有无线模块，可以通过GSM网络进行数据上传和下传，使用该无线模块方式的遥控系统，有极高的可靠性。主板的通讯机构平时处于休眠状态，当其被激活时可以查询蓄电池电量，并对手持管理器发出的命令进行分析和比较，之后通过输出电路下达查询、回传信息、分合闸等各种指令。主板在进入休眠状态时，保证低功耗；唤醒功能使主板立即进入工作状态，改变以往双向工作方式的耗能现象并防止干扰。
2.4动作执行机构
该装置的动作执行机构需要在现有断路器的基础上进行改造，实现与控制中心相匹配，达到遥控分合闸的目的。当控制中心下达合闸命令时，由无刷电机带动偏心轮转动，并由偏心轮拉动杠杆实现分合闸的动作；当控制中心下达分闸命令时，则由继电器完成开关的分闸动作。动作执行机构的动作原理图如图5所示。机械部分是在不改变开关原有结构的基础上加装无刷电机、偏心轮和传动杠杆，完全不影响开关的正常手动操作。这样即使遥控操作系统发生故障时，也可以采用原始的作业人员上杆手动操作的方法，形成了保障开关安全的双保险。
2.5现场检测
将装置分别在暴雨、暴雪、冰雹、大风、高温、低温、覆冰、潮湿等恶劣的天气环境下进行装置操作的现场检测，结果均能达到预期的工作效果，各项指标完全正常，稳定性良好。在上万次测试中，操作成功率为99.95%。
3柱上隔离开关地面操作自动化装置
为实现柱上隔离开关的地面操作，开发制作一套全新的地面操作自动化装置，该技术装置的硬件系统由能量供给系统、手持管理器、控制中心、执行机构、支柱绝缘子式验电装置五部分组成。该装置的能量供给系统主要采用10kV取电技术，由电压互感器、AC/DC变换器、充电控制器和蓄电池组成，基本原理与柱上开关地面操作自动化装置相同。该装置的手持管理器及控制中心与上文的柱上开关地面操作自动化装置相类似，在此就不再赘述。传统的柱上隔离开关主要采用手动操作，通过手动拉合隔离开关，为实现地面自动化操作，研制了带电动操作机构的三相组合隔离刀闸，如图6所示。三相组合隔离刀闸的动作执行机构由一组电机，偏心轮和传动杠杆组成，它能根据主板输出的命令，产生机械动作，完成对刀闸的分合闸操作。三相组合隔离刀闸的绝缘子和开关动静触头选型精良，外壳采用不锈钢密闭安装，在极端环境下（如气温，长运行静止，锈蚀等因素），保证控制的可靠性，各传动部位无死角，传动灵活连续。三相组合隔离刀闸机械部分装仍保证有手动操作扳手，这样即使遥控操作系统发生故障时，也可以采用原始的作业人员通过绝缘杆手动操作的方法，形成了保障柱上刀闸安全操作的双保险。
为了全面实现10KV柱上刀闸的自动化操作，针对10KV柱上三相组合隔离刀闸地面遥控数字操作装置而全新开发的线路支柱绝缘子式在线有源验电装置。该装置以负荷针式绝缘子FPQ-10/4T20外形尺寸为原型，将指示灯安装在支柱绝缘子与地面平行的下沿上，采用高亮度LED发光管，支柱绝缘子内部嵌入芯棒电容，提供驱动电流。内部镶嵌芯片组，与10KV柱上三相组合隔离刀闸共享手持管理器指令，如设备带电，则向三相组合隔离刀闸发出拒动指令，拒绝分合闸操作，是集电压显示，操作保护为一体的装置，是配网倒闸操作自动化技术不可或缺的重要组成部分，有效的杜绝了带负荷拉隔离刀闸等恶性误操作事故的发生。将装置分别在户外的暴雨、暴雪、冰雹、大风、高温、低温、覆冰、潮湿等恶劣的天气环境下进行装置操作的现场检测，结果均能达到预期的工作效果，各项指标完全正常，稳定性良好。在上万次测试中，操作成功率为99.97%。
4结语
通过配网倒闸操作自动化技术，改变10KV配电系统传统倒闸操作方式，降低配电工作员工劳动强度，减少了因倒闸操作引发的各类人身伤亡事故，实现配网倒闸操作设备自动化。本文研发的装置成本低，结构相对简单，针对性强，且经现场测试可靠性强，若能在实际的配电工作中得到广泛应用，将进一步提高电力系统员工的工作效率。
作者：褚忠达 李全 宫瑞邦 高威 单位：华北电力大学 国网葫芦岛供电公司 国网新疆电科院
