智能化PASS开关在500kV变电站中的应用

【论文摘要】瑞士ABB高压技术公司最近几年推出的插接式开关系统(PASS)，是一种新型智能化高压开关。ABB公司在其中大胆采用新技术，在思维上和设计上均有很多创新，使其在结构上具有紧凑、小型化、少连接电缆和占地少的特点，在性能上具有可靠性高、智能化程度高、维护量少的特点。该开关的设计思路体现了未来一次电气设备发展的方向，具有广阔的发展前景。而全部采用智能化PASS开关的澳大利亚的275kV Blackwall变电站和Braemar变电站已分别于1999年和2000年投入了运行，并取得了良好的运行效果。 该开关的使用和推广不仅能整体提高电网设备的装备水平和技术含量，提高电网运行的可靠性和经济性，节省土地资源

1. PASS开关特点介绍

PASS(Plug&Switch System)开关是一种组合式智能化电气设备，由一次主设备，二次智能化设备和过程处理及通信接口设备构成。PASS开关较GIS简单，为固定式配置结构，无出线的隔离开关和接地刀，在一台半开关接线中也没有断路器另一侧的隔离开关和接地刀。其主要特点为：
(1) 所有一次部分均设计在同一SF6气室中，所有操作功能都融合在一个操作箱内，可动元件少，布置紧凑。
(2) 继承了GIS的优点。PASS开关的主设备、操作机构和灭弧室等均采用成熟的GIS技术，保证设备的可靠性。光电式电流电压传感器已经过试验并在GIS上有运行业绩。ABB声称能保证20a内免检修。
(3) 简化设备，用尽量少的元件完成全部功能，如取消出线隔离开关及接地刀等。
(4) 在一次设备中采用了智能化传感器技术和微处理技术，通过数字通信实现对设备的在线监测、诊断、过程监视和站内计算机监控。从PASS开关到继电保护、测量计量及监控系统均采用光缆连接，二次电缆少。这些技术目前在世界上是领先的。
(5)对一次设备的在线监测、自动状态校核和缺陷报警等代替了传统的定期检查试验和预防性试验，将定期检查改变为状态检修，运行人员可根据设备运行状况及趋势分析结果，安排检修和维护时间。这样既减少了设备停电检修的几率和时间，减少了运行成本，也减少人为因素造成的设备损坏。
(6) 检修时整体更换，无须拆装和调试，减少停电时间。
(7) PASS的设备价格较GIS便宜，比AIS贵。PASS开关中最为突出的特点就是采用智能传感器和微处理器设备。

1.1 光电式电流、电压传感器 光电式电流传感器由传感器、存储器和过程控制单元(PISA)组成。

电流传感器是基于Rogowski线圈(罗次线圈)原理，输出为正比于电流的导数(Mdi/dt，比例因子M与线圈的几何结构有关)的低压模拟量信号，然后在PISA中进行A/D转换和数字积分并运行。电压传感器是基于电容式分压器原理，其输出正比于一次相对地电压，同样在PISA中进行A/D转换。与常规电流和电压互感器比较，具有下列特点：
(1) 线性度高、准确度高。无铁芯和铁磁线圈，其测量精度不受二次负载限制，不存在磁饱和、剩磁、铁磁谐振及非线性等问题。但环境温度(对电流传感器)和SF6气体密度(对电压传感器)会对其测量精度产生影响。对其进行温度补偿后，在环境温度-40 -50℃时，精度可达0.2级。
(2) 测量范围广。能同时满足继电保护和测量计量的要求，其测量频带宽度可作到从几Hz至KHz。
(3) 与主设备共体，无占地、绝缘介质维护、瓷套管维护、重量轻及寿命长等优点，无常规CT和PT的爆裂问题。

1.2 其他功能传感器

SF6气体密度传感器和温度传感器用于对SF6绝缘气体密度及开关的温度的工况进行连续监测，以确定SF6绝缘气体泄露情况及进行温度补偿。位置传感器用于监测断路器开关位置、储能状况、隔离开关和地刀位置、驱动马达的状况等，还可监测到设备开合的动作行程、操作时间和电动马达的电流等。通过智能软件分析可确定出设备的运行状况。

1.3 过程处理单元(PISA)

所有一次设备，无论是断路器、隔离开关或接地刀等操作设备还是U/I传感器等测量设备都分别装设有过程处理单元(PISA)。PISA用于完成对传感器输出量进行模拟量滤波、采样、模数转换、数字滤波、信号预处理、标记时间、计算、数据接口和光电转换等。 1.4 外部设备的接口 PISA与间隔层保护或控制设备的接口，通过IEC61375(MVB)过程处理总线完成。PISA与间隔层保护和计量设备的通信，采用MVB总线点对点单向通信规约。而与间隔层测控设备的通信采用MVB双向通信规约。

2. PASS开关在工程应用中注意的方面

2.1 倒闸操作及检修维护

设备或线路在运行检修或倒闸操作时的接地需经过PASS开关的断路器，这与传统习惯是不同的。而当PASS开关发生如拒动、绝缘破坏等故障需更换检修时，会因此而引起停电范围的扩大化。不同位置的开关，其停电范围也不同。虽然PASS开关检修的几率很小，但影响范围较大，故在设计电气主接线和在制定运行规程时需认真考虑。

2.2 PASS开关的运输

PASS开关的检修采取整体更换，而不是先分解再组装的方式。对500kV系统，PASS开关更换运输时若相间道路宽度和设备构架高度按满足运输时的带电距离要求设计时，占地面积会较大，设备构架高度会很高。这就丧失了PASS开关占地小的优点。若PASS设备在更换运输时采取经过其间隔预先将该间隔停电的方式，则可充分发挥其占地面积小的优势，但由此会带来扩大停电范围和倒闸操作繁锁的缺点，而相关的调度规程也需修改。鉴于设备更换检修的次数极少，此方法是可行的。

2.3 与间隔层继电保护及监控设备的接口
变电站自动化系统目前尚无统一传输规约及网络标准，PASS开关目前仅IEC61375(MVB)过程处理总线规约一种方式，国内的保护装置和站内自动化装置尚未开发此接口规约。故当其与间隔层继电保护及监控系统设备是不同生产厂家时，其接口需进行传输规约的转换。对于保护装置，其电流、电压输入信号传递的实时性和可靠性要求特别高，规约转换的效果会对保护的可靠性、快速性和灵敏性产生直接影响，也将影响到电力系统运行的安全性。

2.3.1 与保护设备的接口

与保护设备的接口方式应权衡工程建设周期、电网要求及在电网中的重要性等多种因数综合考虑。主要有以下三种方式。
方式一：保护设备全进口且与PASS开关同一生产厂家。其优点在于接口简单，适合于试验工程和近期工程；能与IEC61375(MVB)过程处理总线接口且有运行经验；能提供智能化系统的全部功能；能全面和综合考察PASS开关及系统设备的性能而不受其它设备和因素的影响。其缺点在于所有设备均需进口，设备投资费用高，不符合国家相关产业政策；因系统保护配置及选型与相临的多个变电站相关，使系统及配合复杂。

方式二：采取将PASS开关二次输出的数字量信号转化为低压模拟量信号输出的方法接口，即电流、电压传感器信号→PISA→光缆传输→保护装置上D/A转化器→CPU)。其中D/A转化器由ABB提供。采用该方式的优点在于：在与不同厂家设备间接口时所需的技术配合最少，时间最短且容易实现；适合于近期工程。其缺点为增加了不必要的D/A和A/D转换环节，使信号传输的可靠性和性能有所打折。

方式三：国产的保护装置直接与PASS开关进行数字接口。即电流、电压传感器信号→PISA→光缆→数据接收模块(保护装置一部分，由MVBC和FPGA组成)→保护CPU。这是PASS设备大范围的推广以及促进民族工业发展的必由之路。但这不是短期内可以实现的。因为该方式的接口需要ABB提供：MVBC硬件及相应的开发环境，包括MVBC芯片及芯片手册，MVBC芯片开发器，MVBC芯片的供应渠道等；MVBC软件的开发环境，包括MVBC的编程手册，样例程序，编译连接工具软件等；MVB点对点的通信规约；保护与MVB的接口电路资料，包括FPGA数据缓冲电路的相关资料，与CPU的接口方式及规约等；PISA的仿真器，MVB网络的调试软件及工具等大量的技术资料及技术支持。

2.3.2 与变电站监控系统的接口

与变电站监控系统的间隔层测控单元的接口，在近期工程中建议进口ABB的REC580间隔控制单元装置。其好处是与IEC61375(MVB)过程处理总线接口以及与PC机接口方便。REC580有与LONWORKS总线的接口，通过LONWORKS总线可与其他间隔的REC580通信。也可考虑直接与国内的采用LONWORKS总线通信的变电站计算机监控系统相接口。在国内厂家自主开发该部分接口时，也需ABB提供MVB双向通信规约及PAM-HMI一次设备监测的人机接口软件的开发环境等资料。我们反对在PASS开关中用常规的电流互感器(PT外配)代替光电式电流、电压传感器以及用常规的开关辅助触点代替智能化设备的作法。虽然该作法与现有保护及监控设备接口最方便，但丧失了光电式电流、电压传感器和PASS开关智能化系统的全部性能，也失去了对设备进行监测的“眼睛”，PASS开关的维护需与常规设备一样进行，致使其倒闸操作变得非常频繁，人为事故难免发生。

3. 对PASS开关应用的总体评价

PASS开关的推出，改变了传统变电工程的建设、运行和维护的模式，提供了一种少投资、高效、提高可靠性、少维护和无人值守管理模式的新的思维模式。由于将其引用于500kV变电工程时无其它先例可借鉴、故无论在建设、研究开发、设计还是施工、运行和维护等方面，需从系统安全可靠运行的角度出发来对待二次系统配置、接口以及倒闸操作等这些必需认真分析和深入研究的课题。