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摘要：随着电力企业“大运行”模式的转变，电力调度调控一体化正向着规模化发展。作为电网调度及倒闸操作中的关键设备，高压隔离开关对电力系统的安全运行及维护有着举足轻重的作用。随着远方遥控操作模式的推广实施，在隔离开关的一次侧实现准确的状态监测，更加突显其重要的安全意义。本文采用激光传感器的方式实现了对远方遥控操作隔离开关一次侧动触头位置的精确监测，为调控一体化的实用化起到了积极作用。
关键词：激光感应；智能高压设备；网络通信；无线通讯
0 引言
为提高电网企业的管理水平，许多电网公司实施了集约化发展、精益化管理的目標，调控一体化便是其中的有效措施之一。调控一体化运行管模式是对调度管理及变电运行管理的创新，也是大型智能电网发展的必然趋势。
传统的管理模式中，调度运行与设备运行业务流程环节多、链条长，增加了运行环节，影响了实时控制效率，不利于进一步提高运行绩效和劳动效率。调控一体化即将原来的变电监控、变电运行维护完全分离的运作模式改为将监控业务与调度业务全面融合，即实现电网调度与电网监控的一体化管理的新模式。这种模式显著地提高了电网故障处理效率和日常操作工作效率，充分运用资源共享，达到减员增效的目的。
随着电网中调度操作权的转移，现在将倒闸操作也改由调度执行[1]。众所周知，电力系统中通常将电气设备分为运行、冷备用、热备用和检修四种状态，将设备由一种状态转变为另一种状态的过程叫倒闸，所进行的操作叫倒闸操作，通过操作隔离开关、断路器以及挂、拆接地线将电气设备从一种状态转换为另一种状态或使系统改变运行方式。
在调控一体化中对电气设备所必须监视的参量有：
a.遥感量：位置信号，断路器的位置、隔离开关的位置、接地刀闸的位置、主变分接头位置。
b.遥测量：连续变化量信号，设备的有功、无功、电流、电压。
c.变位信号指刀闸、地刀、切换开关、压板等设备或装置的变位信号[2]。
由此可见，在调度操作中，尤其是倒闸操作对隔离开关动作即触头位置的精确掌握是十分重要的。以往在变电站值班人工进行操作时，操作人员就站在隔离开关的附近，可以直接观察隔离开关开拉后主触头的实际动作情况，以确定是否“分”、“合”到位。但是现在在调度台遥控电动操作后，由于操作人员是远在百里之外操作遥控，无法观测现场动作后的闸刀刀片实际的“分”、“合”状况，这对系统运行和安全生产来说是一个很大的隐患。设计安装隔离开关的目的是形成一个明显的断开点，造成电气的安全隔离，因此对电动遥控闸刀操作后的高压动触头的位置进行在线测定是极为重要的，否则有可能造成严重的安全事故。为此，实现对一次刀闸的精准监测是调控一体化实施中必不可少的一个环节。
1 设计依据
项目设计的依据：根据国家电网公司企业标准Q/GDW393-2009，110KV～220KV～500KV（智能变电站设计规范）第5.1.2智能终端配置原则，对于母线间隔，智能终端负责该段母线上所有刀闸信息采集和智能控制[3]。
智能变电站单元的智能终端设备由智能组件等构成，而由智能组件实现对隔离开关等一次设备的位置信息采集。本装置中，采用由激光感测元件组成的智能组件实现对隔离开关状态的信息采集。
智能组件设计中，一个智能组件隶属于一个断路器间隔，包括断路器及其相关的隔离开关、接地开关、快速接地开关等。本项目重点是解决敞开式AIS隔离开关设备智能化组件改造中的技术问题。
2 激光感应器件的物理原理
激光型光电开关利用被检测物体对红外激光束的遮档或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其被检物体不限于金属，能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，激光型光电开关可分为：a、漫反射式光电开关；b、镜反射式光电开关（4）。本项目中使用的镜反射式光电开关集发射器与接收器于一体，光电开关发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就发生了检测开关信号。光电开关具有不同的形式：分npn二线，npn三线，AC二线，AC五线（自带继电器）。
如图所示：
传统的高压隔离开关判断刀闸的开、闭状态采用的方法是：在控制刀闸"分"、"合"的操作机构转轴上安装辅助开关[5][6]。当操作机械动作时，带动隔离开关转轴进行转动，从而改变辅助开关的状态，并利用该状态对刀闸的开合状态进行间接地判断。这只是通过对二次侧（低压侧）的检测，由于并没有反映出隔离开关一次侧（高压侧）的实际"分"、"合"状态的情况。这种检测方法在现场运行中仍然存在着极大的安全风险。
本方案由激光传感器来实现对隔离开关一次侧的监测。如图2所示，是一个水平运动型高压隔离开关的激光感应检测装置。对隔离开关状态的监测，主要是针对隔离开关的动触头的位置进行监测。分别针对A、B、C三相的动触头处于闭合位置和全分开位置，共需要12个激光发射感应器和12只激光反射镜（板）。激光反射镜固定安装于隔离开关的动触头上，激光发射感应器固定安装于动触头的下方的地面或支架上。以图示中的水平运动型隔离开关为例，
a.针对隔离开关全开或闭合的监测方法是：当动触头处于闭合位置时，承担闭合检测激光发射感应器发出的光线线束刚好能经由动触头上的反射镜面反射后到达对应闭合位置的激光感应器光敏面，激光感应器接收到激光信号，便输出一个相应的特征电信号；当动触头转动离开闭合位置时，由于承担闭合位检测的激光反射镜也会随着开关臂转动而改变位置，无法再将激光发射感应器的激光线束反射回其激光感应器光敏面上，此时，激光发射感应器接收不到激光光束，便相应输出一个低电平信号。
b.对隔离开关全开的监测方法是：当动触头处于全分开位置时，承担全开检测的激光发射感应器发出的激光线束刚好能经由动触头上的反射镜反射后到达对应的全开位置的激光感应器，激光感应器接收到激光信号，便输出一个高电平信号；当动触头转动离开全分开位置时，由于承担全开位置检测的激光反射镜也会随着动触头转动而改变位置，无法再将激光线束发射至激光感应器上，此时，激光感应器接收不到激光信号，便相应输出一个低电平信号。利用上述方法，可以精准监测动触头是否处于闭合或全分开位置。 3 装置的工程设计
本方案系统中的框架原理如图3所示，激光感应器用于接收从激光反射镜发射回来的激光光束，并根据是否接受到激光线束而输出一个开关量信号给逻辑判断模块；激光发射镜安装于隔离开关的动触头上，用于将激光光束发射到激光感应器上，由感应器将信号再输出[7]。
逻辑判断模块接收所有的激光感应器输出的开关量信号，并同时接收隔离开关二次电路输出的状态信号，并将这些开关信号量和状态信号通过宽带网络通讯模块发送到后端服务器。逻辑判断模块还通过串口连接摄像模块，当隔离开关状态发生变化时，通过串口触发摄像模块将隔离开关的图像信号发送到后台服务器。
摄像监视模块安装于隔离开关附近，用于摄取隔离开关的实时图像，当接收到逻辑判断模块发来的触发信号，实时摄取隔离开关的图像，并通过百兆网络设备发送到后端服务器。
宽带网络通讯模块通过百兆网线与控制中心，建立起隔离开关状态逻辑判断模块、摄像模块和后端服务器的连接；
后端服务器接收所有的隔离开关的开合状态信息，摄像模块的前端图像，并以图形显示的方式显示在屏幕上。
后台服务器可以选用标准的商用服务器，如联想的ThinkServer TS540 S1275v3 4/300A2HOP，配置为CPU采用Intel Xeon E3-1275 v3，4GB DDR3内存并采用400GB高可靠性存储磁盘。服务器系统的开发和应用环境在Windows平台下或是Linux下，同时采用SQL Server数据库实现所有相关数据的分类整理和存储，并利用实时控制软件向前端主动发起数据采集，数据传输过程主要以百兆网络线连接通信。
4 现场实施情况
在浙江省金华电力公司220kv华金变电站实施的110KV隔离开关运行监测系统，如图4-a和4-b，利用现场激光监测台上安装的摄像头的视频图像进行智能化的視频处理后，与逻辑系统综合分析，作出对隔离开关位置状态的判断，将信号输送通过网络传输到调度中心。
5 系统功能及技术指标
1）激光反射传输距离≥25m
2）激光监测路数：A、B、C三相前后位置12路
3）智能同步判定时间≤3s
4）通讯接口：符合IEC61850标准，网络标准RJ-45网口
5）精度：±2mm
6、准确度：99.99%
7）室内外终端工作温度：-10℃～70℃（海拔1000M）
6 结束语
本装置运用激光感应技术通过对一次侧（高压侧）的位置检测，实现精准监测动触头的"分""合"状态，具有如同值班人员在现场实际观测的等同效果，大大提高了电力设备操作运行的可靠性。从而解决了由于隔离开关采用后台遥控操作，实现无人值班而无法现场观察闸刀的实际动作所带来的安全隐患。系统具有安全、可靠、准确简便的特点。但运行中的可靠性和抗强电场的干扰能力尚有待在实际应用中得到验证和完善。通过本方案的实施完善了电网调控一体化，是倒闸操作中一个十分重要的辅助工具。
参 考 文 献
[1]李红蕾，戚伟，陈昌伟编著，智能电网模式下的配网调控一体化研究，西安供电局，萧山供电局，陕西电力，2010.5.
[2] 李翔著，南方电网调控一体化运行管理模式，硕士学位论文，华北电力大学，2013.6.
[3] 国家电网公司企业标准 Q / GDW 393 - 2009 110（66）kV～220kV 智能变电站设计规范，国家电网公司，2010.2
[4]鲍丙豪等编，传感器手册，化学工业出版社，2008.4
[5]张涛主编，河南省电力公司，高压隔离开关安装与检修，中国电力出版社，2012.7
[6]苑舜，崔文军编著，高压隔离开支关设计与改造，中国电力出版社，2004.4
[7]张京伦，发明专利 一种动触头位置检测的动触头垂直运动型高压隔离开关（发明）专利号：ZL201110167442.1 2013年12月4日授权
关键词：激光感应；智能高压设备；网络通信；无线通讯
0 引言
为提高电网企业的管理水平，许多电网公司实施了集约化发展、精益化管理的目標，调控一体化便是其中的有效措施之一。调控一体化运行管模式是对调度管理及变电运行管理的创新，也是大型智能电网发展的必然趋势。
传统的管理模式中，调度运行与设备运行业务流程环节多、链条长，增加了运行环节，影响了实时控制效率，不利于进一步提高运行绩效和劳动效率。调控一体化即将原来的变电监控、变电运行维护完全分离的运作模式改为将监控业务与调度业务全面融合，即实现电网调度与电网监控的一体化管理的新模式。这种模式显著地提高了电网故障处理效率和日常操作工作效率，充分运用资源共享，达到减员增效的目的。
随着电网中调度操作权的转移，现在将倒闸操作也改由调度执行[1]。众所周知，电力系统中通常将电气设备分为运行、冷备用、热备用和检修四种状态，将设备由一种状态转变为另一种状态的过程叫倒闸，所进行的操作叫倒闸操作，通过操作隔离开关、断路器以及挂、拆接地线将电气设备从一种状态转换为另一种状态或使系统改变运行方式。
在调控一体化中对电气设备所必须监视的参量有：
a.遥感量：位置信号，断路器的位置、隔离开关的位置、接地刀闸的位置、主变分接头位置。
b.遥测量：连续变化量信号，设备的有功、无功、电流、电压。
c.变位信号指刀闸、地刀、切换开关、压板等设备或装置的变位信号[2]。
由此可见，在调度操作中，尤其是倒闸操作对隔离开关动作即触头位置的精确掌握是十分重要的。以往在变电站值班人工进行操作时，操作人员就站在隔离开关的附近，可以直接观察隔离开关开拉后主触头的实际动作情况，以确定是否“分”、“合”到位。但是现在在调度台遥控电动操作后，由于操作人员是远在百里之外操作遥控，无法观测现场动作后的闸刀刀片实际的“分”、“合”状况，这对系统运行和安全生产来说是一个很大的隐患。设计安装隔离开关的目的是形成一个明显的断开点，造成电气的安全隔离，因此对电动遥控闸刀操作后的高压动触头的位置进行在线测定是极为重要的，否则有可能造成严重的安全事故。为此，实现对一次刀闸的精准监测是调控一体化实施中必不可少的一个环节。
1 设计依据
项目设计的依据：根据国家电网公司企业标准Q/GDW393-2009，110KV～220KV～500KV（智能变电站设计规范）第5.1.2智能终端配置原则，对于母线间隔，智能终端负责该段母线上所有刀闸信息采集和智能控制[3]。
智能变电站单元的智能终端设备由智能组件等构成，而由智能组件实现对隔离开关等一次设备的位置信息采集。本装置中，采用由激光感测元件组成的智能组件实现对隔离开关状态的信息采集。
智能组件设计中，一个智能组件隶属于一个断路器间隔，包括断路器及其相关的隔离开关、接地开关、快速接地开关等。本项目重点是解决敞开式AIS隔离开关设备智能化组件改造中的技术问题。
2 激光感应器件的物理原理
激光型光电开关利用被检测物体对红外激光束的遮档或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其被检物体不限于金属，能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，激光型光电开关可分为：a、漫反射式光电开关；b、镜反射式光电开关（4）。本项目中使用的镜反射式光电开关集发射器与接收器于一体，光电开关发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就发生了检测开关信号。光电开关具有不同的形式：分npn二线，npn三线，AC二线，AC五线（自带继电器）。
如图所示：
传统的高压隔离开关判断刀闸的开、闭状态采用的方法是：在控制刀闸"分"、"合"的操作机构转轴上安装辅助开关[5][6]。当操作机械动作时，带动隔离开关转轴进行转动，从而改变辅助开关的状态，并利用该状态对刀闸的开合状态进行间接地判断。这只是通过对二次侧（低压侧）的检测，由于并没有反映出隔离开关一次侧（高压侧）的实际"分"、"合"状态的情况。这种检测方法在现场运行中仍然存在着极大的安全风险。
本方案由激光传感器来实现对隔离开关一次侧的监测。如图2所示，是一个水平运动型高压隔离开关的激光感应检测装置。对隔离开关状态的监测，主要是针对隔离开关的动触头的位置进行监测。分别针对A、B、C三相的动触头处于闭合位置和全分开位置，共需要12个激光发射感应器和12只激光反射镜（板）。激光反射镜固定安装于隔离开关的动触头上，激光发射感应器固定安装于动触头的下方的地面或支架上。以图示中的水平运动型隔离开关为例，
a.针对隔离开关全开或闭合的监测方法是：当动触头处于闭合位置时，承担闭合检测激光发射感应器发出的光线线束刚好能经由动触头上的反射镜面反射后到达对应闭合位置的激光感应器光敏面，激光感应器接收到激光信号，便输出一个相应的特征电信号；当动触头转动离开闭合位置时，由于承担闭合位检测的激光反射镜也会随着开关臂转动而改变位置，无法再将激光发射感应器的激光线束反射回其激光感应器光敏面上，此时，激光发射感应器接收不到激光光束，便相应输出一个低电平信号。
b.对隔离开关全开的监测方法是：当动触头处于全分开位置时，承担全开检测的激光发射感应器发出的激光线束刚好能经由动触头上的反射镜反射后到达对应的全开位置的激光感应器，激光感应器接收到激光信号，便输出一个高电平信号；当动触头转动离开全分开位置时，由于承担全开位置检测的激光反射镜也会随着动触头转动而改变位置，无法再将激光线束发射至激光感应器上，此时，激光感应器接收不到激光信号，便相应输出一个低电平信号。利用上述方法，可以精准监测动触头是否处于闭合或全分开位置。 3 装置的工程设计
本方案系统中的框架原理如图3所示，激光感应器用于接收从激光反射镜发射回来的激光光束，并根据是否接受到激光线束而输出一个开关量信号给逻辑判断模块；激光发射镜安装于隔离开关的动触头上，用于将激光光束发射到激光感应器上，由感应器将信号再输出[7]。
逻辑判断模块接收所有的激光感应器输出的开关量信号，并同时接收隔离开关二次电路输出的状态信号，并将这些开关信号量和状态信号通过宽带网络通讯模块发送到后端服务器。逻辑判断模块还通过串口连接摄像模块，当隔离开关状态发生变化时，通过串口触发摄像模块将隔离开关的图像信号发送到后台服务器。
摄像监视模块安装于隔离开关附近，用于摄取隔离开关的实时图像，当接收到逻辑判断模块发来的触发信号，实时摄取隔离开关的图像，并通过百兆网络设备发送到后端服务器。
宽带网络通讯模块通过百兆网线与控制中心，建立起隔离开关状态逻辑判断模块、摄像模块和后端服务器的连接；
后端服务器接收所有的隔离开关的开合状态信息，摄像模块的前端图像，并以图形显示的方式显示在屏幕上。
后台服务器可以选用标准的商用服务器，如联想的ThinkServer TS540 S1275v3 4/300A2HOP，配置为CPU采用Intel Xeon E3-1275 v3，4GB DDR3内存并采用400GB高可靠性存储磁盘。服务器系统的开发和应用环境在Windows平台下或是Linux下，同时采用SQL Server数据库实现所有相关数据的分类整理和存储，并利用实时控制软件向前端主动发起数据采集，数据传输过程主要以百兆网络线连接通信。
4 现场实施情况
在浙江省金华电力公司220kv华金变电站实施的110KV隔离开关运行监测系统，如图4-a和4-b，利用现场激光监测台上安装的摄像头的视频图像进行智能化的視频处理后，与逻辑系统综合分析，作出对隔离开关位置状态的判断，将信号输送通过网络传输到调度中心。
5 系统功能及技术指标
1）激光反射传输距离≥25m
2）激光监测路数：A、B、C三相前后位置12路
3）智能同步判定时间≤3s
4）通讯接口：符合IEC61850标准，网络标准RJ-45网口
5）精度：±2mm
6、准确度：99.99%
7）室内外终端工作温度：-10℃～70℃（海拔1000M）
6 结束语
本装置运用激光感应技术通过对一次侧（高压侧）的位置检测，实现精准监测动触头的"分""合"状态，具有如同值班人员在现场实际观测的等同效果，大大提高了电力设备操作运行的可靠性。从而解决了由于隔离开关采用后台遥控操作，实现无人值班而无法现场观察闸刀的实际动作所带来的安全隐患。系统具有安全、可靠、准确简便的特点。但运行中的可靠性和抗强电场的干扰能力尚有待在实际应用中得到验证和完善。通过本方案的实施完善了电网调控一体化，是倒闸操作中一个十分重要的辅助工具。
参 考 文 献
[1]李红蕾，戚伟，陈昌伟编著，智能电网模式下的配网调控一体化研究，西安供电局，萧山供电局，陕西电力，2010.5.
[2] 李翔著，南方电网调控一体化运行管理模式，硕士学位论文，华北电力大学，2013.6.
[3] 国家电网公司企业标准 Q / GDW 393 - 2009 110（66）kV～220kV 智能变电站设计规范，国家电网公司，2010.2
[4]鲍丙豪等编，传感器手册，化学工业出版社，2008.4
[5]张涛主编，河南省电力公司，高压隔离开关安装与检修，中国电力出版社，2012.7
[6]苑舜，崔文军编著，高压隔离开支关设计与改造，中国电力出版社，2004.4
[7]张京伦，发明专利 一种动触头位置检测的动触头垂直运动型高压隔离开关（发明）专利号：ZL201110167442.1 2013年12月4日授权