中低壓配電柜數(shù)字化技術(shù)探究

夏領(lǐng)　秦懷杰

摘 要：該文主要研究中低壓配電柜數(shù)字化技術(shù)，以一套中低壓配電柜數(shù)字化系統(tǒng)為例，討論了數(shù)字化在中低壓配電柜中的實現(xiàn)，介紹了中電壓數(shù)字化配電柜的整體實現(xiàn)，并從子單元的軟硬件設(shè)計、主單元的軟硬件設(shè)計、接口總線設(shè)計、狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集設(shè)備、功能設(shè)計等方面詳細(xì)討論了配電柜數(shù)字化的實現(xiàn)。配電柜是配電站中重要的基礎(chǔ)設(shè)備，實現(xiàn)配電柜的智能化是整個電網(wǎng)智能化中關(guān)鍵的一環(huán)，對提高整個電網(wǎng)的智能化自動化水平，保證電力供應(yīng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：中低壓 配電柜 數(shù)字化

中圖分類號：TM59 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0093-01

智能電網(wǎng)是國家電網(wǎng)建設(shè)的必然方向，需要采用新型的控制技術(shù)、信息技術(shù)和管理技術(shù)，對發(fā)電、輸電、配電再到用電的全過程進(jìn)行智能化改造。配電柜是供配電系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性設(shè)施，實現(xiàn)配電柜的智能化改造，采用數(shù)字化的控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)和上層監(jiān)控中心的雙向信息交流。

1 中低壓數(shù)字化配電柜整體方案

配電柜的數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)是微處理器控制系統(tǒng)的應(yīng)用。數(shù)字化配電柜的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有主單元、控制回路子單元等，子單元負(fù)責(zé)配電柜配電回路參數(shù)檢測，測量回路上的電壓、電流、母線接頭溫度、斷路器開關(guān)狀態(tài)以及柜內(nèi)的環(huán)境溫度濕度情況等，并據(jù)此自動進(jìn)行電能質(zhì)量的計算。主單元則主要負(fù)責(zé)匯總和顯示子單元的測量數(shù)據(jù)，同時就地實現(xiàn)回路斷路器的控制。主單元還是人機(jī)交會的主要設(shè)備，而且能夠通過以太網(wǎng)接口，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步上傳，給配網(wǎng)系統(tǒng)提供數(shù)字化、智能化的信息。為了保證子單元和總單元之間數(shù)據(jù)通信的實時性，采用CAN總線的互聯(lián)的方式實現(xiàn)連接，連接方式比較靈活。

配電柜選型：國外設(shè)計研發(fā)的配電柜和國內(nèi)的配電系統(tǒng)要求和習(xí)慣存在出入，不能盲目選擇國外配電柜，很多進(jìn)口配電柜往往有著很高的技術(shù)參數(shù)，但是很多情況下卻不能將其充分利用，造成了一定程度上的浪費，很多國產(chǎn)配電柜只要按照3C要求進(jìn)行生產(chǎn)，其性能和質(zhì)量完全能夠滿足要求。所以進(jìn)行配電柜選擇時不能迷信進(jìn)口，但是也不能為了價格選擇不合格的國產(chǎn)產(chǎn)品，應(yīng)該盡量選擇國內(nèi)知名廠商的國產(chǎn)柜型，和國內(nèi)配電習(xí)慣和要求比較適配。

2 子單元

配電柜回路的子單元采用Cortex-3內(nèi)核32位微處理器作為核心，內(nèi)核時鐘頻率達(dá)到了72MPa，并配合128kB閃存和20KBSRAM，芯片具有強(qiáng)大的數(shù)字處理功能，通過合理的外圍電路設(shè)計和處理軟件能夠獲得配電柜較高的智能化水平。回路控制需要配備電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)量和柜內(nèi)溫度、濕度以及開關(guān)控制和CAN通信接口電路。

3 狀態(tài)信息采集

配電回路中存在高電壓和強(qiáng)電流，可能會造成子單元的耗損和電子元件的破壞。為了保護(hù)弱電電路同時提高A/D轉(zhuǎn)換精度，使用微型精密交流電流互感器和微型精密交流電壓互感器連接電流互感器和電壓互感器，轉(zhuǎn)換信號為4～20mA電流信號和0～5V電壓信號，經(jīng)過低通濾波和采樣保持之后輸入A/D轉(zhuǎn)換器，采用數(shù)字量輸送給微處理器進(jìn)行處理。

參數(shù)采集和處理電路中選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片是影響電路性能的關(guān)鍵。所以，我們采用Maxim生產(chǎn)的14位8通道同步采集芯片，保證較高的轉(zhuǎn)換速率，減少接口數(shù)量，能夠在轉(zhuǎn)換結(jié)束后和轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行信息采樣，對交流電參量的采集非常適合。

處理器采用8路模擬量高輸入口，三個接口負(fù)責(zé)交流電電流輸入，三個接口負(fù)責(zé)電壓輸入，另有兩個雙向并行數(shù)字量輸出，對應(yīng)連接微處理器接口。CONVST管腳是轉(zhuǎn)換啟動信號，低電平進(jìn)行模擬信號的獲取跟蹤，上升過程中進(jìn)行啟動轉(zhuǎn)換。

母線接頭溫度和柜內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集采用單總線數(shù)字溫度傳感器和1-Wire總線協(xié)議，只需要一根信號線就能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，并且有著很高的測量精度，能夠?qū)囟刃盘栔苯愚D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⑻幚砥魈幚砀臃奖恪囟葌鞲衅魍瑯幽軌虿⒙?lián)使用，能夠?qū)Χ鄠€點的溫度進(jìn)行同時監(jiān)測，接入配電柜之前首先記錄監(jiān)測點的序列號，之后采用串口程序控制線路開關(guān)，對相應(yīng)母線接頭的溫度進(jìn)行智能化監(jiān)控。配電柜內(nèi)的環(huán)境溫度/濕度情況監(jiān)測使用輸出全標(biāo)定數(shù)字信號的溫濕度測量傳感器進(jìn)行采集，將其安裝在配電柜的內(nèi)壁，設(shè)計中要考慮到，電力設(shè)備的啟停操作和交流電網(wǎng)的不穩(wěn)定因素會產(chǎn)生電壓和電流的瞬態(tài)變化，可能會造成電子器件的燒損，需要接入抑制瞬態(tài)干擾的TVS設(shè)備。

開關(guān)量輸出控制采用繼電器操作電動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，控制斷路器進(jìn)行開合閘操作，繼電器通常內(nèi)阻較小，要外接大電流驅(qū)動器件，通過微處理器接口連接驅(qū)動繼電器進(jìn)行控制。

CAN總線使用CAN隔離收發(fā)器，采用了內(nèi)部集成通信隔離收發(fā)器件以及CAN控制器的芯片。

4 子單元軟件設(shè)計

數(shù)字化配電柜回路控制子單元采用模塊化的控制軟件，結(jié)合硬件設(shè)計情況進(jìn)行功能分析，確定子單元需要的功能單元：數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)處理子模塊、控制模塊、通信子模塊。數(shù)據(jù)采集主要有電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)量、母線接頭溫度、柜內(nèi)環(huán)境參數(shù)等。而數(shù)據(jù)助理子模塊則主要負(fù)責(zé)有功功率、無功功率、功率因素等計算，并采用FFT算法分析諧波。

主程序首先完成未處理芯片內(nèi)存管理，進(jìn)行I/O接口初始化，進(jìn)入等待狀態(tài)，判斷各種定時中斷是否達(dá)到，主要有A/D采樣、通信定時中斷等，查詢各中斷，調(diào)用子程序。為了提高信號的實時性，將A/D采集的定時中斷設(shè)置為最高優(yōu)先級，A/D采樣值送入設(shè)計環(huán)形數(shù)據(jù)采集區(qū)后，通過數(shù)據(jù)處理子程序計算電參量，并調(diào)用CAN通信子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

5 主單元設(shè)計

5.1 功能設(shè)計

回路控制主單元應(yīng)該負(fù)責(zé)回路子單元數(shù)據(jù)采集和匯總工作，具備足夠的網(wǎng)絡(luò)通信接口，而且要具備可視化、可操作性強(qiáng)的人機(jī)交互界面。

5.2 硬件部分

為了實現(xiàn)人際交互，采用觸控屏計算機(jī)安裝在柜門表面，用于對開合閘操作的實時觀測，并且負(fù)責(zé)將配電柜運行參數(shù)上傳到上一層監(jiān)控設(shè)備。

5.3 軟件部分

軟件給予CAN總線通信協(xié)議開發(fā)，采用空間程序進(jìn)行USBCAN接口卡函數(shù)動態(tài)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)主單元和通信接口之間的數(shù)據(jù)交換。

主單元通過分析匯總子單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對配電柜現(xiàn)場運行狀態(tài)的有效監(jiān)測，包括母線接頭溫度、柜內(nèi)環(huán)境情況、開關(guān)狀態(tài)等，據(jù)此能夠判斷操動機(jī)構(gòu)機(jī)械性能是否良好，對有功功率、功率因數(shù)、頻率、諧波等信息進(jìn)行準(zhǔn)確計算和直觀的顯示，是故障預(yù)測分析的重要參考數(shù)據(jù)，能夠比較直觀全面的反映供電系統(tǒng)的運行情況。

6 結(jié)語

配電柜屬于成套配電裝置，是實現(xiàn)線路控制和保護(hù)的重要設(shè)備，直接面對用電客戶，是供配電系統(tǒng)非常重要的基礎(chǔ)設(shè)備，非智能化的配電柜需要采用定期維護(hù)的方式保證配電設(shè)備的正常運行，而數(shù)字化的配電柜則能夠?qū)ψ陨淼倪\行狀態(tài)有一個完整的實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)配電柜中存在的問題，減少了配電柜的故障率，是保證整個電網(wǎng)安全性穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李宏剛.低壓配電智能化監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].電力電氣化，2012（11）：84-85.

[2] 潘小波，昊彩抹.MAXl320及其在電能質(zhì)量監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2013，26（9）：64.

[3] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[J].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：283-387.endprint