開關柜智能操控裝置的模塊化設計與實現

彭躍輝 寇新民 陳富國

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

?

開關柜智能操控裝置的模塊化設計與實現

彭躍輝 寇新民 陳富國

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

摘要開關柜智能操控裝置是開關柜中諸多分立測控裝置的載體，是開關柜智能化水平的重要體現。隨著開關柜智能操控裝置集成功能的增多和增強，模塊化設計思想在優化裝置設計和靈活配置方面發揮著越來越重要的作用。在該新型操控裝置的研制過程中，充分考慮了裝置的軟硬件功能劃分、模塊接合和防護隔離，并進行了相應的模塊化設計。同時基于Microsoft Visual Studio平臺開發了配套的調試軟件，方便了間隔類型配置、偏差修正和系統調試?；诒疚拈_發的新型開關柜智能操控裝置已經通過了嚴格的電磁兼容檢驗和電氣性能及安全檢驗，充分證明了該裝置在復雜工況下的優異性能。

關鍵詞：開關柜；智能操控；模塊化

操控裝置是集成開關柜二次控制、保護和檢測單元的載體。除了傳統的“五防”功能外，操控裝置還能夠集成一次回路狀態指示、高壓帶電顯示、主回路電力參數采集和觸頭測溫等諸多分立裝置的功能，因此操控裝置的智能化水平在很大程度上決定了開關柜的智能化程度。

由于變電站間隔類型的不同，在工程應用中操控裝置必須與實際間隔類型相匹配。此外，對于改變了主接線方式的改造站，操控裝置必須能夠靈活配置。因此，模塊化設計思想在操控裝置的研制過程中非常重要。

1　智能操控裝置硬件模塊化設計

智能操控裝置的主要功能為：接入和采集開關柜各種狀態信息，并進行就地顯示和遠傳。按照模塊化設計思想設計的硬件系統整體方案如圖1所示。該硬件系統主要包括核心模塊、狀態及信號采集模塊、顯示模塊、控制模塊、存儲模塊和通信模塊。

核心模塊由Microchip公司的dsPIC33F系列高性能16位數字信號控制器為主控芯片及基本外圍電路組成，主要進行程序處理、MODBUS RTU通信協議實現及數據臨時存儲等功能[1]。狀態及信號采樣模塊主要對一次設備狀態信號、溫濕度傳感器信號、高壓帶電傳感器信號及主回路電力參數等進行采集，通過光電隔離后，送入核心處理器。顯示模塊通過LED指示燈、LCD液晶模塊等設備對開關柜相關狀態進行顯示，以便于觀察?？刂颇K根據核心處理器的控制策略，控制對應小型繼電器的動作，輸出相應信號。系統參數及開關柜狀態參數主要由EEPROM進行實時存儲和更新，并在系統掉電后長久保存。通信模塊用于將開關柜狀態信息轉換為標準的RS485信號并上傳到遠程監控系統，或接受遠程監控系統的操作指令，完成相關參數的設置。

圖1　智能操控裝置硬件整體方案

1.1主接線動態模擬

一次主接線是指由母線、變壓器、斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器以及電壓互感器等主要電氣設備按照一定順序用導體相互連接起來構成的電氣回路[2]。

由于投運后的開關柜是完全封閉的，因此柜內的主接線形式并不能直觀的反映給運行人員。傳統意義上的開關柜會在柜門上布置柜內一次主接線圖，并用不同顏色區分不同電壓等級，如交流10kV電壓等級為絳紅色，交流35kV電壓等級為淺黃色，交流110kV為朱紅色，交流220kV為紫色等。但是，這種簡單的柜內主接線圖并不能動態指示開關柜內斷路器位置、手車位置、接地開關位置以及彈簧儲能等狀態信息，因此也不能給運行人員以直觀指示。

由于這些狀態信息為開關量，因此可以通過對這些開關量做輸入狀態檢測，然后通過特定形狀的LED燈顯示出來，即可實現一次主接線圖的動態模擬。基于這一思想，本設計采用紅綠“V”字燈模擬斷路器位置狀態，紅綠“十”字燈模擬隔離開關和接地開關位置狀態，紅色LED燈模擬彈簧儲能狀態，如圖2所示，虛線部分表示開關位置可以調整。工程應用中該動態模擬圖可以根據實際一次主接線形式做相應匹配。

圖2　主接線動態模擬圖

當手車處于工作位置，手車狀態指示燈紅色垂直模擬條點亮；當手車處于試驗位置，手車狀態指示燈綠色水平模擬條點亮；當手車未達到工作位置或實驗位置，紅色垂直模擬條與綠色水平模擬條同時閃爍；斷路器合閘時，斷路器狀態指示燈紅色模擬條點亮；斷路器分閘時，斷路器狀態指示燈綠色模擬條點亮；接地閘刀閉合時，地刀狀態指示燈紅色垂直模擬條點亮；接地閘刀斷開時，地刀狀態指示燈綠色模擬條點亮；彈簧已儲能，紅色儲能指示燈點亮，彈簧未儲能，則儲能指示燈熄滅。

1.2高壓帶電指示

帶電顯示裝置用于向運行人員提供高壓電氣設備安裝處主回路電壓狀態的信息[3]。

本設計的高壓帶電指示模塊原理如圖3所示。高壓傳感器為支柱絕緣子式，內部埋設由高強介電功能性材料制成的抽壓式電容芯棒。

圖3　高壓帶電指示回路原理圖

高壓傳感器通過電容耦合原理從高壓帶電回路抽取一定比例的電壓供給母線電壓采樣電路。母線電壓采樣電路主要由保護器件、線性光耦隔離和采樣電阻構成，最后進行模數轉換。由于采用了高精度ADC轉換電路，因此操控裝置可以實現帶電閉鎖啟控和斷電閉鎖解除的精準控制，保證了裝置動作的可靠性。

1.3主回路電力參數采集

主回路電力參數采集模塊是一種利用數字采樣技術對電力參數進行采集、分析和處理的模塊化智能組件。電力參數采集方案如圖4所示。

圖4　主回路電力參數采集方案

本設計主要適用于3～35kV戶內中低壓開關柜，主回路電力參數采集前端選用額定輸入電流為5A的精密穿心式電流互感器和額定輸入電流為2mA的精密電流式電壓互感器，其一次回路直接引自開關柜內電流和電壓互感器二次回路。為確保參數采集的精度和功能完善性，本設計選用了銳能微公司的適用于三相三線制和三相四線制的RN8302三相多功能防竊電計量芯片，可以實現一次回路電流、電壓、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、功率因數和頻率的在線測量[4]。

1.4溫濕度控制

由于開關柜運行受環境影響比較大，環境變化、機械磨損等都會使得開關柜在長期運行時產生凝露，容易造成絕緣事故，因而開關柜內的溫濕度控制不能忽略[5]。傳統的溫濕度控制器往往采用4～20mA或0～5V模擬信號進行溫濕度數據的調理與傳輸并作為一個獨立的裝置安裝于開關柜中，調理電路復雜且模擬信號很容易受到惡劣工況下電磁環境的干擾，從而造成以溫濕度值為判斷依據進行邏輯控制電路的混亂，甚至釀成事故。

本設計采用的總線隔離式溫濕度控制回路如圖5所示。圖5中，VD1、VD2為肖特基二極管，它是超低功耗、大電流和超高速的半導體器件，其反向恢復時間極短，僅為幾納秒，正向導通壓降僅為0.4V。OP1、OP2和OP3為光耦器件。J1為數字式溫濕度傳感器接口。

圖5　溫濕度控制回路原理圖

以SDA信號為例，當沒有信號傳輸時，由于上拉電阻R1、R2和R5、R6的作用，彼此隔離的SDA 和SDA_ISO兩端均為高電平。當SDA由高電平躍變為低電平時，電流通過R3和光耦OP1的輸入端使光耦內部的砷化鎵發光二極管點亮，使光耦輸出大約為0.4V的典型值。光耦輸出加上肖特基二極管VD2的導通壓降使得SDA_ISO約為0.8V低電平。同樣的，當SDA_ISO由高電平躍變為低電平時，電流通過R4和光耦OP2的輸入端使光耦內部的砷化鎵發光二極管點亮，是光耦輸出大約為0.4V的典型值。光耦輸出加上肖特基二極管VD1的導通壓降使得SDA約為0.8V低電平。

1.5報警及閉鎖

實時、準確和可靠的報警信號輸出是實現開關柜安全操作的重要保障。本設計結合最新的傳感器技術，有效的實現了如圖6所示的開關柜智能操控裝置報警及閉鎖機制。

圖6　報警及閉鎖機制

當人體熱釋電紅外感應傳感器感測到有人員靠近時，會自動打開照明、液晶顯示器背光并進行開關柜內是否帶電的語音提示。如果有誤推手車或誤動刀閘，將進行開關誤操作語音提示。當高壓母線帶電超過閾值，將進行LED帶電指示及閉鎖輸出，防止誤操作。

1.6RS 485通信

RS 485總線是被廣泛應用的工業串行總線，其采用平衡發送與差分接收的方式實現數字信號的傳輸，具有極強的抑制共模干擾的能力。

本設計中，RS-485主控芯片選用ADI公司的ADM2587單電源隔離型485芯片，如圖7所示。

圖7　RS 485通信模塊原理圖

該芯片內部集成了1個三通道隔離器、1個三態差分線路驅動器、1個差分輸入接收機和1個DC/DC轉換器。該芯片采用磁隔離技術，取代了傳統的光電耦合器隔離電路，消除了光電耦合不穩定的電流傳輸率、非線性傳輸、溫度和使用壽命等方面的問題，同時具有更強的瞬態共模抑制能力、更高的時序精度以及更快的數據傳輸速率[6]。

主接線動態模擬電路、高壓帶電指示電路和2路溫濕度控制電路按模塊化思想設計并集成于主控板，主回路電力參數采集電路、報警及閉鎖電路、RS485通信電路和開關電源按模塊化思想設計并集成于接口板。主控板與接口板之間采用扁平排線連接，如圖8所示。

圖8　模塊化開關柜智能操控裝置

2　智能操控裝置軟件模塊化配置

硬件的模塊化設計是操控裝置實現各項功能的載體，軟件的模塊化配置則是操控裝置實現各項功能的思想，兩者相得益彰。軟件的模塊化配置又包含了驅動程序的模塊化設計和后臺軟件的模塊化配置。

2.1驅動程序模塊化設計

開關柜智能操控裝置的軟件設計按功能不同可分為開關狀態檢測模塊、高壓傳感器參數采集模塊、母線電壓與電流采樣模塊、溫濕度傳感器數據讀取模塊、人體熱釋電紅外信號檢測模塊和系統參數實時存取模塊，驅動程序整體架構如圖9所示。間隔類型配置模塊用于操控裝置匹配實際間隔主接線形式。

圖9　驅動程序整體結構

2.2后臺軟件模塊化配置

在工程應用中，實際間隔的主接線形式多種多樣，除了主接線動態模擬模塊的硬件匹配外，如果能夠通過后臺軟件對下位機程序進行靈活配置，也將極大簡化裝置出廠配置的工作量。同時，對于改變了主接線形式的改造站，也可以通過更改軟件配置實現裝置的重復利用。間隔類型配置原理如圖10所示。

圖10　間隔類型配置原理

圖11所示為開關柜智能操控裝置的上位機調試軟件，兼容主流的Microsoft Windows XP和Windows 7操作系統。該調試軟件基于Microsoft Visual Studio平臺開發，能夠模擬智能操控裝置的操作和指示面板，如溫濕度顯示和控制、通信參數設置、系統主接線運行狀態圖、母線帶電指示、開關狀態、溫濕度傳感器準確度修正及運行日志等，極大的方便了系統調試工作。同時，該調試軟件還能夠通過間隔類型配置功能使其與實際操控裝置類型保持一致，提高了軟件的通用性。

圖11　智能操控裝置上位機調試軟件

3　結論

本文基于模塊化設計思想對開關柜智能操控裝置的軟、硬件結構進行了系統分析與設計，并完成了功能齊全、配置靈活的新型開關柜智能操控裝置的具體研制工作。與此同時，為方便裝置調試，筆者基于Microsoft Visual Studio平臺開發了配套的調試軟件。

在本文的研究過程中，一方面，模塊化設計思想明確了裝置各項軟、硬件功能的劃分，增強了不同主接線形式操控裝置配置的靈活性，提高了開發效率；另一方面，相比傳統設計方法，模塊化設計思想在操控裝置的實際工程應用中優化了大量的重復性配置與調試工作，節省了可觀的人力、物力，優勢明顯。

參考文獻

[1] Microchip Technology Inc. dsPIC33FJ XXXGPX06/ X08/X10數據手冊: 高性能16位數字信號控制器[EB/OL][2015-07-22]. http://www.microchip.com.

[2] 孫興麗, 劉曙光. 一種開關柜智能操控裝置的設計與實現[J]. 高壓電器, 2009, 45(1): 76-80.

[3] GB 25081—2010. 高壓帶電顯示裝置(VPIS)[S].

[4] 深圳市銳能微科技有限公司. 三相多功能防竊電計量芯片RN8302用戶手冊v2.2[EB/OL][2015-07-22]. http://www.renergy-me.cn.

[5] 張露, 章國寶. 開關柜智能監控裝置的設計與實現[J]. 工業控制計算機, 2014, 27(1): 39-41.

[6] Devices A, Inc. 提供±15kV ESD保護的信號與電源隔離RS-485收發器ADM2582E/ADM2587E Rev.0 [EB/OL][2015-07-22]. http://www.analog.com.

彭躍輝（1985-），男，碩士研究生，河南省平頂山市人，工程師，主要從事高壓開關智能組件及變電站狀態監測類產品研發工作。

Modular Design and Implementation of Intelligent Manipulation Device for Switchboard

Peng Yuehui Kou Xinmin Chen Fuguo
(He’nan Pinggao Electric Co., Ltd, Pingdingshan, He’nan 467001)

Abstract Intelligent manipulation device for switchboard is a carrier of many discrete measuring and control devices. It directly embodied the intelligent level of switchboard. Along with the increasing and enhancing of function, the modularization design concept is increasingly important for optimization design and flexible configuration. To develop the new device, the functional partitioning, modulation conformity and protection isolation with modularization design concept are taken into consideration. We also developed a debugging software based on Microsoft Visual Studio. The software is convenient to interval type configuration, bias correction and system debugging. The new-type manipulation device has excellent performance and has passed strict electromagnetic compatibility test, electrical properties and safety test.

Keywords：switchboard; intelligent manipulation; modular design

作者簡介