低壓電器設備智能化發展探析

張 立

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低壓電器設備智能化發展探析

張 立

（浙江省高低壓電器產品質量檢驗中心，浙江溫州 325603）

低壓電器主要用來保護和控制電網供電的設備，隨著智能電網的建設逐漸深入，對低壓電器進行智能化改造已經是電器行業的重要發展趨勢。由此，本文結合實際情況，提出低壓電器設備智能化設計的一種方案，即將DSP技術引入到低壓電器控制中，對低壓電器進行集成化、智能化的控制。

低壓電器設備；智能化；DSP

我國智能電網是以特高壓作為骨干網絡，包括發電、用電、變電、調度、配電和用電等。配電和用電的主要控制和保護裝置是低壓設備。根據數據統計得知，當前95%的電力系統故障發生在配電側，電力系統約80%的電能是通過電網低壓端傳輸到用戶并消耗。此外，有統計數據顯示，57%的能源消耗于電機。因此，在配電網中，低壓配電和用電的位置是非常重要的。低壓電器是控制電網配電、輸電的控制、分配、保護等的核心，其特點是數量較多覆蓋的范圍較廣泛，因此是構建我國智能電網的重要部分之一。由此當前，要實施電網的智能化發展就需要實現電網的配電和用電的智能化，就需要進行低壓電器的智能化改造，低壓電器設備智能化對于電網智能化至關重要。

1 低壓電器設備智能化概述

1.1 智能化低壓電器設備及其特點

目前，國內外對于低壓電器設備智能化還沒有統一的定義，但是智能化低壓電器已經在實踐當中被研發設計人員廣泛認可。智能化的低壓電器主要具有四個特征：較為齊全的保護功能；及時的故障報警和故障顯示；自診斷及負載監控；電參數的測量功能。隨著智能樓宇設備的發展以及智能電網的建設，智能化低壓電器越來越受到重視。智能化的低壓電器有以下優點：

1）諧波處理。配電系統的一般分布會產生高次諧波，而電氣設備的智能配電則可以消除輸入信號中的諧波，從而避免因操作不當而引起的高次諧波。

2）保護齊全。智能電器具有高可靠性，具有過載、短路、缺相、接地保護，或可具有過壓、欠壓、三相不平衡、反相或低電流保護等。

3）通信功能。能實現中央計算機的集中監測控制，實現系統的自動化。

4）數據共享。智能電器采用數字監控元件，使配電系統和控制中心獲取的信息量大幅度增加，可實現數據共享，使布線和安裝簡化便利。

1.2 低壓電器設備智能化的必要性及前景

智能化的低壓電器設備因為具有智能化、模塊化、可通信、高性能、小型化等特點，成為了新一代低壓電器的主要發展趨勢，智能化低壓電器在中高端電氣設備的市場份額在不斷地擴大。智能電網的發展對于低壓電器企業既是機遇也是挑戰。因為電網當中包含有非常多的電器設備，要實現電網的智能化發展，就需要對這些電器設備進行智能化的改造，只有抓住了技術創新才能夠制造出適應智能電網需求的智能化低壓電器，低壓電器的智能化是低壓電器行業發展的趨勢。

目前電網智能化對低壓電器的集成化發展以及整體解決方案的發展提出了更高的要求，促使低壓電器向光伏發電、風能發電、新能源、分布式電源等應用領域擴展，這些新應用領域對傳統低壓電器提出了諸多新的要求，促使低壓電器智能化技術的進步。

2 低壓電器設備智能化的設計

低壓電器的智能化設計，重點包括：低壓電器的智能化控制與保護模塊的保護技術、控制技術以及相關通信技術，包括以TMS320F28355型DSP芯片為核心處理器的下位機硬件和軟件設計以及應用LabVIEW的上位機軟件設計。

2.1 智能化低壓電器設備硬件設計

低壓電器設備最為重要的功能之一就是電網保護，當電網當中出現一些短路、過載以及斷相的現象時，低壓電器就會自動脫扣，將故障段從電網中斷開，從而達到保護電網以及相關用電設備的目的。智能型的低壓電器設備主要是通過智能化的控制器，通過自動采集電網中的電流、電壓以及頻率等信息，結合一些內部的運算程序，判斷故障的預警和發生，從而啟動保護程序，完成對電網的保護。

1）硬件總體結構

結合智能型低壓電器自動采集設備參數信息以及電路控制的設計目標，在進行低壓電器的智能化設計時，選擇合適的電路結構以及合適的元器件，從而滿足設備的內部運算能力、參數監控測量以及EMC等要求。

在使用DSP芯片進行信號采集運算之前，需要集合外部電路針對信號實行大幅度整流、濾波與放大處理。通過此類處理后的信息數據便會經過芯片A/D模塊進行數字化的轉換，置換之后再結合FFT運算方式，得到數據信號的采樣頻譜。由于采用FFT方法進行信號的運算需要大量的數據，所以需選取存儲空間相對比較大的處理器，TMS320F28335型號DSP芯片里面的RAM以及FLASH所屬存儲空間大小對于其運算條件可以充分滿足，如此便不再需要另外再添加一些存儲器，大大簡化整個系統的設計流程。依據模塊化所對應的設計理念，硬件整體結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件整體結構框圖

本文設計的基于DSP的智能化低壓電器的硬件系統主要包括電源模塊、信號調理模塊、中心控制模塊、顯示模塊、接口模塊、復位模塊等。該智能化的低壓電器能夠實現對電壓信號的采集、預處理與執行等性能。這里面的電源模塊重點是當作DSP中心操控模塊以及液晶顯示模塊等供應相關電源，而信號調理模塊重點是當作達成關于電壓以及電流互感器方面的參數實行數據采樣，而外部電路模塊便是重點為了將低壓電器所屬的各種性能有所豐富。

其中系統的中心控制模塊本文主要選擇TMS320F28335型號的DSP數字信號處理器，該型號的DSP數字信號處理器內含有高容量的FLASH程序存儲器和SRAM靜態隨機存儲器，同時還集成了通信總線、看門狗、轉換器、異步串口等性能。

為了能夠把較好地進行操控對應的低壓電器，本文設計出了鑒于LabVIEW虛擬操作技術的上位機操控模式，利用此上位機控制平臺能夠更好地保護和控制低壓電器的開閉，并對低壓電器的相關參數進行整定和監控，實現低壓電器的智能化功能。

2）核心控制模塊設計

這里選擇了TMS320F28335型號DSP芯片來當作是硬件系統里面的重點處理器，這一款芯片屬于TI公司進行研發出的一種含有比較高價值比的浮點類型DSP芯片。相對于傳統化類型的定點DSP芯片，浮點DSP芯片的運算精度高，價格也比較合理，處理運行速度也比較快，功耗比較低，功能相關接口較為豐富，芯片里面的存儲空間比較大，A/D轉換位數也較高，特別是在實行快速傅里葉變換（FFT）等繁雜求解期間，處理速率以及運算精確度均有著極大提高。主要應用于自動化操控，特別是需針對大量信息數據實行即時性求解，而且針對計算速率以及精確度高較標準的檢測環境。TMS320F28335型號DSP芯片將靜態CMOS技術有所結合，其里面的CPU主頻能夠達到150MHz（6.67ns周期時間）。TMS320F28335型號所屬的浮點DSP功能框圖如圖2所示。

2.2 智能化低壓電器設備軟件設計

軟件系統設計主要是將事物或是問題從各種不同的角度和層次中抽象出來，軟件設計包括軟件的的數據設計，軟件的結構設計，軟件的過程設計，軟件的接口程序設計這幾點就是軟件設計所包含要素。智能化低壓電器設備相關的軟件配置重點是在于為和系統對應的硬件功能進行協調，重點包含有維護功能設計、電網電參數計算設計以及低壓電器的控制功能設計。

1）低壓電器的保護功能設計

低壓電器的智能操控器對于信號實行取樣之后，通過FFT求解解析，利用所獲得的電流對應有效值進行判別是否需實行三段電流維護斷開子程序，且通過DSP的高性能計算特性進而達成對應的維護性能。短路短延時維護以及短路瞬時維護完成經歷相比較而言較簡單，重點是依據所檢測到的電流對應有效值的詳細大小，通過直接或者是定時器進行延時來維護動作。過載維護達成流程比較繁雜，重點還是依據總計熱效應實行判別而且實行相對應操控。

因為電網里面的電流會顯現出波動干擾，在針對系統所出現熱量的總加數值實行計算過程中，先需要判別目前周期采納的電流有效數值是否比較于過載電流假設數值要大。若是大于假設數值，那么把此周期里面的電流平方以及運算數值總共加起來置于整體電流平方和當中；若是不大于假設數值，那么便不實行累加。需有所注重的便是若未過載事故出現，需要把熱效應累加數值進行復位處理。過載維護程序詳細步驟如圖4所示。

圖3 三段電流保護程序流程圖

圖4 過載保護程序流程圖

2）電網電參數計算設計

電力系統在正常進行運作期間時，大部分都是運用快速傅里葉變換（FFT），它是屬于離散傅里葉變換（DFT）的高效益運算，它的運算量相對而言比較小要比DFT：本文選擇了快速傅里葉變換（FFT）算法計算各種電參數。

FFT進行運算處理的詳細實際程序包含有下面兩個層次：

（1）對于數據信息實行奇偶相互分組的同一時刻還依據碼位反置的性質把它再次進行排列。用=8的信息數據當作是參考，序列所屬的二進制表達是(2，1，0)。先第一次依據0來實行分組，在分組之后0=1當作是奇數組，1=0屬于偶數組。第二次與第三次以及第一次都屬同樣的，分別是依據1與2來實行分組。若=8，針對輸入碼所在的倒序排列實行三次分組便能得以完成。

（2）針對數據實行分組以及分級方式處理，隨后便實行基2-FFT計算處理，進而獲得FFT的運算結論。依據FFT計算的基礎理論，整體計算可分成是=loge級，各個級又被分成是/2組，各個組又被當作是一個蝶形種類的單元。用=8當作例子，蝶形圖案被分成三級，第一級被分成是4組，第二級被分成是2組，第三級被分為1組。本篇文章FFT進行計算所采納的是=256，能分成8級。FFT程序詳細流程如圖5所示。

運用DSP里面的CCS研發條件內的仿真模式實行了相對應的仿真，數據信息運用項目組模擬的信息數據，仿真最終結果見表1。準許的最后結果便于1±0.05范疇里面，表里面的數據信息基礎上適宜IEC標準所對的條件，實現預測的成果。

（a）FFT算法實現流程圖

（b）碼位倒置流程圖2

圖5 FFT程序流程圖

表1 FFT仿真結果及誤差

3）低壓電器的控制功能設計

低壓電器用于完成對負載的控制與系統的保護，在現實的運用里面通常會需針對其實行正常化的分與合閘操控。依據基本探究和現實運用可以發現，因為在分與合閘操控時被操控對象里面的電磁能量屬于持續改變的，如此便存在可能會導致電流和電壓方面的突波，引發有關的過流與過壓事故，對于電網系統里面的各個部分包含低壓電器本身所存在的可靠性工作形成損害。

低壓電器選擇適宜的分與合閘相角，能比較有效地壓抑住因操作時的暫態現象所引發的浪涌電流或者是電壓，保證了系統相應的安全運作，且可以將低壓電器所屬的電氣使用壽命有所添加。本文設計的相合閘應用，重點達成形式便是利用把合閘相角變換成所需要的時間，而且賦值給予對應定時器，若芯片獲得電壓過零時期的上升沿期間，將定時器初始計時進行啟動，實現設定相對的時間，也就是所需求的相角時，操控器控制著線圈接通交流電，延時部分時間直到開關最終持續穩定進行吸合，關閉交流電而且接通小的直流電來保持吸合形式，進而完成了低壓電器功耗的節省。選取相合閘程序過程步驟如圖6所示。選取相分閘程序達成理論以及選相合閘基本上一致，不再陳述。

2.3 智能化低壓電器設備通信設計

伴隨著現場總線技術的不斷發展，可通信已然成為智能電器的主要特性，低壓電器的智能化設計已經離不開通信技術的應用。

1）下位機通信軟件設計

下位機通信模塊主要是為了實現對智能化低壓電器設備當中的數據交換，經過此模塊里面的通信軟件能把系統運行時所對的參數傳輸到上位機，進而上位機就可以依據這些數據發送相關的指令給下位機，該通信程序主要是結合MODBUS總線通信協議進行的，下位機通信的程序步驟圖如圖7所示。

圖6 選相合閘程序流程圖

圖7 協議解析程序流程圖

在下位機進行通信時，系統先要將收到的MODBUS總線相關通信信息數據進行結合，對它實行CRC校對，如果得到檢驗正確的結果就需要對數據進行解析，然后做出相應的反應，得到應答信息。否則就需要將數據舍去。通信程序步驟如圖8所示。

2）上位機通信軟件設計

上位機對應的通信模塊重點達成的便是與DSP中心控制模塊的連接，結合上位機通信軟件實現對電流與電壓還有功率等信息數據的搜集，將上位機通信相關軟件進行結合，系統用戶可以針對下位機實行操控以及運作，設計出功能較為完備、界面觀賞性強與穩定持續性強的上位機通信應用軟件能達成對低壓電器設備智能化的遠程控制、檢測以及調節。

圖8 通信程序流程圖

上位機應用軟件系統其主要部分便是通過參數修改程序、主程序、分/合閘控制程序、信號搜集程序進行組合，主程序把每個功能子VI進行關聯到一起，而且具有較完善的人機交互框架，用戶能利用這個程序便捷的調整每個功能模塊。每個功能子VI所在的節點性質設定成調用期間彈出到前面板。它的程序主要步驟如圖9所示。

圖9 上位機主程序流程圖

上位機應用軟件系統里面的主界面包含三個方面的功能按鈕，也就是參數調整按鈕、信號搜集按鈕與分合閘操控按鈕。

經過調節參數程序，上位機能把相角與工作頻率還有電流維護整體數值傳輸到下位機所屬DSP芯片的Flash當中，方便于下位機程序進行運作，達成了參數修改能力。每個參數的傳輸通過條件接觸組織，只要是按下發送按鈕，所設定的參數便能馬上傳輸給下位機。它的程序主要步驟如圖10所示。

圖10 參數修改程序流程圖

本文所設計的信號搜集程序運用了循環搜集形式，各個次均能對整體數據實行進行搜集，在VISA進行讀取串口模塊之前添加了相關字節屬性節點，把獲得的字節數量當作是VISA進行讀取串口模塊在輸入時期等待的字節數。而且程序里面添加了布爾指示燈，來表示出對應的通信狀態，通信聯通指示燈便亮起，通信失敗那么指示燈便會滅。信號搜集程序主要步驟如圖11所示。

這個程序的重點功能便是達成了關于下位機進行分合閘控制的即時性操作，其達成理論和上面陳述的參數修整程序幾乎相同，它的程序主要步驟如圖12所示。

3 結論

本文主要結合當前低壓電器智能化發展的趨勢，研究和設計了一種基于DSP芯片的智能化低壓電器設備。通過在低壓電器設備當中融合DSP控制技術，實現對低壓電器的集成控制，實現低壓電器的智能化的發展，從而更好的保護電網，促進電網智能化的進一步發展。

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Discussion on Intelligent Development of Low Voltage Electrical Equipment

Zhang Li

(Zhejiang High and Low Voltage Eelectrical Appliances Product Quality Inspection Center, Wenzhou, Zhejiang 325603)

Low voltage electrical power supply is mainly used for the protection and control of power grid equipment. With the gradual deepening of the construction for smart grid, it has become an important trend of the electrical appliance industry to carry out the intelligent transformation of low-voltage electrical appliances.Based on this background, this paper puts forward a scheme of low voltage intelligent electrical equipment which is combined with the actual situation. The DSP technology is introduced into the control of low voltage electrical apparatus, and the design carries out the integrated and intelligent control of low-voltage electrical apparatus.

low-voltage electrical equipment; intelligent; DSP

張 立（1977-），男，浙江溫州人，本科，工業電器工程師，主要從事低壓電器產品質量檢驗及實驗室管理工作。