智能物聯電源箱研究

謝光輝 謝 珉 李繼堂 李建云 周文彬

云南電網有限責任公司大理供電局（云南 大理 671000）

0 引言

目前，在施工作業、應急搶險過程中，經常存在采用的電源箱達不到級差配合要求，無防大氣過電壓功能，不能遠方操作電源進線空氣斷路器并實時監測箱體內各空氣斷路器分合閘狀態的問題，給施工、應急搶險作業帶來較大的安全風險壓力及較多的人力支出。從安全作業及工作效能角度出發，現亟需一種新型電源箱，解決施工、應急搶險作業場景中使用傳統電源箱時面臨的問題。

1 系統研究方向選擇

隨著計算機自動化系統及信息技術的快速發展，在現有條件下，可以采用樹莓派、單片機、PLC可編程控制器等硬件實現需求，從技術角度而言，三者均能滿足功能。經綜合考慮，因樹莓派具有較好人機交互體驗的特點，故方案選擇樹莓派進行系統開發[1]。

2 系統電路設計

2.1 防雷

防雷采用電源防雷器，將防雷器并聯至電源箱內的電源進線母線排，并將電源防雷器的接地端接至箱體內的接地端。當施工作業現場環境遭受大氣過電壓時，大氣過電壓通過防雷器向接地體快速泄放，避免箱體內其他電氣設備以及接在電源饋線回路上的其他用電設備過電壓損壞，甚至造成人員觸電事故，其電氣連接關系如圖1所示。

2.2 級差配合

為滿足電源箱電源進線空氣斷路器與電源箱所引接的上一級電源之間的合理級差配合關系，并綜合考慮安裝便利性及應急電源搭接時效性要求高的特點，箱體內的電源進線空氣斷路器設計為可快速拆卸的安裝方式。具體實現方式：箱體內電源進線空氣斷路器的電源輸入端與上一級電源之間（電源母線），電源進線空氣斷路器的輸出端與箱體內饋線母線銅排之間均采用航空插頭方式連接。當檢修電源箱電源進線空氣斷路器與上一級電源斷路器級差不匹配時，可快速拆卸電源進線空氣斷路器，更換其他能與上一級電源進行級差合理匹配的斷路器，大幅度縮短級差配合時間。

2.3 裝置控制、監控

（1）主控系統選擇。方案選擇樹莓派系列硬件，采用PI4系統作為主控單元。樹莓派是一款微型電腦主板，以MicroSD卡為內存硬盤，主板帶有USB接口、以太網接口和Wi-Fi功能模塊，可連接鍵盤、鼠標和有線、無線網絡；硬件具有HDMI高清視頻輸出接口，具備所有PC的基本功能；同時，樹莓派設置有GPIO、UART、IC、SPI等外設、總線接口[2]。通過GPIO口及外圍控制電路可對外部電氣設備進行控制，使用Wi-Fi功能模塊能與無線路由器及手機進行組網，可實現樹莓派與手機端的通信、控制。

（2）樹莓派系統電路設計。樹莓派主控單元電路主要分為兩個部分：進線電源狀態及電源進線空氣斷路器、饋線回路空氣斷路器位置情況監測；電源進線空氣斷路器現地、遠方控制。

第一，進線電源狀態、空氣斷路器位置監測。輸入電源、空氣斷路器位置監測及斷路器遙控操作原理圖如圖2所示。綜合圖1、圖2可知，進線電源狀態監測采用一只電源監測繼電器監測進線電源電壓幅值、電源相序情況，電源狀態正常時繼電器提供一對空接點用于狀態監視；當電源幅值超限、斷相、相序異常時，繼電器動作，并提供另外一對空接點用于樹莓派系統進行異常告警。電源進線空氣斷路器、饋線回路斷路器本身具有輔助接點，在斷路器分合閘狀態發生改變時，提供空接點用于樹莓派監測空氣斷路器分合閘狀態。

圖1 智能物聯電源箱電氣元件連接圖

圖2 輸入電源、空氣斷路器位置監測及斷路器遙控操作原理圖

第二，電源進線空氣斷路器現地、遠方控制。電源進線空氣斷路器現地、遠方遙控操作原理圖如圖3所示。綜合圖2、圖3可知，電源進線空氣斷路器有現地、遠方控制兩個模式，其中遠方控制通過使用無線路由器將樹莓派、手機控制端組網在同一網段內，實現手機端與樹莓派之間的通信。使用現地模式時，將現地遠方切換開關QH，切換至現地，QH（2-1）、QH（2-2）接點導通，QH（1-1）、QH（1-2）斷開，閉鎖遠方操作回路。當空氣斷路器合閘時，將手動合閘、跳閘操作開關KK切換至手動合閘位置，KK（1-1）閉合，SH繼電器帶電，SH繼電器常開觸點閉合，電源經SH的動作接點、QH（2-1）接點，使空氣斷路器合閘線圈帶電，從而實現斷路器合閘。當空氣斷路器分閘時，將手動合閘、跳閘操作開關KK切換至分閘位置，KK（2-2）閉合，ST繼電器帶電，ST的動作接點閉合，電源經ST接點、QH（2-2）接點，使空氣斷路器分閘線圈帶電，從而實現斷路器合閘。使用遠方模式時，將現地遠方切換開關QH，切換至遠方，QH（1-1）、QH（1-2）接點導通，QH（2-1）、QH（2-2）斷開，閉鎖現地操作回路。當空氣斷路器遠方合閘時，通過手機控制端，發出合閘信號，通過Wi-Fi連接，將信號傳遞至樹莓派，再通過樹莓派GPIO引腳[3]將5 V電平送至遠方遙控合閘繼電器YH，遠方遙控合閘繼電器YH帶電后，遠方遙控合閘繼電器YH的動作接點閉合，遠方遙控合閘繼電器YH的動作接點的一端接開關電源正極，此時操作電源經遠方遙控合閘繼電器YH的動作接點、現地遠方切換開關遠方位置第一對接點QH（1-1）送至電源進線空氣斷路器合閘線圈HQ，實現電源進線空氣斷路器的合閘。當電源進線空氣斷路器遠方分閘時，通過手機控制端發出分閘信號，通過Wi-Fi連接，將信號傳遞至樹莓派，再通過樹莓派GPIO引腳將5 V電平送至遠方遙控跳閘繼電器YT，遠方遙控跳閘繼電器YT帶電后，遠方遙控跳閘繼電器YT的動作接點閉合，遠方遙控跳閘繼電器YT的動作接點的一端接開關電源正極，此時操作電源經遠方遙控跳閘繼電器YT的動作接點、現地遠方切換開關遠方位置第二對接點QH（1-2）送至電源進線空氣斷路器的分閘線圈，實現電源進線空氣斷路器的分閘[4-6]。

圖3 電源進線空氣斷路器現地、遠方遙控操作原理圖

3 結語

智能物聯電源箱的研究，是在現有物聯技術背景條件下，對施工、應急搶險作業現場電源安全、規范使用的一種探索。新技術的運用，提升了電源箱使用全過程的人機功效特性，是傳統電氣設備物聯化的具體體現，具有較強的實用性。