智能物聯(lián)電源箱研究

謝光輝 謝 珉 李繼堂 李建云 周文彬

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局（云南 大理 671000）

0 引言

目前，在施工作業(yè)、應(yīng)急搶險(xiǎn)過(guò)程中，經(jīng)常存在采用的電源箱達(dá)不到級(jí)差配合要求，無(wú)防大氣過(guò)電壓功能，不能遠(yuǎn)方操作電源進(jìn)線空氣斷路器并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱體內(nèi)各空氣斷路器分合閘狀態(tài)的問(wèn)題，給施工、應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)帶來(lái)較大的安全風(fēng)險(xiǎn)壓力及較多的人力支出。從安全作業(yè)及工作效能角度出發(fā)，現(xiàn)亟需一種新型電源箱，解決施工、應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)場(chǎng)景中使用傳統(tǒng)電源箱時(shí)面臨的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)研究方向選擇

隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)及信息技術(shù)的快速發(fā)展，在現(xiàn)有條件下，可以采用樹(shù)莓派、單片機(jī)、PLC可編程控制器等硬件實(shí)現(xiàn)需求，從技術(shù)角度而言，三者均能滿足功能。經(jīng)綜合考慮，因樹(shù)莓派具有較好人機(jī)交互體驗(yàn)的特點(diǎn)，故方案選擇樹(shù)莓派進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[1]。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 防雷

防雷采用電源防雷器，將防雷器并聯(lián)至電源箱內(nèi)的電源進(jìn)線母線排，并將電源防雷器的接地端接至箱體內(nèi)的接地端。當(dāng)施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境遭受大氣過(guò)電壓時(shí)，大氣過(guò)電壓通過(guò)防雷器向接地體快速泄放，避免箱體內(nèi)其他電氣設(shè)備以及接在電源饋線回路上的其他用電設(shè)備過(guò)電壓損壞，甚至造成人員觸電事故，其電氣連接關(guān)系如圖1所示。

2.2 級(jí)差配合

為滿足電源箱電源進(jìn)線空氣斷路器與電源箱所引接的上一級(jí)電源之間的合理級(jí)差配合關(guān)系，并綜合考慮安裝便利性及應(yīng)急電源搭接時(shí)效性要求高的特點(diǎn)，箱體內(nèi)的電源進(jìn)線空氣斷路器設(shè)計(jì)為可快速拆卸的安裝方式。具體實(shí)現(xiàn)方式：箱體內(nèi)電源進(jìn)線空氣斷路器的電源輸入端與上一級(jí)電源之間（電源母線），電源進(jìn)線空氣斷路器的輸出端與箱體內(nèi)饋線母線銅排之間均采用航空插頭方式連接。當(dāng)檢修電源箱電源進(jìn)線空氣斷路器與上一級(jí)電源斷路器級(jí)差不匹配時(shí)，可快速拆卸電源進(jìn)線空氣斷路器，更換其他能與上一級(jí)電源進(jìn)行級(jí)差合理匹配的斷路器，大幅度縮短級(jí)差配合時(shí)間。

2.3 裝置控制、監(jiān)控

（1）主控系統(tǒng)選擇。方案選擇樹(shù)莓派系列硬件，采用PI4系統(tǒng)作為主控單元。樹(shù)莓派是一款微型電腦主板，以MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，主板帶有USB接口、以太網(wǎng)接口和Wi-Fi功能模塊，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；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(shí)，樹(shù)莓派設(shè)置有GPIO、UART、IC、SPI等外設(shè)、總線接口[2]。通過(guò)GPIO口及外圍控制電路可對(duì)外部電氣設(shè)備進(jìn)行控制，使用Wi-Fi功能模塊能與無(wú)線路由器及手機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)樹(shù)莓派與手機(jī)端的通信、控制。

（2）樹(shù)莓派系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。樹(shù)莓派主控單元電路主要分為兩個(gè)部分：進(jìn)線電源狀態(tài)及電源進(jìn)線空氣斷路器、饋線回路空氣斷路器位置情況監(jiān)測(cè)；電源進(jìn)線空氣斷路器現(xiàn)地、遠(yuǎn)方控制。

第一，進(jìn)線電源狀態(tài)、空氣斷路器位置監(jiān)測(cè)。輸入電源、空氣斷路器位置監(jiān)測(cè)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(jìn)線電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)采用一只電源監(jiān)測(cè)繼電器監(jiān)測(cè)進(jìn)線電源電壓幅值、電源相序情況，電源狀態(tài)正常時(shí)繼電器提供一對(duì)空接點(diǎn)用于狀態(tài)監(jiān)視；當(dāng)電源幅值超限、斷相、相序異常時(shí)，繼電器動(dòng)作，并提供另外一對(duì)空接點(diǎn)用于樹(shù)莓派系統(tǒng)進(jìn)行異常告警。電源進(jìn)線空氣斷路器、饋線回路斷路器本身具有輔助接點(diǎn)，在斷路器分合閘狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，提供空接點(diǎn)用于樹(shù)莓派監(jiān)測(cè)空氣斷路器分合閘狀態(tài)。

圖1 智能物聯(lián)電源箱電氣元件連接圖

圖2 輸入電源、空氣斷路器位置監(jiān)測(cè)及斷路器遙控操作原理圖

第二，電源進(jìn)線空氣斷路器現(xiàn)地、遠(yuǎn)方控制。電源進(jìn)線空氣斷路器現(xiàn)地、遠(yuǎn)方遙控操作原理圖如圖3所示。綜合圖2、圖3可知，電源進(jìn)線空氣斷路器有現(xiàn)地、遠(yuǎn)方控制兩個(gè)模式，其中遠(yuǎn)方控制通過(guò)使用無(wú)線路由器將樹(shù)莓派、手機(jī)控制端組網(wǎng)在同一網(wǎng)段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與樹(shù)莓派之間的通信。使用現(xiàn)地模式時(shí)，將現(xiàn)地遠(yuǎn)方切換開(kāi)關(guān)QH，切換至現(xiàn)地，QH（2-1）、QH（2-2）接點(diǎn)導(dǎo)通，QH（1-1）、QH（1-2）斷開(kāi)，閉鎖遠(yuǎn)方操作回路。當(dāng)空氣斷路器合閘時(shí)，將手動(dòng)合閘、跳閘操作開(kāi)關(guān)KK切換至手動(dòng)合閘位置，KK（1-1）閉合，SH繼電器帶電，SH繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電源經(jīng)SH的動(dòng)作接點(diǎn)、QH（2-1）接點(diǎn)，使空氣斷路器合閘線圈帶電，從而實(shí)現(xiàn)斷路器合閘。當(dāng)空氣斷路器分閘時(shí)，將手動(dòng)合閘、跳閘操作開(kāi)關(guān)KK切換至分閘位置，KK（2-2）閉合，ST繼電器帶電，ST的動(dòng)作接點(diǎn)閉合，電源經(jīng)ST接點(diǎn)、QH（2-2）接點(diǎn)，使空氣斷路器分閘線圈帶電，從而實(shí)現(xiàn)斷路器合閘。使用遠(yuǎn)方模式時(shí)，將現(xiàn)地遠(yuǎn)方切換開(kāi)關(guān)QH，切換至遠(yuǎn)方，QH（1-1）、QH（1-2）接點(diǎn)導(dǎo)通，QH（2-1）、QH（2-2）斷開(kāi)，閉鎖現(xiàn)地操作回路。當(dāng)空氣斷路器遠(yuǎn)方合閘時(shí)，通過(guò)手機(jī)控制端，發(fā)出合閘信號(hào)，通過(guò)Wi-Fi連接，將信號(hào)傳遞至樹(shù)莓派，再通過(guò)樹(shù)莓派GPIO引腳[3]將5 V電平送至遠(yuǎn)方遙控合閘繼電器YH，遠(yuǎn)方遙控合閘繼電器YH帶電后，遠(yuǎn)方遙控合閘繼電器YH的動(dòng)作接點(diǎn)閉合，遠(yuǎn)方遙控合閘繼電器YH的動(dòng)作接點(diǎn)的一端接開(kāi)關(guān)電源正極，此時(shí)操作電源經(jīng)遠(yuǎn)方遙控合閘繼電器YH的動(dòng)作接點(diǎn)、現(xiàn)地遠(yuǎn)方切換開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)方位置第一對(duì)接點(diǎn)QH（1-1）送至電源進(jìn)線空氣斷路器合閘線圈HQ，實(shí)現(xiàn)電源進(jìn)線空氣斷路器的合閘。當(dāng)電源進(jìn)線空氣斷路器遠(yuǎn)方分閘時(shí)，通過(guò)手機(jī)控制端發(fā)出分閘信號(hào)，通過(guò)Wi-Fi連接，將信號(hào)傳遞至樹(shù)莓派，再通過(guò)樹(shù)莓派GPIO引腳將5 V電平送至遠(yuǎn)方遙控跳閘繼電器YT，遠(yuǎn)方遙控跳閘繼電器YT帶電后，遠(yuǎn)方遙控跳閘繼電器YT的動(dòng)作接點(diǎn)閉合，遠(yuǎn)方遙控跳閘繼電器YT的動(dòng)作接點(diǎn)的一端接開(kāi)關(guān)電源正極，此時(shí)操作電源經(jīng)遠(yuǎn)方遙控跳閘繼電器YT的動(dòng)作接點(diǎn)、現(xiàn)地遠(yuǎn)方切換開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)方位置第二對(duì)接點(diǎn)QH（1-2）送至電源進(jìn)線空氣斷路器的分閘線圈，實(shí)現(xiàn)電源進(jìn)線空氣斷路器的分閘[4-6]。

圖3 電源進(jìn)線空氣斷路器現(xiàn)地、遠(yuǎn)方遙控操作原理圖

3 結(jié)語(yǔ)

智能物聯(lián)電源箱的研究，是在現(xiàn)有物聯(lián)技術(shù)背景條件下，對(duì)施工、應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源安全、規(guī)范使用的一種探索。新技術(shù)的運(yùn)用，提升了電源箱使用全過(guò)程的人機(jī)功效特性，是傳統(tǒng)電氣設(shè)備物聯(lián)化的具體體現(xiàn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。