節能遙控智能斷路控制器的研制與應用

劉可夫（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

1 基本情況

大慶油田某采油廠負責的范圍內路燈電源電纜使用時間長，而且深埋地下，出現老化、破損、絕緣降低等故障無法繼續使用，目前廠區路燈由就近電源供電，無法通過廠區配電所集中控制，對路燈的使用、維護、調試帶來很多困難。

1）目前每路路燈電源處都加裝了一個時控開關，由于路燈開啟時間需要根據季節時間的變化進行調整，而且調整比較頻繁，所以人工調整每個時控開關的工作十分的繁瑣，而且路燈調節的地點非常多，每次將所有路燈都調節完畢需要近2 h。

2）人工調節時控開關，需要將路燈下面的檢修孔打開進行時間的調節。由于路燈調節設備都安裝在路燈桿近地端內部，而且燈桿柱內部沒有足夠的操作空間，所以調節時控開關非常困難，需要特別的小心，以免造成線路短路和人工觸電的事故，調整完成還需要恢復檢修孔的防水密封，頻繁的操作很容易造成不可預知的故障與危險。

3）由于路燈電源不集中，無法集中控制、監控路燈的狀態，當時控開關失靈時，路燈就無法正常工作，而且維護人員得不到故障信息，不能及時進行修理，所以只能由人工經常對路燈進行巡視，發現故障及時處理，不但增加了維護人員的工作強度，而且延誤故障處理時間。

2 裝置功能

將裝置服務端安裝在配電室，將客戶端安裝在各路路燈的電源處，即可實現對全廠區路燈的集中控制、監控[1]。

1）根據季節變化及時調整路燈的起停時間，只需要在服務端設置好時間即可，客戶端無需任何操作，客戶端只接收命令與發送反饋信息給服務端，供使用者觀察。

2）在日常檢修維護時通常將路燈總電源送電，全部路燈都開啟。該裝置可根據檢修需要任意起停每單路路燈，此功能使用藍牙模塊實現，操作者只需要用手機藍牙連接并發送相關命令即可實現。

3）監視作用。使用過程中路燈出現故障裝置會將故障信息傳給維護人員及時維護搶修，此功能不僅在服務端液晶顯示器上有顯示，而且可以發送短息給相關維護成員，無論維護者在哪里都可以收到。

3 裝置應用與優點

該裝置不僅可以控制路燈，它可以控制一切使用交/直流接觸器控制的電力設備。作為一種電力控制設備，它的功能與優點有以下幾個方面：

1）安全方面。電力設備的啟停按照距離可分為兩種，就地與遠方[2]。該裝置即可為電力提供遠方操作方式。就地啟動時若設備發生故障，很可能傷害到操作手；遠方操作即可避免這種可能，從而提高安全性，而且就地操作的權限高于遠方操作權限，就地操作使其斷電以后，遠方的操作就無效了，保證操作者安全。

2）降低人力成本。可以將同類型設備集中到同一操作臺集中控制，減少人工。配置了范圍為6 km的無線通訊設備，根據實際需要還可以配置范圍更遠的無線通訊設備，甚至可以通過短信方式傳遞信息，實現任意距離的遠方控制，短信的方式尤為重要，即使維護人員休息在家也可以隨時掌握設備的動態。

3）安裝簡單。只需要在被控制端安裝裝置的客戶端即可，無需在控制室與電力設備之間接引控制電纜，在老舊電力改造方面優點尤其突出，無需另外布線即可在原有控制方式上改造增加遠方操作功能，即保留原有操作方式又增加遠方操作方式。

4）狀態監控。裝置不僅可以控制電力設備的啟動與停止，還可以監控設備實際運行狀態。服務端發出命令的同時也在接收客戶端的反饋數據，這些數據時時的在人機對話液晶屏幕上顯示出來，這里設置了三種設備的狀態，開啟、關閉與離線。通過對被控電力設備的交流接觸器輔助觸電的監控，即可實現客戶端對電力設備狀態的監控。離線狀態是監控客戶端狀態的，從而保證了裝置的可靠運行。這樣被控電力設備與客戶端都有了監控，一旦出現問題可直接判斷故障，有利于設備的維修、恢復供電[3]。

5）藍牙控制。設備的客戶端上面增加了藍牙串口，可以直接與手機進行通訊。手機可以直接控制客戶端的啟動與停止。藍牙控制的范圍是5 m以內，就是說人必須在被控電力設備5 m之內才可以使用藍牙控制功能。而且從人員安全性上面考慮，還增加了權限的控制，當人員在客戶端5 m之內使用手機控制電力設備時，客戶端就閉鎖了服務端方面發送的指令。這點在設備檢修時尤其實用。以前檢修路燈時，都是將所有的路燈都打開，從而觀察是否有壞掉的，現在只需要將檢修人員附近的路燈通過藍牙控制即可。

6）控制模式靈活。裝置內置了三種控制模式，時間控制、直接控制與藍牙就地控制模式。通過人機接口的模式按鍵即可調整這三種模式。“自動”模式就是時間控制模式，“開啟”與“關閉”兩種模式屬于直接控制模式，這種情況下時間控制將不起作用。藍牙就地控制模式與第五條相同。多種模式的配合使用增加了控制的靈活性，可以根據實際需要選取相應的模式，而且可以多種模式并存，權限為藍牙就地模式最高，直接控制權限次之，時間控制權限最低，層層制約保證安全[4]。

7）節能環保。有些電力設備其實并不需要24 h滿負荷運行，比如路燈、水源井、浴室的加熱設備、甚至是間抽采油井。例如水源井的工作，根據人們的作息時間，早中晚三個時間段用水最多，其他時間用水量較少，可以將多余的水源井水泵按需關閉，留下夠用即可。

按照可停一口井，每天停10 h，水源井水泵70 A電流，理想情況下粗略計算功率為36.8 kW；單口水源井水泵耗電36.8 kWh；停1口水源井水泵10 h可節約電能368 kWh；1 a可節約132 480 kWh；按照電價0.6元計算，每年節約近8 000元電費。

以上僅考慮到廠區的水源井，其他水源井、間抽油井、電加熱設備等其他電力設備節電情況不一一列舉。

8）短信報警。在服務端設置了時間控制的模式下，有任何異常情況都可以通過短信將異常信息傳給相關人員，短信內容可定制[5]，如電力設備的狀態，哪些設備狀態異常等等，而且還可以根據使用者的意愿添加新的報警信息以及功能。

9）功能定制。裝置運行的邏輯程序可按照需要的功能進行定制，后期可擴展，C語言編寫[6]，可移植性強。如想要遠程查看設備電流，只需要增加硬件電流變送器、增加相應程序代碼即可，隨著物聯網的流行，未來打算給設備編寫配套的平臺，使其接入，這樣就更加方便使用，只需要訪問相關的網頁即可遠程操作設備。

4 操作方法

客戶端按照接線直接安裝即可，無需設置；服務端只需要設置時間。

1）黃色按鍵提供頁面切換功能，共7個頁面。路燈狀態頁面：顯示每一路路燈或者設備的狀態，分為啟動、停止、離線；起停時刻總覽頁面：此頁面顯示所有設置好的時間，便于觀察；清晨開啟時刻設置頁面：此頁面顯示設備的啟動，此為第一路；清晨關閉時刻設置頁面：此頁面顯示設備的停止，此為第一路；夜晚開啟時刻設置頁面：此頁面顯示設備的啟動，此為第二路；夜晚開啟時刻設置頁面：此頁面顯示設備的停止，此為第二路；實時時鐘設置頁面：設置當前時間，當時間不準確時可以通過這個設置校準。

2）兩個藍色按鍵分別提供設置時針和分針的功能：時針每按一下，時針增加1 h；分針每按一下，分針增加15 min；這兩個按鍵在任何調整時間的頁面都通用，包括實時時間調整頁面，實時時間也可以通過USB線連接電腦通過編譯器更改。

3）紅色按鍵提供模式更改功能：模式選擇案件可以在所有頁面使用，按一下即可切換模式（模式的意義參見前面的說明）。默認開機顯示頁面為路燈狀態頁面，使用時設置完需要設置的時間之后，無需特殊操作，等待一段時間之后（約30 s），頁面默認自動跳轉到路燈狀態頁面，平時使用時觀察頁面即可，不需要經常按動。

5 裝置接線以及實現原理

5.1 裝置接線

電力設備智能化控制裝置是一種用時間控制的微電腦無線遠程開關設備，通過微電腦控制器實現程序邏輯，工業級433 MHz無線串口進行長距離可靠的數據交換，液晶顯示屏與4個按鍵實現了簡單有效的人機對話，C/C++語言編寫的程序驅動了所有硬件成為同一個系統。這些軟硬件的組合實現了使用一臺服務端對若干客戶端的控制與狀態監控等功能[7]。

由1個服務端控制若干個客戶端，客戶端的數目沒有限制。可同時布置多套設備，互相之間無干擾。服務端只需要插入電源即可。

5.2 程序邏輯原理

服務端初始化過程包括初始化：

1）串口液晶屏幕初始化：使其清零顯示，等待時間芯片以及其他信息輸入。

2）按鍵初始化：使四個按鍵接入端口編程輸入端口，使其按動時主控芯片會收到信息。

3）無線串口初始化：使其轉變為“穿透”模式，對外發送的信息會直接傳送到客戶端。

4）時間芯片初始化：將當前的時間傳給主控芯片，經過格式化后顯示在液晶屏上[8]。

5）串口初始化：一共三組串口，一組給USB口使用，用來編程與調試；一組給無線串口使用，用來接收與發送命令信息；一組給液晶屏幕使用，用來顯示與反饋信息，供使用者觀察。

初始化接收后，程序便開始從上至下逐行執行，首先將人機接口需要的信息都顯示在液晶屏幕上，包括當前的日期與時間，各路路燈的狀態等信息；服務端通過無線串口模塊發出指令，客戶端接收之后動作。節能搖控檢測斷路控制器見圖1，服務端程序邏輯見圖2，客戶端邏輯見圖3。客戶端收到服務端無線串口發出的“ONALL”或藍牙串口發出的“ON”時，客戶端的控制線帶正點，SSR（固態繼電器）動作，固態繼電器的觸點閉合，KM的線圈帶電，KM的主觸點閉合，負載通電，同時KM的輔助觸點也閉合，客戶端的監測線電位被拉低，無線串口發出“SL1ON”（SL1ON為第一路路燈，或者第一組設備的代號，多組設備或路燈的時候為SL2ON，SL3ON，SL4ON等等）的指令給服務端，服務端的狀態顯示頁面顯示第一路路燈開啟。客戶端收到服務端無線串口發出的“OFFALL”或藍牙串口發出的“OFF”時，客戶端的控制線為零電位，SSR觸點打開，KM線圈失電打開，負載失電，同時KM的輔助觸點打開，客戶端檢測線電位升到+5 V，無線串口發出“SL1OFF的指令給服務端，服務端的狀態顯示頁面顯示第一路路燈開啟[9]。藍牙控制的權限大于無線串口的權限，所以當客戶端執行“ON”的指令時，無線串口的“OFFALL”指令是無效的，其他亦然。

圖1 節能搖控檢測斷路控制器Fig.1 Energy-saving remote control breaker controller

圖2 服務端程序邏輯Fig.2 Server program logic

圖3 客戶端邏輯Fig.3 Client logical

當藍牙串口發出“AUTO”時，釋放權限，這時無線串口的指令恢復控制。服務端的無線串口模塊只發出打開或者關閉信息，客戶端不僅接收服務端的命令信息，而且將設備的狀態還會反饋給服務端；未來將會添加計量功能，采集設備的電壓、電流，然后通過計算將功率、電量反饋給服務端，而且制作上位機將電力參數繪制成曲線供使用者參考[10]。

6 成果應用

該成果已在北四聯、北二二聯合站等全廠24個變電所的小電流接地選線裝置中投入應用。按一個電所一天節約13度電計算，24個變電所、365 d節約電費7.7萬元。及時判定北八電所高壓電纜擊穿故障，避免經濟損失290萬元。能夠及時判定故障、切換功能、發迅電流輸出等，減少人工及車輛往返。同時，能夠降低井排停井時間，保障原油產量。在水源井水泵以及部分定時運行的設備上安裝此裝置，均達到了預期效果，相較去年累計節電25.3%，累計創造效益365.25萬元。

7 結語

該裝置已經試運行一年以上，運行穩定，僅由于電源內部電容損壞過一次，更換質量更好的電容后一直在線運行；在106間辦公室與公寓的計算機、空調上安裝并使用裝置后，達到實驗目的，人走后定時關閉電氣設備，并且能夠保證加班人員正常使用電氣設備；在全廠325根路燈的控制回路上加裝本設備，使路燈的使用時間更加科學，并且維護起來更方便，節省了電力以及人力，累計節省人力。