基于物聯(lián)網(wǎng)的智能高壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)

黃新波，方壽賢，王霄寬，王紅亮，李小博，李文靜

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

0 引言

高壓開關(guān)柜是輸配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，一旦損毀會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。本文設(shè)計(jì)了一種全新的智能高壓開關(guān)柜，一方面具有傳統(tǒng)開關(guān)柜的功能，另一方面具有智能化監(jiān)測、自我故障診斷等功能；采用ARM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F-28335的雙CPU結(jié)構(gòu)，以雙CPU為控制核心，基于IEC61850協(xié)議實(shí)現(xiàn)了智能開關(guān)柜智能電子設(shè)備（IED），不但可以分析開關(guān)柜的狀態(tài)并就地處理，完成相應(yīng)的動(dòng)作，而且可以通過光纖將開關(guān)柜中的信息傳輸?shù)街悄茏冸娬镜囊惑w化信息管理平臺中，基于上述信息，開關(guān)柜IED可對高壓開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷［2］，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜的自我檢測、自我診斷和自我動(dòng)作等。

1 開關(guān)柜整體結(jié)構(gòu)和原理

智能高壓開關(guān)柜包括智能監(jiān)測單元、智能識別單元、智能控制單元和智能開關(guān)柜IED 4個(gè)部分，其整體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of system

1.1 開關(guān)柜IED

智能開關(guān)柜IED設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的ARM+DSP雙CPU技術(shù)，用以接收智能開關(guān)柜監(jiān)測單元采集到的三相電流、三相電壓、電網(wǎng)頻率、功率、電能、局部放電、高壓開關(guān)機(jī)械特性、高壓斷路器母線/觸頭溫度等數(shù)據(jù)，并遵循IEC61850協(xié)議送至站控層服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。智能開關(guān)柜IED外圍擴(kuò)展了CAN網(wǎng)絡(luò)接口、RS-485網(wǎng)絡(luò)接口、RS-232接口、以太網(wǎng)接口、Wi-Fi以及SD卡接口，可以適應(yīng)高壓開關(guān)柜內(nèi)各種不同的監(jiān)測單元，它把智能開關(guān)柜所需的通信方式整合到一起，采用有線傳輸和無線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測單元與IED之間的數(shù)據(jù)通信和控制，克服了開關(guān)柜內(nèi)高電壓、大電流的強(qiáng)電場、強(qiáng)電磁輻射、高頻噪聲和諧波的干擾問題。

1.2 智能監(jiān)測單元

1.2.1 電量監(jiān)測子單元

電量監(jiān)測子單元主要是實(shí)現(xiàn)對母線的電壓、電流、有功功率、無功功率、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)和電能的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1.2.2 柜內(nèi)的局部放電監(jiān)測子單元

局部放電監(jiān)測子單元主要是實(shí)現(xiàn)柜體內(nèi)絕緣特性的監(jiān)測。高壓柜局部放電超高頻監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要由超高頻天線傳感器、信號調(diào)理單元、無線傳輸模塊、電源模塊組成。具體的單元框圖見圖2。

圖2 局部放電監(jiān)測子單元Fig.2 Partial discharge monitoring subunit

傳感器采用阿基米德雙臂螺旋天線，能實(shí)現(xiàn)帶寬500～1500 MHz的局部放電信號檢測，可以較好地抑制噪聲干擾，同時(shí)獲取盡量多的放電信息。

1.2.3 操作機(jī)構(gòu)故障監(jiān)測子單元

操作機(jī)構(gòu)故障監(jiān)測子單元主要從2個(gè)方面著手［3］：一是開關(guān)機(jī)械性能，主要是監(jiān)測分合閘速度，因?yàn)樗苯佑绊戦_斷性能；二是監(jiān)測彈簧操作機(jī)構(gòu)的彈簧蓄能時(shí)間，然后與正常值進(jìn)行對比，以判斷操作彈簧的蓄能情況。通過監(jiān)測脫扣線圈的電流來辨別脫扣線圈的工作情況，以監(jiān)測分閘性能。特別是監(jiān)測脫扣線圈的斷線，可防止拒動(dòng)等重大事故的發(fā)生。操作機(jī)構(gòu)故障監(jiān)測子單元［4］主要監(jiān)測3個(gè)方面：

a.把同一類設(shè)備在最佳動(dòng)作狀態(tài)下事先建立的參數(shù)值與運(yùn)行時(shí)的值進(jìn)行比較，從而判斷操作機(jī)構(gòu)功能是否完好；

b.由壓力傳感器測得壓力，根據(jù)壓力值發(fā)出警報(bào)、去啟動(dòng)儲能泵或鎖住操作機(jī)構(gòu)；

c.對觸頭磨損量的參數(shù)I（流過觸頭的電流）及t進(jìn)行監(jiān)測處理，對觸頭的電磨損量進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警。

1.2.4 母線、觸頭溫度監(jiān)測子單元

安裝在母線、觸頭臂上的溫度監(jiān)測子單元，它包含了飛思卡爾集成單片機(jī)MC9S08QG8（其抗干擾能力好，由于采用高壓取電的工作方式，系統(tǒng)功耗很小）、溫度傳感器 DS18B20、ZigBee 無線通信模塊［5］以及系統(tǒng)工作電源。具體如圖3所示。

圖3 溫度監(jiān)測子單元Fig.3 Temperature monitoring subunit

1.3 智能控制單元

智能控制單元可分為柜體智能控制子單元和智能化“五防”閉鎖控制子單元，下面分別進(jìn)行介紹。

1.3.1 柜體智能控制子單元

該柜體智能操控子單元主要包括3個(gè)部分：柜內(nèi)開關(guān)量的監(jiān)測，如斷路器手車位置指示、斷路器的分合指示、隔離開關(guān)的分合、接地開關(guān)的分合、儲能狀態(tài)、高壓帶電等；開關(guān)柜電動(dòng)操作控制，實(shí)現(xiàn)控制手車和接地開關(guān)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成手車電動(dòng)進(jìn)出和接地開關(guān)電動(dòng)分合操作；開關(guān)柜內(nèi)溫濕度信號［6］、開關(guān)柜前的人體感應(yīng)信號、有害氣體濃度信號、開關(guān)柜的加熱器斷線信號監(jiān)測。

該開關(guān)柜智能控制單元包括信號采集、信號處理、直流電機(jī)控制電路、顯示、語音以及電源等模塊，具體的單元原理框圖如圖4所示。

圖4 智能控制單元原理圖Fig.4 Schematic diagram of intelligent control unit

a.信號處理模塊。采用ARM+DSP的結(jié)構(gòu)，使設(shè)備具有高效快速的處理能力和強(qiáng)大的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。ARM采用三星公司的芯片S3C2440A，附加外圍的鍵盤、液晶、以太網(wǎng)通信等硬件設(shè)備，用以完成整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制，包括向DSP發(fā)送指令，要求回傳數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理、存儲和顯示，以及與DSP和上位機(jī)的通信。DSP選用德州儀器（TI）公司的TMS320F28335芯片，利用DSP的高速運(yùn)算和多種片上外設(shè)的特點(diǎn)完成開關(guān)柜狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，并對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，同時(shí)實(shí)時(shí)響應(yīng)ARM的請求，將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送給ARM。DSP與ARM的通信采用串行外設(shè)接口（SPI）通信。ARM系統(tǒng)接收來自DSP的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照事先設(shè)定的程序進(jìn)行本地存儲顯示，并且通過以太網(wǎng)打包通信上傳到上位機(jī)，同時(shí)可通過人機(jī)交互界面在本地顯示。

b.直流電機(jī)控制單元通過微控制單元（MCU）的控制手車和接地開關(guān)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成手車電動(dòng)進(jìn)出和接地開關(guān)電動(dòng)分合操作。用戶既可以就地按下命令按鈕完成電動(dòng)操作，也可以由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送遠(yuǎn)程電動(dòng)操作指令來完成電動(dòng)操作。為提高電動(dòng)操作的可靠性，本裝置能提供電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能和變頻控制功能，具備了模擬手動(dòng)操作的能力，可根據(jù)電動(dòng)操作過程的實(shí)際情況調(diào)整扭矩和轉(zhuǎn)速，大幅降低了機(jī)構(gòu)堵轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)，并可防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。此部分采用了科學(xué)合理的控制和保護(hù)算法，可以顯著提高開關(guān)柜電動(dòng)操作的可靠性。

c.顯示模塊。為了清晰地顯示開關(guān)柜的各個(gè)狀態(tài)，顯示模塊主要包括液晶屏的顯示、高亮指示條的顯示以及指示燈的顯示。高亮顯示條主要是指示相關(guān)的開關(guān)柜狀態(tài)，使其更加直觀、清楚；指示燈部分主要包括：斷路器手車位置指示、斷路器分合指示、接地開關(guān)指示、儲能提示、高壓帶電顯示、溫/濕度控制指示、觸頭溫度報(bào)警顯示、加熱器A工作指示燈、加熱器B工作指示燈、排風(fēng)啟動(dòng)指示燈、高壓帶電指示燈以及閉鎖指示燈、與上位機(jī)通信的發(fā)送指示燈以及接收指示燈［6］。

1.3.2 智能化“五防”閉鎖控制子單元

所謂電力“五防”是指：防止誤分、誤合斷路器；防止帶負(fù)荷拉、合隔離開關(guān)；防止帶電掛接地線（或接地刀閘）；防止帶接地線合隔離開關(guān)；防止誤入帶電間隔。電力系統(tǒng)“五防”裝置中除了防止誤分、誤合斷路器之外，其他“四防”均要求強(qiáng)制閉鎖?？刂破鳛橹悄荛]鎖裝置的核心，首先把開關(guān)柜內(nèi)所有設(shè)備在各種運(yùn)行方式下的操作程序存儲在控制器的存儲器內(nèi)，運(yùn)行人員需要進(jìn)行操作時(shí)，就按照一定的規(guī)程進(jìn)行操作，控制器根據(jù)預(yù)選存儲的程序?qū)γ恳豁?xiàng)操作進(jìn)行判斷。如果操作正確，就發(fā)出正確的聲音提示，指示燈部分指示相關(guān)操作；如果操作錯(cuò)誤，系統(tǒng)則自動(dòng)播放提醒語音，并且操作無效，也無法進(jìn)行下一步操作，防止運(yùn)行人員誤操作，保障人身和設(shè)備安全。

1.4 智能識別單元

智能識別單元在智能識別斷路器、柜體等設(shè)備信息方面，采用的是無線射頻識別（RFID）技術(shù)。射頻識別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、母線、電壓互感器、電流互感器、柜體等設(shè)備的本體信息以電子標(biāo)簽的形式預(yù)埋在設(shè)備中，通過RFID直接將設(shè)備信息傳遞給智能開關(guān)柜IED，并遵照IEC61850協(xié)議由光纖上傳到一體化信息平臺，對設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確定位、跟蹤，了解設(shè)備動(dòng)態(tài)信息。

1.5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是通過RFID、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。將RFID、ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到智能高壓開關(guān)柜的設(shè)計(jì)中，不僅使它具有傳統(tǒng)開關(guān)柜的功能，而且實(shí)現(xiàn)智能識別、智能監(jiān)測和智能控制，使智能IED遵循IEC61850協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)揭惑w化信息平臺。

2 硬件結(jié)構(gòu)和原理

硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware structure

控制部分采用ARM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F28335的雙CPU結(jié)構(gòu)，以雙CPU為控制核心，在外圍分別搭建CAN網(wǎng)絡(luò)接口、RS-485網(wǎng)絡(luò)接口、RS-232接口、以太網(wǎng)接口、RFID模塊，采用IRIG-B碼對時(shí)提供精確統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。本智能柜充分考慮電磁干擾對設(shè)備的影響，電源部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對各供電線路進(jìn)行了分區(qū)隔離。

通信部分包括CAN網(wǎng)絡(luò)接口、RS-485網(wǎng)絡(luò)接口、RS-232接口、以太網(wǎng)接口、RFID以及ZigBee無線通信技術(shù)。智能監(jiān)測單元將監(jiān)測到的信息通過CAN總線或485總線傳送到智能開關(guān)柜IED，同時(shí)智能識別單元通過RFID模塊識別開關(guān)柜的設(shè)備信息，經(jīng)過MCU處理，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，遵循IEC61850協(xié)議與服務(wù)中心進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

系統(tǒng)電源采用開關(guān)電源模塊，將輸入的交流220V轉(zhuǎn)換成直流5V，然后通過線性穩(wěn)壓芯片MIC29502BU轉(zhuǎn)換成3.3 V，最終通過線性電壓調(diào)節(jié)芯片LM1117-ADJ將3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為1.5 V和1.9 V，作為CPU工作電源、通信驅(qū)動(dòng)電源、液晶屏電源及信號顯示電源等。由于開關(guān)柜內(nèi)高電壓條件限制，監(jiān)測單元的電源必須由內(nèi)部提供，采用蓄電池等固定能量的供電方式均無法保證系統(tǒng)的長期運(yùn)行。根據(jù)斷路器觸點(diǎn)和母線的溫度升高時(shí)有電流流過的特征，采用電磁感應(yīng)原理直接從斷路器觸點(diǎn)導(dǎo)電板或母線上獲得監(jiān)測單元的低電壓電源?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)專用電流互感器，采用坡莫合金為鐵芯，可保證小電流時(shí)鐵芯正常勵(lì)磁、大電流時(shí)鐵芯飽和，從而提供了變化幅度較小的感應(yīng)電壓（9～24 V）。感應(yīng)電壓經(jīng)過限壓、整流和二次穩(wěn)壓后獲得穩(wěn)定的+5 V電源電壓輸出［7］。原理圖如圖6所示。

圖6 高壓自具電源原理圖Fig.6 Schematic diagram of high voltage source

3 軟件流程

智能開關(guān)柜的軟件程序流程圖如圖7所示，其總體流程是一個(gè)無限循環(huán)。每次循環(huán)都將不停地查詢開關(guān)柜的狀態(tài)、按鍵的狀態(tài)以及其他各個(gè)輸入，送給MCU處理，從而使得MCU實(shí)時(shí)輸出各種控制信號，最后清除看門狗（DOG）計(jì)數(shù)器，以確認(rèn)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 軟件流程Fig.7 Flowchart of software

ARM和DSP的主從結(jié)構(gòu)之間采用SPI通信方式，穩(wěn)定、迅速，使兩者之間的連接高速、可靠。由于通信主要由ARM發(fā)起，所以設(shè)置ARM為主機(jī)，DSP為從機(jī)。

4 運(yùn)行數(shù)據(jù)

系統(tǒng)已成功應(yīng)用于唐山虹橋變電站，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。以智能高壓開關(guān)柜中三相溫升監(jiān)測點(diǎn)溫度為例，該監(jiān)測點(diǎn)從2011年8月20日至2011年8月24日的所有數(shù)據(jù)如圖8所示。

由圖8可見，智能高壓開關(guān)柜各個(gè)傳感器工作正常，能有效準(zhǔn)確地發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心的專家軟件沒有誤報(bào)警現(xiàn)象，準(zhǔn)確率為100%。

圖8 高壓開關(guān)柜中溫度監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)圖Fig.8 Temperature data of monitored points in high voltage switchgear

5 結(jié)語

智能高壓開關(guān)柜既具有傳統(tǒng)開關(guān)柜的功能，又具有智能化監(jiān)測、自我故障診斷等功能，可以就地分析和處理開關(guān)柜的狀態(tài)，完成相應(yīng)的動(dòng)作，并遵照IEC61850協(xié)議由光纖將開關(guān)柜中的信息上傳到一體化信息平臺。智能高壓開關(guān)柜采用ARM+DSP雙CPU處理器，具有靈活性和可定制性，可方便實(shí)現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的軟硬件升級。智能開關(guān)柜可以減少巡行人員的巡視次數(shù)，實(shí)現(xiàn)無人值守，且投資小、免維護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)智能變電站打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，應(yīng)用前景非常廣泛。