低壓電器設(shè)備智能化發(fā)展探析

張 立

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低壓電器設(shè)備智能化發(fā)展探析

張 立

（浙江省高低壓電器產(chǎn)品質(zhì)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(wǎng)供電的設(shè)備，隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)逐漸深入，對低壓電器進行智能化改造已經(jīng)是電器行業(yè)的重要發(fā)展趨勢。由此，本文結(jié)合實際情況，提出低壓電器設(shè)備智能化設(shè)計的一種方案，即將DSP技術(shù)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(shè)備；智能化；DSP

我國智能電網(wǎng)是以特高壓作為骨干網(wǎng)絡(luò)，包括發(fā)電、用電、變電、調(diào)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(shè)備。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知，當(dāng)前95%的電力系統(tǒng)故障發(fā)生在配電側(cè)，電力系統(tǒng)約80%的電能是通過電網(wǎng)低壓端傳輸?shù)接脩舨⑾摹４送?，有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，57%的能源消耗于電機。因此，在配電網(wǎng)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(wǎng)配電、輸電的控制、分配、保護等的核心，其特點是數(shù)量較多覆蓋的范圍較廣泛，因此是構(gòu)建我國智能電網(wǎng)的重要部分之一。由此當(dāng)前，要實施電網(wǎng)的智能化發(fā)展就需要實現(xiàn)電網(wǎng)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(shè)備智能化對于電網(wǎng)智能化至關(guān)重要。

1 低壓電器設(shè)備智能化概述

1.1 智能化低壓電器設(shè)備及其特點

目前，國內(nèi)外對于低壓電器設(shè)備智能化還沒有統(tǒng)一的定義，但是智能化低壓電器已經(jīng)在實踐當(dāng)中被研發(fā)設(shè)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(jiān)控；電參數(shù)的測量功能。隨著智能樓宇設(shè)備的發(fā)展以及智能電網(wǎng)的建設(shè)，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(yōu)點：

1）諧波處理。配電系統(tǒng)的一般分布會產(chǎn)生高次諧波，而電氣設(shè)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(dāng)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(xiàn)中央計算機的集中監(jiān)測控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化。

4）數(shù)據(jù)共享。智能電器采用數(shù)字監(jiān)控元件，使配電系統(tǒng)和控制中心獲取的信息量大幅度增加，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，使布線和安裝簡化便利。

1.2 低壓電器設(shè)備智能化的必要性及前景

智能化的低壓電器設(shè)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(fā)展趨勢，智能化低壓電器在中高端電氣設(shè)備的市場份額在不斷地擴大。智能電網(wǎng)的發(fā)展對于低壓電器企業(yè)既是機遇也是挑戰(zhàn)。因為電網(wǎng)當(dāng)中包含有非常多的電器設(shè)備，要實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化發(fā)展，就需要對這些電器設(shè)備進行智能化的改造，只有抓住了技術(shù)創(chuàng)新才能夠制造出適應(yīng)智能電網(wǎng)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(yè)發(fā)展的趨勢。

目前電網(wǎng)智能化對低壓電器的集成化發(fā)展以及整體解決方案的發(fā)展提出了更高的要求，促使低壓電器向光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、新能源、分布式電源等應(yīng)用領(lǐng)域擴展，這些新應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)低壓電器提出了諸多新的要求，促使低壓電器智能化技術(shù)的進步。

2 低壓電器設(shè)備智能化的設(shè)計

低壓電器的智能化設(shè)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(shù)、控制技術(shù)以及相關(guān)通信技術(shù)，包括以TMS320F28355型DSP芯片為核心處理器的下位機硬件和軟件設(shè)計以及應(yīng)用LabVIEW的上位機軟件設(shè)計。

2.1 智能化低壓電器設(shè)備硬件設(shè)計

低壓電器設(shè)備最為重要的功能之一就是電網(wǎng)保護，當(dāng)電網(wǎng)當(dāng)中出現(xiàn)一些短路、過載以及斷相的現(xiàn)象時，低壓電器就會自動脫扣，將故障段從電網(wǎng)中斷開，從而達到保護電網(wǎng)以及相關(guān)用電設(shè)備的目的。智能型的低壓電器設(shè)備主要是通過智能化的控制器，通過自動采集電網(wǎng)中的電流、電壓以及頻率等信息，結(jié)合一些內(nèi)部的運算程序，判斷故障的預(yù)警和發(fā)生，從而啟動保護程序，完成對電網(wǎng)的保護。

1）硬件總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合智能型低壓電器自動采集設(shè)備參數(shù)信息以及電路控制的設(shè)計目標，在進行低壓電器的智能化設(shè)計時，選擇合適的電路結(jié)構(gòu)以及合適的元器件，從而滿足設(shè)備的內(nèi)部運算能力、參數(shù)監(jiān)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(shù)據(jù)便會經(jīng)過芯片A/D模塊進行數(shù)字化的轉(zhuǎn)換，置換之后再結(jié)合FFT運算方式，得到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(tǒng)的設(shè)計流程。依據(jù)模塊化所對應(yīng)的設(shè)計理念，硬件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計的基于DSP的智能化低壓電器的硬件系統(tǒng)主要包括電源模塊、信號調(diào)理模塊、中心控制模塊、顯示模塊、接口模塊、復(fù)位模塊等。該智能化的低壓電器能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓信號的采集、預(yù)處理與執(zhí)行等性能。這里面的電源模塊重點是當(dāng)作DSP中心操控模塊以及液晶顯示模塊等供應(yīng)相關(guān)電源，而信號調(diào)理模塊重點是當(dāng)作達成關(guān)于電壓以及電流互感器方面的參數(shù)實行數(shù)據(jù)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(tǒng)的中心控制模塊本文主要選擇TMS320F28335型號的DSP數(shù)字信號處理器，該型號的DSP數(shù)字信號處理器內(nèi)含有高容量的FLASH程序存儲器和SRAM靜態(tài)隨機存儲器，同時還集成了通信總線、看門狗、轉(zhuǎn)換器、異步串口等性能。

為了能夠把較好地進行操控對應(yīng)的低壓電器，本文設(shè)計出了鑒于LabVIEW虛擬操作技術(shù)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(guān)參數(shù)進行整定和監(jiān)控，實現(xiàn)低壓電器的智能化功能。

2）核心控制模塊設(shè)計

這里選擇了TMS320F28335型號DSP芯片來當(dāng)作是硬件系統(tǒng)里面的重點處理器，這一款芯片屬于TI公司進行研發(fā)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(tǒng)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(guān)接口較為豐富，芯片里面的存儲空間比較大，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)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(yīng)用于自動化操控，特別是需針對大量信息數(shù)據(jù)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(huán)境。TMS320F28335型號DSP芯片將靜態(tài)CMOS技術(shù)有所結(jié)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(shè)備軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)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(shè)計包括軟件的的數(shù)據(jù)設(shè)計，軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟件的過程設(shè)計，軟件的接口程序設(shè)計這幾點就是軟件設(shè)計所包含要素。智能化低壓電器設(shè)備相關(guān)的軟件配置重點是在于為和系統(tǒng)對應(yīng)的硬件功能進行協(xié)調(diào)，重點包含有維護功能設(shè)計、電網(wǎng)電參數(shù)計算設(shè)計以及低壓電器的控制功能設(shè)計。

1）低壓電器的保護功能設(shè)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(yīng)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(yīng)的維護性能。短路短延時維護以及短路瞬時維護完成經(jīng)歷相比較而言較簡單，重點是依據(jù)所檢測到的電流對應(yīng)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(jù)總計熱效應(yīng)實行判別而且實行相對應(yīng)操控。

因為電網(wǎng)里面的電流會顯現(xiàn)出波動干擾，在針對系統(tǒng)所出現(xiàn)熱量的總加數(shù)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(shù)值是否比較于過載電流假設(shè)數(shù)值要大。若是大于假設(shè)數(shù)值，那么把此周期里面的電流平方以及運算數(shù)值總共加起來置于整體電流平方和當(dāng)中；若是不大于假設(shè)數(shù)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(xiàn)，需要把熱效應(yīng)累加數(shù)值進行復(fù)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(wǎng)電參數(shù)計算設(shè)計

電力系統(tǒng)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(shù)。

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(shù)據(jù)信息實行奇偶相互分組的同一時刻還依據(jù)碼位反置的性質(zhì)把它再次進行排列。用=8的信息數(shù)據(jù)當(dāng)作是參考，序列所屬的二進制表達是(2，1，0)。先第一次依據(jù)0來實行分組，在分組之后0=1當(dāng)作是奇數(shù)組，1=0屬于偶數(shù)組。第二次與第三次以及第一次都屬同樣的，分別是依據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)論。依據(jù)FFT計算的基礎(chǔ)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(dāng)作是一個蝶形種類的單元。用=8當(dāng)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(fā)條件內(nèi)的仿真模式實行了相對應(yīng)的仿真，數(shù)據(jù)信息運用項目組模擬的信息數(shù)據(jù)，仿真最終結(jié)果見表1。準許的最后結(jié)果便于1±0.05范疇里面，表里面的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上適宜IEC標準所對的條件，實現(xiàn)預(yù)測的成果。

（a）FFT算法實現(xiàn)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(jié)果及誤差

3）低壓電器的控制功能設(shè)計

低壓電器用于完成對負載的控制與系統(tǒng)的保護，在現(xiàn)實的運用里面通常會需針對其實行正?；姆峙c合閘操控。依據(jù)基本探究和現(xiàn)實運用可以發(fā)現(xiàn)，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(xù)改變的，如此便存在可能會導(dǎo)致電流和電壓方面的突波，引發(fā)有關(guān)的過流與過壓事故，對于電網(wǎng)系統(tǒng)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(tài)現(xiàn)象所引發(fā)的浪涌電流或者是電壓，保證了系統(tǒng)相應(yīng)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(shè)計的相合閘應(yīng)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(yīng)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(xiàn)設(shè)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(guān)最終持續(xù)穩(wěn)定進行吸合，關(guān)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(jié)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(shè)備通信設(shè)計

伴隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)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(shè)計已經(jīng)離不開通信技術(shù)的應(yīng)用。

1）下位機通信軟件設(shè)計

下位機通信模塊主要是為了實現(xiàn)對智能化低壓電器設(shè)備當(dāng)中的數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過此模塊里面的通信軟件能把系統(tǒng)運行時所對的參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C，進而上位機就可以依據(jù)這些數(shù)據(jù)發(fā)送相關(guān)的指令給下位機，該通信程序主要是結(jié)合MODBUS總線通信協(xié)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(xié)議解析程序流程圖

在下位機進行通信時，系統(tǒng)先要將收到的MODBUS總線相關(guān)通信信息數(shù)據(jù)進行結(jié)合，對它實行CRC校對，如果得到檢驗正確的結(jié)果就需要對數(shù)據(jù)進行解析，然后做出相應(yīng)的反應(yīng)，得到應(yīng)答信息。否則就需要將數(shù)據(jù)舍去。通信程序步驟如圖8所示。

2）上位機通信軟件設(shè)計

上位機對應(yīng)的通信模塊重點達成的便是與DSP中心控制模塊的連接，結(jié)合上位機通信軟件實現(xiàn)對電流與電壓還有功率等信息數(shù)據(jù)的搜集，將上位機通信相關(guān)軟件進行結(jié)合，系統(tǒng)用戶可以針對下位機實行操控以及運作，設(shè)計出功能較為完備、界面觀賞性強與穩(wěn)定持續(xù)性強的上位機通信應(yīng)用軟件能達成對低壓電器設(shè)備智能化的遠程控制、檢測以及調(diào)節(jié)。

圖8 通信程序流程圖

上位機應(yīng)用軟件系統(tǒng)其主要部分便是通過參數(shù)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(guān)聯(lián)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(diào)整每個功能模塊。每個功能子VI所在的節(jié)點性質(zhì)設(shè)定成調(diào)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(yīng)用軟件系統(tǒng)里面的主界面包含三個方面的功能按鈕，也就是參數(shù)調(diào)整按鈕、信號搜集按鈕與分合閘操控按鈕。

經(jīng)過調(diào)節(jié)參數(shù)程序，上位機能把相角與工作頻率還有電流維護整體數(shù)值傳輸?shù)较挛粰C所屬DSP芯片的Flash當(dāng)中，方便于下位機程序進行運作，達成了參數(shù)修改能力。每個參數(shù)的傳輸通過條件接觸組織，只要是按下發(fā)送按鈕，所設(shè)定的參數(shù)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(shù)修改程序流程圖

本文所設(shè)計的信號搜集程序運用了循環(huán)搜集形式，各個次均能對整體數(shù)據(jù)實行進行搜集，在VISA進行讀取串口模塊之前添加了相關(guān)字節(jié)屬性節(jié)點，把獲得的字節(jié)數(shù)量當(dāng)作是VISA進行讀取串口模塊在輸入時期等待的字節(jié)數(shù)。而且程序里面添加了布爾指示燈，來表示出對應(yīng)的通信狀態(tài)，通信聯(lián)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(guān)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(shù)修整程序幾乎相同，它的程序主要步驟如圖12所示。

3 結(jié)論

本文主要結(jié)合當(dāng)前低壓電器智能化發(fā)展的趨勢，研究和設(shè)計了一種基于DSP芯片的智能化低壓電器設(shè)備。通過在低壓電器設(shè)備當(dāng)中融合DSP控制技術(shù)，實現(xiàn)對低壓電器的集成控制，實現(xiàn)低壓電器的智能化的發(fā)展，從而更好的保護電網(wǎng)，促進電網(wǎng)智能化的進一步發(fā)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(yè)電器工程師，主要從事低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢驗及實驗室管理工作。