基于2.4G技術(shù)的高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置設(shè)計*

楊 志，楊 進(jìn)，桂建平，賈立敬

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局，廣東清遠(yuǎn) 511500；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510430）

1 現(xiàn)狀分析

隨著我國智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，建設(shè)堅強(qiáng)、自愈型電網(wǎng)已成為一種趨勢。由于目前配網(wǎng)環(huán)節(jié)早期投入的配電站不具備通訊裝置，無法一步到位地實現(xiàn)“三遙”（即遙信、遙測、遙控）[1]功能。大部分的高壓配電柜依然只能通過人工手動操作的方式完成分合閘動作。而且電網(wǎng)系統(tǒng)的改造和維護(hù)日益頻繁，配電柜操作次數(shù)也在不斷增多。例如，某供電局2016年公用室內(nèi)10 kV配電站267個，公用中壓室內(nèi)負(fù)荷配電柜1 429臺，2015年執(zhí)行配電柜操作600多次，2016年執(zhí)行配電柜操作800多次。操作配電柜的次數(shù)增加必然導(dǎo)致操作風(fēng)險的增大，特別是人身傷害的風(fēng)險。

為降低工作人員操作高壓配電柜的作業(yè)風(fēng)險，同時結(jié)合配網(wǎng)自動化建設(shè)利舊原則，本文利用新型的控制技術(shù)[2]——2.4G無線通信技術(shù)，針對高壓配電柜的操作進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)。實現(xiàn)操作人員與配電柜保持安全距離，避免了人員在操作配電柜時存在的人身安全風(fēng)險。

2 高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置

本文設(shè)計的裝置主要針對10 kV配電柜點觸式分合閘的操作。10 kV點觸式分合閘配電柜的柜體材料是普通鋼板，高壓開關(guān)設(shè)備都固定于配電柜內(nèi)部的支架上，與操作面板還有20 cm以上的距離。在配電柜的面板上，安裝有儀表和點觸操作按鈕。本文設(shè)計的裝置必須安全可靠地固定在配電柜面板上，能產(chǎn)生有效的機(jī)械伸縮動作，觸發(fā)配電柜的合閘、分閘控制按鈕，從而完成配電柜分合閘操作。還需要實現(xiàn)遠(yuǎn)距離穩(wěn)定的遙控操作。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

裝置的執(zhí)行部分稱為點觸裝置，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 點觸裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

點觸裝置的一端，內(nèi)置了一圈永久性磁鐵，可以將裝置可靠地吸附在配電柜操作面板上。由于操作面板與高壓開關(guān)元件還有較大的中空距離，可以保證磁鐵不會對高壓開關(guān)元件產(chǎn)生有效的影響。中心支架是一個帶有內(nèi)圓孔的結(jié)構(gòu)零件，內(nèi)孔的直徑比配電柜操作面板的按鈕外徑略大。中心支架、電機(jī)支架通過螺紋連接的方式固定在外殼上，將電動機(jī)和絲桿機(jī)構(gòu)牢牢固定在裝置中心。電動機(jī)驅(qū)動絲杠機(jī)構(gòu)，使得絲杠產(chǎn)生伸縮動作。端蓋將本裝置內(nèi)部配件完全地密封起來，并在表面提供有電源開關(guān)、信號指示燈、電量顯示、充電接口、特殊功能接口等功能單元。本裝置采用的電動機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，并在絲杠的一端安裝有接近開關(guān)，通過控制系統(tǒng)控制絲杠伸縮運(yùn)動的有效行程。采用鐵鋰電池供電。鐵鋰電池與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，具有安全性強(qiáng)、高溫性能好、長循環(huán)壽命、重量輕、體積小的優(yōu)點。

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

裝置的控制系統(tǒng)是以微控制器為控制核心，基于2.4G無線通信技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交互。其中，點觸裝置部分的微控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊電路輸出方向信號和步進(jìn)脈沖信號，形成對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動量的開環(huán)控制。為了保證對步進(jìn)電機(jī)控制的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中設(shè)計了一個零位接近開關(guān)，安裝在絲杠的末端位置，系統(tǒng)每次開機(jī)復(fù)位都將執(zhí)行一次找零位的動作。在點觸裝置還設(shè)計了一個LED三色燈，通過紅、黃、綠三色顯示裝置的工作狀態(tài)。遙控器部分，設(shè)計有準(zhǔn)備鍵、執(zhí)行鍵、取消鍵三個功能按鍵。

控制系統(tǒng)采用半雙工通信方式，遙控器向點觸裝置下發(fā)控制指令數(shù)據(jù)，也接收點觸裝置返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)。遙控器的指示燈的狀態(tài)實時地反映了點觸裝置的工作狀態(tài)，二者的LED燈的顯示是一致的。所以，操作者完全可根據(jù)遙控器LED燈的顯示狀態(tài)，判斷遠(yuǎn)處的點觸裝置的工作狀態(tài)。

圖2 高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 2.4G無線通信

高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置使用了LC12S無線串口模塊，從而實現(xiàn)2.4G無線通信功能。LC12S無線串口模塊的特點，很好地滿足了高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置的系統(tǒng)需求。該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，配有UART接口。通訊芯片采用SoC技術(shù)[4]，提供底層通訊協(xié)議，轉(zhuǎn)換及射頻收發(fā)切換自動完成，UART串口實現(xiàn)透明傳輸。模塊使用2.4 GHz ISM頻段，該頻段是國際規(guī)定的免費(fèi)頻段[3]，傳輸距離遠(yuǎn)，開闊地?zé)o干擾情況下可達(dá)120米以上。模塊對收發(fā)的數(shù)據(jù)沒有數(shù)據(jù)包大小限制，并且數(shù)據(jù)收發(fā)延時短。

MCU程序處理好一幀數(shù)據(jù)，通過UART接口傳給LC12S無線串口模塊，模塊再自動把這些數(shù)據(jù)組裝成無線傳輸?shù)母袷?。遙控器MCU作為通信的主機(jī)，點觸裝置的MCU作為從機(jī)，形成點到點的通信結(jié)構(gòu)。主從機(jī)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

幀頭2個字節(jié)設(shè)備ID 1個字節(jié)數(shù)據(jù)1個字節(jié)CRC校驗1個字節(jié)

幀頭：通過幀頭判斷一幀數(shù)據(jù)的起始，幀頭的內(nèi)容是固定的2個字節(jié)，可以大大提高讀取數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確性。

設(shè)備ID：該字節(jié)內(nèi)容與地址撥碼開關(guān)的狀態(tài)對應(yīng)。

數(shù)據(jù)：要發(fā)送的數(shù)據(jù)，該字節(jié)高4位為控制信息，低4位為裝置運(yùn)行狀態(tài)的信息。

CRC校驗[5]：檢驗數(shù)據(jù)幀的真確性。

每次按下遙控器的按鍵，主機(jī)下發(fā)控制指令數(shù)據(jù)幀，從機(jī)在接收到正確的數(shù)據(jù)幀后，會向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)幀，相應(yīng)數(shù)據(jù)的內(nèi)容包含點觸裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息。主機(jī)以中斷響應(yīng)的方式處理從機(jī)返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)。主機(jī)主程序的流程圖如圖3所示。

圖3 主機(jī)主程序流程圖

3 操作過程

高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置操作方便快捷。首先打開無線遙控裝置的電源開關(guān)，等待點觸裝置復(fù)位動作結(jié)束后，LED燈顯示為紅色。再將點觸裝置的中心孔對準(zhǔn)操作對象按鍵，吸附高壓配電柜面板上。操作人員手持遙控器遠(yuǎn)離高壓配電柜，在安全距離外操作遙控器。

圖4 點觸動作

先按下遙控器的準(zhǔn)備鍵，LED燈顯示為綠色，點觸裝置處于待命狀態(tài)，通信處于正常工作情況。再當(dāng)按下執(zhí)行鍵，裝置執(zhí)行點觸動作（如圖4所示），LED燈變?yōu)辄S色，裝置點觸動作執(zhí)行完畢，LED燈又變回紅色。如果要消除裝置的待命狀態(tài)，則按下取消鍵，LED燈直接變回紅色，這樣可以有效避免在沒有準(zhǔn)備好的情況下產(chǎn)生誤操作。當(dāng)裝置電池電壓過低，則LED燈做紅色閃爍的變化。操作結(jié)束后，關(guān)閉點動裝置和遙控器的電源開關(guān)，并將點動裝置從配電柜上取下。目前，該套裝置已在廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)清城供電局完成現(xiàn)場工況的應(yīng)用試驗，處理了某配電站的電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)電的任務(wù)，如圖5所示。工作人員在配電房外，使用遙控器遙控點觸裝置，完成了10 kV配電柜的分、合閘操作。

圖5 工作人員遠(yuǎn)距離無線遙控高壓配電柜

4 總結(jié)

本文設(shè)計的高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置，實現(xiàn)了無線方式遠(yuǎn)距離發(fā)送控制指令，實現(xiàn)了點觸式操作動作。點觸動作迅速，達(dá)到高壓配電柜安全點觸操作的技術(shù)要求。其結(jié)構(gòu)尺寸符合10 kV配電柜點觸按鍵規(guī)格及面板布局規(guī)格，能安全可靠地固定在配電柜，安裝和拆卸方便、快捷?？梢詮V泛地應(yīng)用于各級電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)電[6]的操作，以及在其他有安全隱患的場合完成點觸式開關(guān)操作。該設(shè)計具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值。