智能開關(guān)柜分布式監(jiān)控系統(tǒng)研究

高俊青 項(xiàng)俊棟 陳峰 關(guān)山

摘 要：開關(guān)柜作為組成各類電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)性設(shè)備，其智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展對(duì)于智能電網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。本文在現(xiàn)有開關(guān)柜的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前開關(guān)柜監(jiān)測(cè)水平較低的現(xiàn)狀，提出了一種智能開關(guān)柜分布式監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步給出了系統(tǒng)在單臺(tái)開關(guān)柜上的實(shí)現(xiàn)形式。該分布式監(jiān)控系統(tǒng)可提高開關(guān)柜的供電質(zhì)量，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：智能開關(guān)柜;分布式監(jiān)控;網(wǎng)絡(luò)化;智能化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.128

1 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，開關(guān)柜正朝向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)控制和保護(hù)供電的重要節(jié)點(diǎn)，保障其安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的監(jiān)測(cè)意義。

智能化開關(guān)柜作為一種數(shù)字化，集成化的設(shè)備，在其控制和保護(hù)方面應(yīng)當(dāng)具備一定程度的故障監(jiān)測(cè)、定位及隔離功能[1]。智能化開關(guān)柜還應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)，通過監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)電量和非電量參數(shù)的監(jiān)測(cè)，如交直流監(jiān)測(cè)、有功及無功功率監(jiān)測(cè)、斷路器、接地刀等觸發(fā)開關(guān)輸入量監(jiān)測(cè)等。

電力系統(tǒng)監(jiān)控方式中經(jīng)常使用集中式監(jiān)控和分布式監(jiān)控兩種控制方式。從當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)來看，分布式監(jiān)控系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），又被稱作集散控制[2，3]。該種系統(tǒng)將測(cè)量與控制分散均布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)設(shè)備的管理。分布式監(jiān)控系統(tǒng)融合信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、電力電子技術(shù)于一體，解決了常規(guī)電力儀表功能單一，操作過于分散的缺點(diǎn)。

本文針對(duì)目前配網(wǎng)建設(shè)的需要，以網(wǎng)絡(luò)電力儀表、智能配電設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合一體化、模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)智能開關(guān)柜分布式監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)一套智能開關(guān)柜分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種智能開關(guān)柜分布式監(jiān)控系統(tǒng)，目的在于提高開關(guān)柜的智能化水平和監(jiān)控水平。智能開關(guān)柜基于模塊化設(shè)計(jì)思想，具備控制裝置、測(cè)量裝置、功能保護(hù)裝置和軟件顯示裝置，分別提供控制斷路器等分合閘功能、電量與非電量監(jiān)測(cè)功能、過流與接地故障等保護(hù)功能及各種狀態(tài)量與數(shù)字量顯示功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，因光線通信具備通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)干擾小及抗電磁干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，故采用光纖通信作為系統(tǒng)主要通信手段。分布式監(jiān)控系統(tǒng)將開關(guān)柜的各種狀態(tài)信息通過光纖傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過下行目標(biāo)信道實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜的控制。

3 系統(tǒng)硬件

3.1 信息處理單元

本文設(shè)計(jì)的分布監(jiān)控系統(tǒng)采用C8051F500作為系統(tǒng)的信息處理單元。單臺(tái)智能開關(guān)柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。C8051F500接收智能開關(guān)柜的測(cè)量信息，并對(duì)控制機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作指令。控制信息包括控制接地刀、斷路器等分合閘及控制智能開關(guān)柜加熱排風(fēng)等。測(cè)量信息包括柜內(nèi)開關(guān)量輸入，如接地刀分合閘狀態(tài)、斷路器分合閘狀態(tài)、柜內(nèi)環(huán)境溫濕度、壓強(qiáng)等信息。

本系統(tǒng)所采用的處理器按照AEC-Q100測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具有寬工作電壓、寬工作溫度范圍，較強(qiáng)的抗干擾能力并內(nèi)置CAN、LIN總線控制器。

該器件主要特性參數(shù)如下：

（1）1.8～5.25V供電。

（2）-40℃～+125工作溫度。

（3）64K Flash，4352字節(jié)RAM。

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

在智能開關(guān)柜的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)自身故障信息做出智能控制或根據(jù)巡檢人員給定的控制信息發(fā)出控制指令。在控制電路中，控制信息經(jīng)信息處理單元I/O口和光耦發(fā)送至達(dá)林頓晶體管（ULN2803A），該器件工作溫度范圍-20℃～+85℃，具有8個(gè)驅(qū)動(dòng)器，集電極連續(xù)電流為500mA。控制信息最終通過繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器分合閘等操作，控制電路如圖3所示。

3.3 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

智能開關(guān)柜采集不同機(jī)構(gòu)的開關(guān)量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的狀態(tài)顯示與監(jiān)測(cè)。如圖4所示，當(dāng)接地刀開關(guān)處于合閘位時(shí)，即圖4中HZH_KG閉合，合閘信息經(jīng)過光耦，反饋至主測(cè)控單元的I/O口，信息處理單元根據(jù)返回信息的不同I/O口實(shí)現(xiàn)對(duì)不同動(dòng)作開關(guān)狀態(tài)的識(shí)別。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在智能開關(guān)柜分布式監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方面，如采用專門開發(fā)的系統(tǒng)軟件，不僅開發(fā)周期長(zhǎng)，成本投資以及后期維護(hù)工作量也比較大。為了滿足后續(xù)維護(hù)以及功能擴(kuò)展的需要，本文設(shè)計(jì)采用靈活、高效、易于實(shí)現(xiàn)的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)智能化開關(guān)柜分布式監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循以下功能：

（1）系統(tǒng)測(cè)量信息顯示功能，可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中監(jiān)視和控制數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

（2）系統(tǒng)控制操作，顯示相應(yīng)的控制按鈕以執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制操作。

（3）遠(yuǎn)端通信功能，可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息經(jīng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換上傳至監(jiān)控中心。

軟件工作時(shí)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。分布式系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)來源于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存放畫面、歷史數(shù)據(jù)等信息。監(jiān)控中心接收實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的電量與非電量參數(shù)、報(bào)警信息等。

4 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有開關(guān)柜進(jìn)行智能化改進(jìn)，并提出一種分布式監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)在單個(gè)開關(guān)柜層面上可實(shí)現(xiàn)自我診斷和控制功能，也可利用遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜的控制，實(shí)現(xiàn)了測(cè)控分散，管理集中的目的。該系統(tǒng)不僅降低了巡檢人員的工作強(qiáng)度，還提高了開關(guān)柜在電網(wǎng)運(yùn)行中的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]田朝陽，張杭，王建華.分布式控制系統(tǒng)智能化開關(guān)柜的監(jiān)控級(jí)組態(tài)軟件[J].電器與能效管理技術(shù)，1998（04）：30-32.