中低壓配電柜數字化技術探究

夏領　秦懷杰

摘 要：該文主要研究中低壓配電柜數字化技術，以一套中低壓配電柜數字化系統為例，討論了數字化在中低壓配電柜中的實現，介紹了中電壓數字化配電柜的整體實現，并從子單元的軟硬件設計、主單元的軟硬件設計、接口總線設計、狀態信息數據采集設備、功能設計等方面詳細討論了配電柜數字化的實現。配電柜是配電站中重要的基礎設備，實現配電柜的智能化是整個電網智能化中關鍵的一環，對提高整個電網的智能化自動化水平，保證電力供應的質量和穩定性有著重要的意義。

關鍵詞：中低壓 配電柜 數字化

中圖分類號：TM59 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0093-01

智能電網是國家電網建設的必然方向，需要采用新型的控制技術、信息技術和管理技術，對發電、輸電、配電再到用電的全過程進行智能化改造。配電柜是供配電系統中的基礎性設施，實現配電柜的智能化改造，采用數字化的控制模塊能夠實現和上層監控中心的雙向信息交流。

1 中低壓數字化配電柜整體方案

配電柜的數字化關鍵技術是微處理器控制系統的應用。數字化配電柜的控制系統結構主要有主單元、控制回路子單元等，子單元負責配電柜配電回路參數檢測，測量回路上的電壓、電流、母線接頭溫度、斷路器開關狀態以及柜內的環境溫度濕度情況等，并據此自動進行電能質量的計算。主單元則主要負責匯總和顯示子單元的測量數據，同時就地實現回路斷路器的控制。主單元還是人機交會的主要設備，而且能夠通過以太網接口，能夠進行數據的進一步上傳，給配網系統提供數字化、智能化的信息。為了保證子單元和總單元之間數據通信的實時性，采用CAN總線的互聯的方式實現連接，連接方式比較靈活。

配電柜選型：國外設計研發的配電柜和國內的配電系統要求和習慣存在出入，不能盲目選擇國外配電柜，很多進口配電柜往往有著很高的技術參數，但是很多情況下卻不能將其充分利用，造成了一定程度上的浪費，很多國產配電柜只要按照3C要求進行生產，其性能和質量完全能夠滿足要求。所以進行配電柜選擇時不能迷信進口，但是也不能為了價格選擇不合格的國產產品，應該盡量選擇國內知名廠商的國產柜型，和國內配電習慣和要求比較適配。

2 子單元

配電柜回路的子單元采用Cortex-3內核32位微處理器作為核心，內核時鐘頻率達到了72MPa，并配合128kB閃存和20KBSRAM，芯片具有強大的數字處理功能，通過合理的外圍電路設計和處理軟件能夠獲得配電柜較高的智能化水平?；芈房刂菩枰鋫潆娏?、電壓、開關狀態量和柜內溫度、濕度以及開關控制和CAN通信接口電路。

3 狀態信息采集

配電回路中存在高電壓和強電流，可能會造成子單元的耗損和電子元件的破壞。為了保護弱電電路同時提高A/D轉換精度，使用微型精密交流電流互感器和微型精密交流電壓互感器連接電流互感器和電壓互感器，轉換信號為4～20mA電流信號和0～5V電壓信號，經過低通濾波和采樣保持之后輸入A/D轉換器，采用數字量輸送給微處理器進行處理。

參數采集和處理電路中選擇A/D轉換芯片是影響電路性能的關鍵。所以，我們采用Maxim生產的14位8通道同步采集芯片，保證較高的轉換速率，減少接口數量，能夠在轉換結束后和轉換過程中進行信息采樣，對交流電參量的采集非常適合。

處理器采用8路模擬量高輸入口，三個接口負責交流電電流輸入，三個接口負責電壓輸入，另有兩個雙向并行數字量輸出，對應連接微處理器接口。CONVST管腳是轉換啟動信號，低電平進行模擬信號的獲取跟蹤，上升過程中進行啟動轉換。

母線接頭溫度和柜內環境參數采集采用單總線數字溫度傳感器和1-Wire總線協議，只需要一根信號線就能夠進行數據的雙向傳輸，并且有著很高的測量精度，能夠將溫度信號直接轉變為電信號，微處理器處理更加方便。溫度傳感器同樣能夠并聯使用，能夠對多個點的溫度進行同時監測，接入配電柜之前首先記錄監測點的序列號，之后采用串口程序控制線路開關，對相應母線接頭的溫度進行智能化監控。配電柜內的環境溫度/濕度情況監測使用輸出全標定數字信號的溫濕度測量傳感器進行采集，將其安裝在配電柜的內壁，設計中要考慮到，電力設備的啟停操作和交流電網的不穩定因素會產生電壓和電流的瞬態變化，可能會造成電子器件的燒損，需要接入抑制瞬態干擾的TVS設備。

開關量輸出控制采用繼電器操作電動機構實現，控制斷路器進行開合閘操作，繼電器通常內阻較小，要外接大電流驅動器件，通過微處理器接口連接驅動繼電器進行控制。

CAN總線使用CAN隔離收發器，采用了內部集成通信隔離收發器件以及CAN控制器的芯片。

4 子單元軟件設計

數字化配電柜回路控制子單元采用模塊化的控制軟件，結合硬件設計情況進行功能分析，確定子單元需要的功能單元：數據采集子模塊、數據處理子模塊、控制模塊、通信子模塊。數據采集主要有電流、電壓、開關狀態量、母線接頭溫度、柜內環境參數等。而數據助理子模塊則主要負責有功功率、無功功率、功率因素等計算，并采用FFT算法分析諧波。

主程序首先完成未處理芯片內存管理，進行I/O接口初始化，進入等待狀態，判斷各種定時中斷是否達到，主要有A/D采樣、通信定時中斷等，查詢各中斷，調用子程序。為了提高信號的實時性，將A/D采集的定時中斷設置為最高優先級，A/D采樣值送入設計環形數據采集區后，通過數據處理子程序計算電參量，并調用CAN通信子程序進行數據通信。

5 主單元設計

5.1 功能設計

回路控制主單元應該負責回路子單元數據采集和匯總工作，具備足夠的網絡通信接口，而且要具備可視化、可操作性強的人機交互界面。

5.2 硬件部分

為了實現人際交互，采用觸控屏計算機安裝在柜門表面，用于對開合閘操作的實時觀測，并且負責將配電柜運行參數上傳到上一層監控設備。

5.3 軟件部分

軟件給予CAN總線通信協議開發，采用空間程序進行USBCAN接口卡函數動態數據庫，實現主單元和通信接口之間的數據交換。

主單元通過分析匯總子單元傳輸的數據，能夠實現對配電柜現場運行狀態的有效監測，包括母線接頭溫度、柜內環境情況、開關狀態等，據此能夠判斷操動機構機械性能是否良好，對有功功率、功率因數、頻率、諧波等信息進行準確計算和直觀的顯示，是故障預測分析的重要參考數據，能夠比較直觀全面的反映供電系統的運行情況。

6 結語

配電柜屬于成套配電裝置，是實現線路控制和保護的重要設備，直接面對用電客戶，是供配電系統非常重要的基礎設備，非智能化的配電柜需要采用定期維護的方式保證配電設備的正常運行，而數字化的配電柜則能夠對自身的運行狀態有一個完整的實時監控，及時發現配電柜中存在的問題，減少了配電柜的故障率，是保證整個電網安全性穩定性的基礎。

參考文獻

[1] 李宏剛.低壓配電智能化監控系統的研究[J].電力電氣化，2012（11）：84-85.

[2] 潘小波，昊彩抹.MAXl320及其在電能質量監測儀數據采集中的應用[J].國外電子測量技術，2013，26（9）：64.

[3] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[J].北京：北京航空航天大學出版社，2012：283-387.endprint