基于2.4G技術的高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置設計*

楊 志，楊 進，桂建平，賈立敬

（1.廣東電網有限責任公司清遠供電局，廣東清遠 511500；2.廣州鐵路職業技術學院，廣東廣州 510430）

1 現狀分析

隨著我國智能電網發展戰略的提出，建設堅強、自愈型電網已成為一種趨勢。由于目前配網環節早期投入的配電站不具備通訊裝置，無法一步到位地實現“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。而且電網系統的改造和維護日益頻繁，配電柜操作次數也在不斷增多。例如，某供電局2016年公用室內10 kV配電站267個，公用中壓室內負荷配電柜1 429臺，2015年執行配電柜操作600多次，2016年執行配電柜操作800多次。操作配電柜的次數增加必然導致操作風險的增大，特別是人身傷害的風險。

為降低工作人員操作高壓配電柜的作業風險，同時結合配網自動化建設利舊原則，本文利用新型的控制技術[2]——2.4G無線通信技術，針對高壓配電柜的操作進行設備改進。實現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險。

2 高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置

本文設計的裝置主要針對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，高壓開關設備都固定于配電柜內部的支架上，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。本文設計的裝置必須安全可靠地固定在配電柜面板上，能產生有效的機械伸縮動作，觸發配電柜的合閘、分閘控制按鈕，從而完成配電柜分合閘操作。還需要實現遠距離穩定的遙控操作。

2.1 機械結構

裝置的執行部分稱為點觸裝置，其機械結構如圖1所示。

圖1 點觸裝置機械結構圖

點觸裝置的一端，內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元件還有較大的中空距離，可以保證磁鐵不會對高壓開關元件產生有效的影響。中心支架是一個帶有內圓孔的結構零件，內孔的直徑比配電柜操作面板的按鈕外徑略大。中心支架、電機支架通過螺紋連接的方式固定在外殼上，將電動機和絲桿機構牢牢固定在裝置中心。電動機驅動絲杠機構，使得絲杠產生伸縮動作。端蓋將本裝置內部配件完全地密封起來，并在表面提供有電源開關、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為步進電機，并在絲杠的一端安裝有接近開關，通過控制系統控制絲杠伸縮運動的有效行程。采用鐵鋰電池供電。鐵鋰電池與傳統的鉛酸蓄電池相比，具有安全性強、高溫性能好、長循環壽命、重量輕、體積小的優點。

2.2 控制系統結構

高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置的控制系統結構如圖2所示。

裝置的控制系統是以微控制器為控制核心，基于2.4G無線通信技術實現遠距離數據交互。其中，點觸裝置部分的微控制器向步進電機驅動模塊電路輸出方向信號和步進脈沖信號，形成對步進電機轉動量的開環控制。為了保證對步進電機控制的穩定性，在系統中設計了一個零位接近開關，安裝在絲杠的末端位置，系統每次開機復位都將執行一次找零位的動作。在點觸裝置還設計了一個LED三色燈，通過紅、黃、綠三色顯示裝置的工作狀態。遙控器部分，設計有準備鍵、執行鍵、取消鍵三個功能按鍵。

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

圖2 高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置控制系統結構圖

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需求。該模塊采用標準TTL電平標準，配有UART接口。通訊芯片采用SoC技術[4]，提供底層通訊協議，轉換及射頻收發切換自動完成，UART串口實現透明傳輸。模塊使用2.4 GHz ISM頻段，該頻段是國際規定的免費頻段[3]，傳輸距離遠，開闊地無干擾情況下可達120米以上。模塊對收發的數據沒有數據包大小限制，并且數據收發延時短。

MCU程序處理好一幀數據，通過UART接口傳給LC12S無線串口模塊，模塊再自動把這些數據組裝成無線傳輸的格式。遙控器MCU作為通信的主機，點觸裝置的MCU作為從機，形成點到點的通信結構。主從機通信協議的數據結構如下：

幀頭2個字節設備ID 1個字節數據1個字節CRC校驗1個字節

幀頭：通過幀頭判斷一幀數據的起始，幀頭的內容是固定的2個字節，可以大大提高讀取數據幀的準確性。

設備ID：該字節內容與地址撥碼開關的狀態對應。

數據：要發送的數據，該字節高4位為控制信息，低4位為裝置運行狀態的信息。

CRC校驗[5]：檢驗數據幀的真確性。

每次按下遙控器的按鍵，主機下發控制指令數據幀，從機在接收到正確的數據幀后，會向主機發送響應數據幀，相應數據的內容包含點觸裝置的運行狀態信息。主機以中斷響應的方式處理從機返回的響應數據。主機主程序的流程圖如圖3所示。

圖3 主機主程序流程圖

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，等待點觸裝置復位動作結束后，LED燈顯示為紅色。再將點觸裝置的中心孔對準操作對象按鍵，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

先按下遙控器的準備鍵，LED燈顯示為綠色，點觸裝置處于待命狀態，通信處于正常工作情況。再當按下執行鍵，裝置執行點觸動作（如圖4所示），LED燈變為黃色，裝置點觸動作執行完畢，LED燈又變回紅色。如果要消除裝置的待命狀態，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備好的情況下產生誤操作。當裝置電池電壓過低，則LED燈做紅色閃爍的變化。操作結束后，關閉點動裝置和遙控器的電源開關，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有限責任公司清遠清城供電局完成現場工況的應用試驗，處理了某配電站的電網合環轉電的任務，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 工作人員遠距離無線遙控高壓配電柜

4 總結

本文設計的高壓配電柜點觸式分合閘無線遙控裝置，實現了無線方式遠距離發送控制指令，實現了點觸式操作動作。點觸動作迅速，達到高壓配電柜安全點觸操作的技術要求。其結構尺寸符合10 kV配電柜點觸按鍵規格及面板布局規格，能安全可靠地固定在配電柜，安裝和拆卸方便、快捷。可以廣泛地應用于各級電網合環轉電[6]的操作，以及在其他有安全隱患的場合完成點觸式開關操作。該設計具有良好的應用前景和推廣價值。