旋鈕開關環網柜便攜式智能開關操作系統設計研究

劉通，王茂州

（國網河南省電力公司鄭州供電公司，河南 鄭州 450000）

環網柜作為配電系統的閉閘合閘操作系統，在實際應用過程中，受操作管理存在誤區或疏漏、操作人員不熟悉設備結構、培訓不到位、線路老化、潮濕等因素影響，在高壓接觸操作時，存在一定的安全因素，僅僅依靠操作人員的責任心和工作態度來杜絕操作失誤是不可靠、不現實的，必須采取技術手段防止誤操作的發生，針對此問題，本課題針對旋鈕式開關環網柜提出了智能遙控非接觸式的解決辦法。

1 智能遙控操作方案介紹

智能遙控操作方式依附于無線信號的傳輸方式，目前技術上實現無線信號的傳輸方式多種多樣，并不是所有的無線通信方式都適合于環網柜所處環境的復雜高干擾場合使用。常見的無線信號傳輸方式有WiFi、ZigBee、藍牙、紅外、NFC、GPRS、基于RF的頻移鍵控技術。

WiFi技術實際上是802.11b協議，并非代表無線網絡，WiFi技術的主要特點是速率高、距離長、兼容設備多，工作頻率在2.4GHz，適用于手持設備、PC、小型辦公網絡、智能家居、物聯網等場合，目前主要應用于無線局域網WLAN，其協議復雜，功耗高，對環境要求高，因此并不適用于環境惡略的配電場合。

ZigBee技術實際上是802.15.4協議的代名詞，其工作頻率通常為2.4GHz，其特點是低速率、近距離、低功耗、低成本，適用于低速的無線設備場合，如油田無線系統，工業、農業、商業等無線傳輸場合，并不適合電力系統使用。

NFC是一種近距離無線傳輸技術，頻段為13.56MHz，支持距離為10厘米，因此其無法滿足環網柜的無線距離傳輸需求。

紅外、藍牙、GPRS等無線通信方式受成本、距離、技術復雜度等影響，也不適合電力系統中環網柜無線控制的需求。

基于FSK的RF射頻技術，抗干擾能力強，功耗低，通信距離適中，穿透力強，可編碼學習，在電力系統通信方面具有特有的優勢，故選擇基于FSK方式的315MHz/433MHz雙頻無線通信作為傳輸手段?？紤]到現場的實際應用中，最終選擇315MHz這個典型頻段中心頻率進行應用，其理論距離可達4000m，完全滿足環網柜的現場使用需求。

2 電路系統方案設計

開關環網柜便攜旋式智能開關操作系統設計，需滿足便攜式的需求，因此最終需要是一個獨立的產品，可方便操作不同的環網柜，其工作系統需電池供電，整個功能需要滿足根據遙控器的指令最終實現環網柜旋鈕開關的順時針或逆時針固定角度的旋轉，從而滿足開閘或合閘的效果。

具體方案設計如圖1所示，信號給出是由315MHz基于FSK的RF射頻信號發出，然后由系統中的接收遙控接收器進行接收及信號放大處理，為了便于遙控的通用性，在程序設計時，給定的是學習型的遙控信號程序，增加了遙控器的通用性，在不同的系統中，只要按要求對信號進行學習處理，即可進行遙控控制。

在圖1中，遙控接收器接收到開關信號后，對信號進行處理，將該信號傳輸給PAC控制器，PAC控制器中已設定了相應的角度旋轉程序，該角度由最終執行的環網柜選擇的旋鈕開關決定，可選擇自恢復的旋鈕開關，也可選擇手動復位的旋鈕開關，本次實際樣機制作時選用的是自動復位的旋鈕開關，旋轉角度為45°。PAC控制器接收到相應的觸發信號后，將信號轉換為角度信號，角度信號傳輸給編碼電機驅動器，編碼電機驅動器將角度旋轉信號轉換為功率信號，該功率信號直接用于編碼電機的驅動，編碼電機接收到驅動信號后，執行相應的旋轉角度，電機通過電磁鐵工裝固定在環網柜的旋鈕開關上，與旋鈕開關連接的地方為U字型溝槽式的聯軸器，通過U字型溝槽聯軸器的卡槽卡在旋鈕上，從而拖動旋鈕開關的順時針或逆時針旋轉，從而達到模擬人手對環網柜的啟動及停止的控制，并且不用人與環網柜進行物理接觸，保證了人體的安全。

圖1 旋鈕式開關環網柜系統方案原理框圖

為了便攜式操作，該裝置由可充電電池包進行供電，通過開關1控制給整個系統進行供電，開關2為U字型面板工裝的通電開關，當將連接電機的U字型電磁鐵面板工裝放置在環網柜開關面板上時，并將U字卡進旋鈕中后，閉合開關2，此時，編碼電機固定在該環網柜面板上，即可開始進行操作。

3 旋鈕鏈接及固定設計

該系統的實現方式本質是通過編碼電機的旋轉去實現環網柜旋鈕開關的旋轉，去實現環網柜的啟停操作，傳統的聯軸器無法滿足該裝置的需求，因此針對該系統，特意設計了U型的聯軸器，其中一端為中空結構，與傳統聯軸器一樣，可以固定在編碼電機的中軸上，另一端是U字型結構，U字型的中空位置可以用于卡在旋鈕開關的旋鈕上，用于拖動旋鈕開關的旋轉。如圖2所示。

圖2 用于旋鈕開關拖動的U字型聯軸器

聯軸器與編碼電機只有固定在環網柜的面板上，才能執行對環網柜旋鈕開關的操作，同時，為了便于操作不同的環網柜，因此需要一種便攜式的固定方式，在該系統中采用電磁鐵固定的方式。為了固定電磁鐵及電機、聯軸器，特意設計了一種面板工裝結構，如圖3所示，其中四個角的圓形裝置為電磁鐵，中間的圓環里套的為U字型聯軸器，該工裝面板的另一面是與面板和聯軸器固定在一起的編碼電機，在實際操作時，只需將該面板放置在環網的旋鈕開關上，給電磁鐵通上電后，就可將編碼電機固定在旋鈕開關上，從而實現機械的連接操作。

圖3 電磁鐵面板固定工裝圖

4 結語

基于前述的設計方案思路下開發了相關的操作裝置，實現了配電工區內環網柜開關的便攜式安全智能操作。設計思路具有以下特征：（1）便攜性高。該旋鈕式開關環網柜操作系統為獨立裝置，由遙控器和主機組成，主機可以由操作人員隨身攜帶，便于操作不同的環網柜體。（2）人身安全。操作人與待操作開關設備保持一定安全距離，無物理上的接觸，在設備極端條件下（開關漏電、爆炸等），保障操作人人身安全。（3）成本低。該操作系統成本低，在較小投入的前提下可大規模使用推廣。（4）可追述性，在軟件中進行了數據記錄相關功能，在異常情況下，可進行操作數據記錄，通過該數據記錄可判斷出事故條件下，操作人員的實際操作情況，避免不必要的糾紛出現。該系統解決了原來環網柜開關存在的安全問題，解決了原開關方式不可查詢及回溯歷史操作紀錄等問題，提高了配電網開關設備操作效率，提升了配電網智能化運行管理水平，同時成本較低，具有較強的實用推廣價值。