一種低壓配電柜工作指示燈監控裝置

吳淑樺，葉成彬，鄭雯

（華南理工大學廣州學院電氣工程學院，廣東廣州 510800）

低壓配電柜適用于三相交流額定電壓為380 V/50 Hz 的配電系統，用于接收和分配電能，并對電能進行控制、保護及檢測。作為企業、學校等用戶電力網絡的重要設備，主要用于并入和切除下級用電設施，具有控制和故障保護雙重功能。低壓配電柜作為各種用電設施都必不可少的配電設備，其穩定運行對用戶用電有著不可忽略的重要意義[1-2]。

由于配電柜數量、種類較多，存在新老替換、智能與非智能并存等情況，即使維護人員定期巡查配電柜的運行狀況，也無法達到實時監控的目的。目前，大部分低壓配電柜的保護措施和機制針對的是柜內主要元器件，因配電柜長期工作在熱量集中的密閉空間中[3]，元器件老化速度較快，長時間不更換元器件、不疏通散熱系統等，將導致低壓配電柜出現一系列影響整體安全的問題，例如出現錯誤動作、有情況無動作、不報警或誤報警，這樣的缺陷將威脅配網系統的整體安全性，甚至引起火災[4]。如何在發生故障的前提下，做到第一時間預警，從而避免故障擴大而造成災難性的后果，為該監控裝置的研究目的。

1 系統總體設計方案

低壓配電柜工作指示燈監控裝置系統主要由STC15W 系列單片機、OpenMV 攝像頭模塊、42 步進電機控制的行走和升降軌道、NRF24L01 無線通信模塊、GSM 移動通信模塊等組成，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

監控裝置運行中主控芯片按用戶設置時間間隔驅動步進電機，使行走軌道和升降軌道聯動運行，將其送至設定的配電柜工作指示燈位置，OpenMV 攝像頭模塊對相關指示燈進行拍攝并判斷該指示燈亮/滅狀態，將判斷結果送至主控芯片，主控芯片收集完一次輪巡結果后，對結果進行分析并形成相關報告或預警信息，最后以數據包的形式通過NRF24L01無線通信模塊和GSM 移動通信模塊發送至終端。

2 監控裝置硬件系統設計

2.1 監控裝置行走軌道和升降軌道設計

監控裝置行走和升降同步皮帶軌道由42 步進電機、聯軸器、同步皮帶、同步帶輪、固定座和底座組成。升降同步皮帶軌道制動端如圖2 所示。

圖2 升降同步皮帶軌道制動端

監控裝置行走軌道通過配電柜天花板下拉拉桿固定，升降軌道底座上端固定在行走軌道滑塊上，整體呈T 型，分別控制行走和升降軌道步進電機即可實現X、Y兩軸聯動，從而實現監控裝置到達識別配電柜工作指示燈工作狀態的最佳位置[5]。監控裝置行走軌道與升降軌道組合如圖3 所示。

圖3 監控裝置行走軌道與升降軌道組合

2.2 監控裝置行走軌道和升降軌道步進電機控制設計

選用兩相四線、額定電流（相）為1.7 A、基本步距角為1.8°、電阻（相）為1.8 Ω±10%、工作電壓為12～24 V 的42 步進電機作為監控裝置行走軌道和升降軌道控制電機。選用具有自動識別電機電感和電阻參數、2～256 任意細分、工業級14 位SSI 接口編碼器功能的DPS1040 電機控制模塊作為軌道42 步進電機驅動板。電機控制模塊與42 步進電機組裝效果如圖4 所示。

圖4 電機控制模塊與42步進電機組裝效果

電機控制模塊電源電壓為+12 V，ENA、PUL、DIR 引腳分別為使能信號端、脈沖信號端、方向信號端，其中使能信號有效延遲時間為50 μs，脈沖最高頻率為10 MHz，方向信號有效延遲時間為1 μs。TXD、RXD 為上位機與模塊配置端口，A+、A-、B+、B-分別為42 步進電機AB 相接線端。

使用STC15W 系列單片機的高精度PWM3（P21）端口連接電機控制模塊的脈沖信號端，普通I/O 口連接電機控制模塊的使能信號端和方向信號端。單片機、電機控制模塊以及42步進電機接線圖如圖5所示。

圖5 單片機、電機控制模塊以及42步進電機接線圖

2.3 OpenMV攝像頭模塊顏色識別功能設計

OpenMV 攝像頭模塊具有顏色識別、人臉檢測、目標追蹤、二維碼識別等功能，而選用顏色識別功能實現對配電柜工作指示燈亮/滅狀態進行識別判斷。通過使用OpenMV IDE 分別設置OpenMV 攝像頭模塊需識別的紅色、黃色和綠色3 種工作指示燈點亮狀態的閾值，以便OpenMV 攝像頭模塊能夠根據用戶設定顏色進行識別，并向監控裝置主控芯片返回識別結果[6]。OpenMV 攝像頭模塊實物如圖6 所示。

圖6 OpenMV攝像頭模塊實物

3 監控裝置軟件系統設計

低壓配電柜工作指示燈監控裝置軟件系統是一個多功能融合的綜合性系統，具備如下功能：1）根據用戶設定的時間間隔驅動行走軌道和升降軌道步進電機動作，使得監控裝置能夠到達所有需要監控的配電柜工作指示燈識別位置；2）通過OpenMV IDE軟件對OpenMV 攝像頭模塊設置所需識別指示燈顏色閾值及識別結果的反饋形式；3）能夠將單程巡檢的配電柜工作指示燈狀態結果數據按特定格式打包并分別通過NRF24L01[7-8]無線通信模塊和GSM 移動通信模塊發送至指定用戶終端；4）用戶可通過終端向監控裝置主機發送指定格式的文本命令，設置監控裝置單程巡檢時間間隔或更改接收預警信息的終端[9-11]。

3.1 監控裝置行走軌道和升降軌道控制策略

監控裝置行走軌道和升降軌道具體控制策略如下：

1）在行走軌道的兩端和單個配電柜所有工作指示燈的中心位置分別設置紅外對管傳感器模塊。當該模塊的紅外光線被行走的滑塊阻擋時，則表示滑塊已到達某個預設位置。

2）首次使用監控裝置或變動配電柜位置時，用戶需根據配電柜實際位置調整預設在行走軌道上的紅外對管傳感器模塊的位置。

3）在監控裝置識別過程中，以行走軌道的其中一端為起點，分別到達各個配電柜工作指示燈識別位置，最后以到達行走軌道另一端為終點，將此過程作為一次完整的巡檢過程。

4）巡檢過程中，監控裝置主機向從機發送行走軌道和升降軌道聯動命令，以快速到達各個配電柜工作指示燈識別位置。行走過程以行走軌道上的滑臺到達在行走軌道上設置的紅外對管傳感器模塊的位置為準。升降過程以監控裝置主機上的OpenMV攝像頭模塊的攝像頭到達對應的配電柜所有工作指示燈中心的位置為準。

3.2 監控裝置行走軌道和升降軌道步進電機軟件設計

在輸出頻率為2 kHz 的STC15W 系列單片機、占空比可調的高精度PWM 信號傳送到42 步進電機控制模塊的脈沖信號端，以及單片機普通I/O 口對其使能端和方向信號端輸出相應信號共同作用下，實現行走軌道和升降軌道的42 步進電機進行不同方向和不同速度的轉動。STC15W 系列單片機的PWM 初始化程序代碼如下：

3.3 OpenMV攝像頭模塊顏色識別思路

OpenMV 攝像頭模塊具有顏色識別、人臉檢測、目標追蹤等功能，而選用顏色識別功能實現對配電柜工作指示燈亮/滅狀態的識別判斷。顏色識別就是對攝像頭獲取到的圖像進行處理和分析，利用閾值對圖像進行二值化，識別彩色圖像，使用國際照明委員會（CIE）制定的Lab 顏色模型在OpenMV IDE 軟件上得到顏色閾值(L_min,L_max，a_min，a_max，b_min，b_max），其中L 表示亮度，a 為正數代表紅色，a 為負數代表綠色，b 為正數代表黃色，b 為負數代表藍色，然后在閾值編輯器上調整Lab 參數，使得需要識別的顏色能夠更加凸顯出來，從而確定最佳的目標顏色Lab 閾值。不同的顏色有不同的顏色閾值，OpenMV 攝像頭模塊根據用戶設定的顏色閾值對圖像進行轉換和分析，通過對圖像轉換得到的像素點與用戶設定的閾值進行分析和計算，從而判斷是否為設定顏色。

OpenMV 攝像頭顏色識別思路如下：

1）在調試現場需根據OpenMV 攝像頭模塊中的攝像頭與配電柜所有工作指示燈中心位置的距離，適當手動調整攝像頭焦距，以保證配電柜所有工作指示燈能夠同時被攝像頭捕獲。

2）根據不同的環境采用自動補光的形式，同時OpenMV 攝像頭模塊分別對紅色、黃色和綠色配電柜工作指示燈點亮狀態進行圖像采集，通過消除銳化過濾器對圖像進行銳化消除，再經過二值化算法分割圖像，最終得到相應的顏色閾值[12-14]。

3）OpenMV 攝像頭模塊以用戶設置的工作指示燈點亮狀態為紅色、黃色和綠色時的顏色閾值對每個配電柜工作指示燈狀態進行對比識別，并將識別結果以串口通信方式發送給監控裝置主控芯片。

3.4 2.4G無線通信和GSM移動通信方式

配電柜工作指示燈監控裝置在巡檢過程中將相應的配電柜號及其工作指示燈狀態數據存入數據組中，待單程巡檢完成后，則將數據以特定的兩種格式進行打包，分別通過2.4G 無線通信模塊和GSM 移動通信模塊發送至指定終端。

1）2.4G 無線通信數據包格式如下：

起始符1 0X2A（固定）

起始符2 0X2B（固定）

幀長度 幀長度=數據個數+終止符（+2）

數據1 配電柜號

數據2 紅燈狀態0X01（亮）/0X00（滅）

數據3 黃燈狀態0X01（亮）/0X00（滅）

數據4 綠燈狀態0X01（亮）/0X00（滅）

……

終止符1 0X3C（固定）

終止符2 0X3D（固定）

2）GSM 移動通信模塊以文本形式進行通信，其數據包格式如下：

XXX（某某）配電房

1#配電柜紅燈亮黃燈滅綠燈亮

……

3）更改接收GSM 移動通信模塊數據終端命令的格式如下：

ZDGG#手機號碼#

4 實驗和分析

4.1 監控裝置行走軌道和升降軌道聯動實驗與結果分析

經多次實驗表明，通過在行走軌道兩端和配電柜所有工作指示燈中心位置設置紅外對管傳感器模塊，使得行走位置比較準確，升降軌道在接收到主機獲得的OpenMV 攝像頭模塊回饋的位置數據后發出的指令下進行升/降，使得OpenMV 攝像頭模塊的攝像頭較為準確地到達目標配電柜所有工作指示燈的中心位置。監控裝置識別目標點位置示意圖如圖7 所示。

圖7 監控裝置識別目標點位置示意圖

4.2 OpenMV攝像頭模塊顏色識別實驗與結果分析

以某高校實驗室環境為例，在室內打開照明燈時，OpenMV 攝像頭模塊對配電柜紅色、黃色、綠色3 種顏色工作指示燈熄滅和點亮狀態在不同光線影響下進行顏色識別以及顏色閾值調整。在點亮照明燈的情況下，OpenMV 攝像頭模塊得到的配電柜紅色、黃色和綠色3 種顏色工作指示燈點亮狀態和熄滅狀態的顏色閾值范圍如表1 所示。

表1 點亮照明燈時配電柜3種顏色指示燈點亮狀態和熄滅狀態的顏色閾值范圍

同樣按上述測試要求，在熄滅照明燈的情況下，OpenMV 攝像頭模塊得到的配電柜紅色、黃色和綠色3 種顏色工作指示燈點亮狀態和熄滅狀態的顏色閾值范圍如表2 所示。

表2 熄滅照明燈時配電柜3種顏色指示燈點亮狀態和熄滅狀態的顏色閾值范圍

通過加入光線傳感器感知環境光線強度，從而判斷室內照明燈工作狀態，調用對應的顏色閾值對相應的配電柜工作指示燈工作狀態進行識別[15-16]。

4.3 配電柜工作指示燈監控裝置實驗與結果分析

將搭載OpenMV 攝像頭模塊的配電柜工作指示燈監控裝置安裝在配電房預設軌道上進行行走和升降，其快速到達指定位置并進行配電柜工作指示燈狀態識別，單程巡檢后立即將巡檢的配電柜工作指示燈狀態結果數據按特定格式進行打包并發送至指定終端。配電柜工作指示燈監控裝置實驗結果分析如下：

1）操作方面：配電柜工作指示燈監控裝置操作難度適中，其行走軌道、紅外傳感器模塊和升降軌道均已事先安裝調試完成，操作人員只需確保監控裝置在行走和升降范圍內無障礙物的情況下能安全運行，重點培訓操作人員應急處理、故障分析和數據處理能力即可。

2）兼容方面：OpenMV 攝像頭模塊受環境光線影響較大，為能準確識別配電柜工作指示燈狀態的變化，需通過現場調試來獲取配電房工作指示燈最佳顏色閾值，并通過OpenMV IDE 軟件向OpenMV 攝像頭模塊寫入最新顏色閾值。

3）遠程方面：配電柜工作指示燈監控裝置支持用戶通過手機短信的方式發送特定的命令，來更改監控裝置單程巡檢時間間隔以及監控結果數據將被發送的目標終端。

5 結論

隨著社會的發展，用戶對供電可靠性的需求不斷提高，配電柜工作狀態智能化監控水平逐漸需要得到提高。搭載著OpenMV 攝像頭模塊的配電柜工作指示燈監控裝置具有功能模塊相互獨立、配件可替代性強、易于操作等優點，為配電房在線監控智能化技術的發展提供了參考。