基于物联网的智能高压开关柜设计

黄新波，方寿贤，王霄宽，王红亮，李小博，李文静

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

0 引言

高压开关柜是输配电系统中的重要设备，一旦损毁会带来巨大的经济损失［1］。本文设计了一种全新的智能高压开关柜，一方面具有传统开关柜的功能，另一方面具有智能化监测、自我故障诊断等功能；采用ARM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F-28335的双CPU结构，以双CPU为控制核心，基于IEC61850协议实现了智能开关柜智能电子设备（IED），不但可以分析开关柜的状态并就地处理，完成相应的动作，而且可以通过光纤将开关柜中的信息传输到智能变电站的一体化信息管理平台中，基于上述信息，开关柜IED可对高压开关柜的运行状态进行综合诊断［2］，实现高压开关柜的自我检测、自我诊断和自我动作等。

1 开关柜整体结构和原理

智能高压开关柜包括智能监测单元、智能识别单元、智能控制单元和智能开关柜IED 4个部分，其整体结构原理图如图1所示。

图1 系统整体结构Fig.1 Overall structure of system

1.1 开关柜IED

智能开关柜IED设计采用先进的ARM+DSP双CPU技术，用以接收智能开关柜监测单元采集到的三相电流、三相电压、电网频率、功率、电能、局部放电、高压开关机械特性、高压断路器母线/触头温度等数据，并遵循IEC61850协议送至站控层服务中心，实现远程监控功能。智能开关柜IED外围扩展了CAN网络接口、RS-485网络接口、RS-232接口、以太网接口、Wi-Fi以及SD卡接口，可以适应高压开关柜内各种不同的监测单元，它把智能开关柜所需的通信方式整合到一起，采用有线传输和无线传输的方式实现各个监测单元与IED之间的数据通信和控制，克服了开关柜内高电压、大电流的强电场、强电磁辐射、高频噪声和谐波的干扰问题。

1.2 智能监测单元

1.2.1 电量监测子单元

电量监测子单元主要是实现对母线的电压、电流、有功功率、无功功率、电网频率、功率因数和电能的实时监测。

1.2.2 柜内的局部放电监测子单元

局部放电监测子单元主要是实现柜体内绝缘特性的监测。高压柜局部放电超高频监测系统硬件部分主要由超高频天线传感器、信号调理单元、无线传输模块、电源模块组成。具体的单元框图见图2。

图2 局部放电监测子单元Fig.2 Partial discharge monitoring subunit

传感器采用阿基米德双臂螺旋天线，能实现带宽500～1500 MHz的局部放电信号检测，可以较好地抑制噪声干扰，同时获取尽量多的放电信息。

1.2.3 操作机构故障监测子单元

操作机构故障监测子单元主要从2个方面着手［3］：一是开关机械性能，主要是监测分合闸速度，因为它直接影响开断性能；二是监测弹簧操作机构的弹簧蓄能时间，然后与正常值进行对比，以判断操作弹簧的蓄能情况。通过监测脱扣线圈的电流来辨别脱扣线圈的工作情况，以监测分闸性能。特别是监测脱扣线圈的断线，可防止拒动等重大事故的发生。操作机构故障监测子单元［4］主要监测3个方面：

a.把同一类设备在最佳动作状态下事先建立的参数值与运行时的值进行比较，从而判断操作机构功能是否完好；

b.由压力传感器测得压力，根据压力值发出警报、去启动储能泵或锁住操作机构；

c.对触头磨损量的参数I（流过触头的电流）及t进行监测处理，对触头的电磨损量进行监测和报警。

1.2.4 母线、触头温度监测子单元

安装在母线、触头臂上的温度监测子单元，它包含了飞思卡尔集成单片机MC9S08QG8（其抗干扰能力好，由于采用高压取电的工作方式，系统功耗很小）、温度传感器 DS18B20、ZigBee 无线通信模块［5］以及系统工作电源。具体如图3所示。

图3 温度监测子单元Fig.3 Temperature monitoring subunit

1.3 智能控制单元

智能控制单元可分为柜体智能控制子单元和智能化“五防”闭锁控制子单元，下面分别进行介绍。

1.3.1 柜体智能控制子单元

该柜体智能操控子单元主要包括3个部分：柜内开关量的监测，如断路器手车位置指示、断路器的分合指示、隔离开关的分合、接地开关的分合、储能状态、高压带电等；开关柜电动操作控制，实现控制手车和接地开关电动执行机构完成手车电动进出和接地开关电动分合操作；开关柜内温湿度信号［6］、开关柜前的人体感应信号、有害气体浓度信号、开关柜的加热器断线信号监测。

该开关柜智能控制单元包括信号采集、信号处理、直流电机控制电路、显示、语音以及电源等模块，具体的单元原理框图如图4所示。

图4 智能控制单元原理图Fig.4 Schematic diagram of intelligent control unit

a.信号处理模块。采用ARM+DSP的结构，使设备具有高效快速的处理能力和强大的实时监控功能。ARM采用三星公司的芯片S3C2440A，附加外围的键盘、液晶、以太网通信等硬件设备，用以完成整个系统的管理和控制，包括向DSP发送指令，要求回传数据，对数据进一步处理、存储和显示，以及与DSP和上位机的通信。DSP选用德州仪器（TI）公司的TMS320F28335芯片，利用DSP的高速运算和多种片上外设的特点完成开关柜状态的数据采集，并对采集来的数据进行计算和分析，同时实时响应ARM的请求，将数据处理的结果发送给ARM。DSP与ARM的通信采用串行外设接口（SPI）通信。ARM系统接收来自DSP的相关数据，按照事先设定的程序进行本地存储显示，并且通过以太网打包通信上传到上位机，同时可通过人机交互界面在本地显示。

b.直流电机控制单元通过微控制单元（MCU）的控制手车和接地开关电动执行机构完成手车电动进出和接地开关电动分合操作。用户既可以就地按下命令按钮完成电动操作，也可以由监控系统发送远程电动操作指令来完成电动操作。为提高电动操作的可靠性，本装置能提供电机堵转保护功能和变频控制功能，具备了模拟手动操作的能力，可根据电动操作过程的实际情况调整扭矩和转速，大幅降低了机构堵转风险，并可防止故障进一步扩大。此部分采用了科学合理的控制和保护算法，可以显著提高开关柜电动操作的可靠性。

c.显示模块。为了清晰地显示开关柜的各个状态，显示模块主要包括液晶屏的显示、高亮指示条的显示以及指示灯的显示。高亮显示条主要是指示相关的开关柜状态，使其更加直观、清楚；指示灯部分主要包括：断路器手车位置指示、断路器分合指示、接地开关指示、储能提示、高压带电显示、温/湿度控制指示、触头温度报警显示、加热器A工作指示灯、加热器B工作指示灯、排风启动指示灯、高压带电指示灯以及闭锁指示灯、与上位机通信的发送指示灯以及接收指示灯［6］。

1.3.2 智能化“五防”闭锁控制子单元

所谓电力“五防”是指：防止误分、误合断路器；防止带负荷拉、合隔离开关；防止带电挂接地线（或接地刀闸）；防止带接地线合隔离开关；防止误入带电间隔。电力系统“五防”装置中除了防止误分、误合断路器之外，其他“四防”均要求强制闭锁。控制器为智能闭锁装置的核心，首先把开关柜内所有设备在各种运行方式下的操作程序存储在控制器的存储器内，运行人员需要进行操作时，就按照一定的规程进行操作，控制器根据预选存储的程序对每一项操作进行判断。如果操作正确，就发出正确的声音提示，指示灯部分指示相关操作；如果操作错误，系统则自动播放提醒语音，并且操作无效，也无法进行下一步操作，防止运行人员误操作，保障人身和设备安全。

1.4 智能识别单元

智能识别单元在智能识别断路器、柜体等设备信息方面，采用的是无线射频识别（RFID）技术。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。将断路器、隔离开关、接地开关、母线、电压互感器、电流互感器、柜体等设备的本体信息以电子标签的形式预埋在设备中，通过RFID直接将设备信息传递给智能开关柜IED，并遵照IEC61850协议由光纤上传到一体化信息平台，对设备进行准确定位、跟踪，了解设备动态信息。

1.5 物联网技术

物联网技术是一种在互联网技术基础上延伸和扩展的网络技术，它是通过RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。将RFID、ZigBee等物联网技术运用到智能高压开关柜的设计中，不仅使它具有传统开关柜的功能，而且实现智能识别、智能监测和智能控制，使智能IED遵循IEC61850协议，将数据通过光纤传输到一体化信息平台。

2 硬件结构和原理

硬件结构如图5所示。

图5 硬件结构Fig.5 Hardware structure

控制部分采用ARM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F28335的双CPU结构，以双CPU为控制核心，在外围分别搭建CAN网络接口、RS-485网络接口、RS-232接口、以太网接口、RFID模块，采用IRIG-B码对时提供精确统一的时间基准。本智能柜充分考虑电磁干扰对设备的影响，电源部分进行设计时对各供电线路进行了分区隔离。

通信部分包括CAN网络接口、RS-485网络接口、RS-232接口、以太网接口、RFID以及ZigBee无线通信技术。智能监测单元将监测到的信息通过CAN总线或485总线传送到智能开关柜IED，同时智能识别单元通过RFID模块识别开关柜的设备信息，经过MCU处理，进行相应的动作，遵循IEC61850协议与服务中心进行通信，实现远程监控功能。

系统电源采用开关电源模块，将输入的交流220V转换成直流5V，然后通过线性稳压芯片MIC29502BU转换成3.3 V，最终通过线性电压调节芯片LM1117-ADJ将3.3 V电压转换为1.5 V和1.9 V，作为CPU工作电源、通信驱动电源、液晶屏电源及信号显示电源等。由于开关柜内高电压条件限制，监测单元的电源必须由内部提供，采用蓄电池等固定能量的供电方式均无法保证系统的长期运行。根据断路器触点和母线的温度升高时有电流流过的特征，采用电磁感应原理直接从断路器触点导电板或母线上获得监测单元的低电压电源。现设计一个专用电流互感器，采用坡莫合金为铁芯，可保证小电流时铁芯正常励磁、大电流时铁芯饱和，从而提供了变化幅度较小的感应电压（9～24 V）。感应电压经过限压、整流和二次稳压后获得稳定的+5 V电源电压输出［7］。原理图如图6所示。

图6 高压自具电源原理图Fig.6 Schematic diagram of high voltage source

3 软件流程

智能开关柜的软件程序流程图如图7所示，其总体流程是一个无限循环。每次循环都将不停地查询开关柜的状态、按键的状态以及其他各个输入，送给MCU处理，从而使得MCU实时输出各种控制信号，最后清除看门狗（DOG）计数器，以确认系统正常运转。

图7 软件流程Fig.7 Flowchart of software

ARM和DSP的主从结构之间采用SPI通信方式，稳定、迅速，使两者之间的连接高速、可靠。由于通信主要由ARM发起，所以设置ARM为主机，DSP为从机。

4 运行数据

系统已成功应用于唐山虹桥变电站，运行可靠、稳定。以智能高压开关柜中三相温升监测点温度为例，该监测点从2011年8月20日至2011年8月24日的所有数据如图8所示。

由图8可见，智能高压开关柜各个传感器工作正常，能有效准确地发送实时数据，监控中心的专家软件没有误报警现象，准确率为100%。

图8 高压开关柜中温度监测点的数据图Fig.8 Temperature data of monitored points in high voltage switchgear

5 结语

智能高压开关柜既具有传统开关柜的功能，又具有智能化监测、自我故障诊断等功能，可以就地分析和处理开关柜的状态，完成相应的动作，并遵照IEC61850协议由光纤将开关柜中的信息上传到一体化信息平台。智能高压开关柜采用ARM+DSP双CPU处理器，具有灵活性和可定制性，可方便实现监测设备的软硬件升级。智能开关柜可以减少巡行人员的巡视次数，实现无人值守，且投资小、免维护、抗干扰能力强，为实现智能变电站打下了坚实的基础，应用前景非常广泛。