低压电器设备智能化发展探析

张 立



低压电器设备智能化发展探析

张 立

（浙江省高低压电器产品质量检验中心，浙江温州 325603）

低压电器主要用来保护和控制电网供电的设备，随着智能电网的建设逐渐深入，对低压电器进行智能化改造已经是电器行业的重要发展趋势。由此，本文结合实际情况，提出低压电器设备智能化设计的一种方案，即将DSP技术引入到低压电器控制中，对低压电器进行集成化、智能化的控制。

低压电器设备；智能化；DSP

我国智能电网是以特高压作为骨干网络，包括发电、用电、变电、调度、配电和用电等。配电和用电的主要控制和保护装置是低压设备。根据数据统计得知，当前95%的电力系统故障发生在配电侧，电力系统约80%的电能是通过电网低压端传输到用户并消耗。此外，有统计数据显示，57%的能源消耗于电机。因此，在配电网中，低压配电和用电的位置是非常重要的。低压电器是控制电网配电、输电的控制、分配、保护等的核心，其特点是数量较多覆盖的范围较广泛，因此是构建我国智能电网的重要部分之一。由此当前，要实施电网的智能化发展就需要实现电网的配电和用电的智能化，就需要进行低压电器的智能化改造，低压电器设备智能化对于电网智能化至关重要。

1 低压电器设备智能化概述

1.1 智能化低压电器设备及其特点

目前，国内外对于低压电器设备智能化还没有统一的定义，但是智能化低压电器已经在实践当中被研发设计人员广泛认可。智能化的低压电器主要具有四个特征：较为齐全的保护功能；及时的故障报警和故障显示；自诊断及负载监控；电参数的测量功能。随着智能楼宇设备的发展以及智能电网的建设，智能化低压电器越来越受到重视。智能化的低压电器有以下优点：

1）谐波处理。配电系统的一般分布会产生高次谐波，而电气设备的智能配电则可以消除输入信号中的谐波，从而避免因操作不当而引起的高次谐波。

2）保护齐全。智能电器具有高可靠性，具有过载、短路、缺相、接地保护，或可具有过压、欠压、三相不平衡、反相或低电流保护等。

3）通信功能。能实现中央计算机的集中监测控制，实现系统的自动化。

4）数据共享。智能电器采用数字监控元件，使配电系统和控制中心获取的信息量大幅度增加，可实现数据共享，使布线和安装简化便利。

1.2 低压电器设备智能化的必要性及前景

智能化的低压电器设备因为具有智能化、模块化、可通信、高性能、小型化等特点，成为了新一代低压电器的主要发展趋势，智能化低压电器在中高端电气设备的市场份额在不断地扩大。智能电网的发展对于低压电器企业既是机遇也是挑战。因为电网当中包含有非常多的电器设备，要实现电网的智能化发展，就需要对这些电器设备进行智能化的改造，只有抓住了技术创新才能够制造出适应智能电网需求的智能化低压电器，低压电器的智能化是低压电器行业发展的趋势。

目前电网智能化对低压电器的集成化发展以及整体解决方案的发展提出了更高的要求，促使低压电器向光伏发电、风能发电、新能源、分布式电源等应用领域扩展，这些新应用领域对传统低压电器提出了诸多新的要求，促使低压电器智能化技术的进步。

2 低压电器设备智能化的设计

低压电器的智能化设计，重点包括：低压电器的智能化控制与保护模块的保护技术、控制技术以及相关通信技术，包括以TMS320F28355型DSP芯片为核心处理器的下位机硬件和软件设计以及应用LabVIEW的上位机软件设计。

2.1 智能化低压电器设备硬件设计

低压电器设备最为重要的功能之一就是电网保护，当电网当中出现一些短路、过载以及断相的现象时，低压电器就会自动脱扣，将故障段从电网中断开，从而达到保护电网以及相关用电设备的目的。智能型的低压电器设备主要是通过智能化的控制器，通过自动采集电网中的电流、电压以及频率等信息，结合一些内部的运算程序，判断故障的预警和发生，从而启动保护程序，完成对电网的保护。

1）硬件总体结构

结合智能型低压电器自动采集设备参数信息以及电路控制的设计目标，在进行低压电器的智能化设计时，选择合适的电路结构以及合适的元器件，从而满足设备的内部运算能力、参数监控测量以及EMC等要求。

在使用DSP芯片进行信号采集运算之前，需要集合外部电路针对信号实行大幅度整流、滤波与放大处理。通过此类处理后的信息数据便会经过芯片A/D模块进行数字化的转换，置换之后再结合FFT运算方式，得到数据信号的采样频谱。由于采用FFT方法进行信号的运算需要大量的数据，所以需选取存储空间相对比较大的处理器，TMS320F28335型号DSP芯片里面的RAM以及FLASH所属存储空间大小对于其运算条件可以充分满足，如此便不再需要另外再添加一些存储器，大大简化整个系统的设计流程。依据模块化所对应的设计理念，硬件整体结构框图如图1所示。

图1 硬件整体结构框图

本文设计的基于DSP的智能化低压电器的硬件系统主要包括电源模块、信号调理模块、中心控制模块、显示模块、接口模块、复位模块等。该智能化的低压电器能够实现对电压信号的采集、预处理与执行等性能。这里面的电源模块重点是当作DSP中心操控模块以及液晶显示模块等供应相关电源，而信号调理模块重点是当作达成关于电压以及电流互感器方面的参数实行数据采样，而外部电路模块便是重点为了将低压电器所属的各种性能有所丰富。

其中系统的中心控制模块本文主要选择TMS320F28335型号的DSP数字信号处理器，该型号的DSP数字信号处理器内含有高容量的FLASH程序存储器和SRAM静态随机存储器，同时还集成了通信总线、看门狗、转换器、异步串口等性能。

为了能够把较好地进行操控对应的低压电器，本文设计出了鉴于LabVIEW虚拟操作技术的上位机操控模式，利用此上位机控制平台能够更好地保护和控制低压电器的开闭，并对低压电器的相关参数进行整定和监控，实现低压电器的智能化功能。

2）核心控制模块设计

这里选择了TMS320F28335型号DSP芯片来当作是硬件系统里面的重点处理器，这一款芯片属于TI公司进行研发出的一种含有比较高价值比的浮点类型DSP芯片。相对于传统化类型的定点DSP芯片，浮点DSP芯片的运算精度高，价格也比较合理，处理运行速度也比较快，功耗比较低，功能相关接口较为丰富，芯片里面的存储空间比较大，A/D转换位数也较高，特别是在实行快速傅里叶变换（FFT）等繁杂求解期间，处理速率以及运算精确度均有着极大提高。主要应用于自动化操控，特别是需针对大量信息数据实行即时性求解，而且针对计算速率以及精确度高较标准的检测环境。TMS320F28335型号DSP芯片将静态CMOS技术有所结合，其里面的CPU主频能够达到150MHz（6.67ns周期时间）。TMS320F28335型号所属的浮点DSP功能框图如图2所示。

2.2 智能化低压电器设备软件设计

软件系统设计主要是将事物或是问题从各种不同的角度和层次中抽象出来，软件设计包括软件的的数据设计，软件的结构设计，软件的过程设计，软件的接口程序设计这几点就是软件设计所包含要素。智能化低压电器设备相关的软件配置重点是在于为和系统对应的硬件功能进行协调，重点包含有维护功能设计、电网电参数计算设计以及低压电器的控制功能设计。

1）低压电器的保护功能设计

低压电器的智能操控器对于信号实行取样之后，通过FFT求解解析，利用所获得的电流对应有效值进行判别是否需实行三段电流维护断开子程序，且通过DSP的高性能计算特性进而达成对应的维护性能。短路短延时维护以及短路瞬时维护完成经历相比较而言较简单，重点是依据所检测到的电流对应有效值的详细大小，通过直接或者是定时器进行延时来维护动作。过载维护达成流程比较繁杂，重点还是依据总计热效应实行判别而且实行相对应操控。

因为电网里面的电流会显现出波动干扰，在针对系统所出现热量的总加数值实行计算过程中，先需要判别目前周期采纳的电流有效数值是否比较于过载电流假设数值要大。若是大于假设数值，那么把此周期里面的电流平方以及运算数值总共加起来置于整体电流平方和当中；若是不大于假设数值，那么便不实行累加。需有所注重的便是若未过载事故出现，需要把热效应累加数值进行复位处理。过载维护程序详细步骤如图4所示。

图3 三段电流保护程序流程图

图4 过载保护程序流程图

2）电网电参数计算设计

电力系统在正常进行运作期间时，大部分都是运用快速傅里叶变换（FFT），它是属于离散傅里叶变换（DFT）的高效益运算，它的运算量相对而言比较小要比DFT：本文选择了快速傅里叶变换（FFT）算法计算各种电参数。

FFT进行运算处理的详细实际程序包含有下面两个层次：

（1）对于数据信息实行奇偶相互分组的同一时刻还依据码位反置的性质把它再次进行排列。用=8的信息数据当作是参考，序列所属的二进制表达是(2，1，0)。先第一次依据0来实行分组，在分组之后0=1当作是奇数组，1=0属于偶数组。第二次与第三次以及第一次都属同样的，分别是依据1与2来实行分组。若=8，针对输入码所在的倒序排列实行三次分组便能得以完成。

（2）针对数据实行分组以及分级方式处理，随后便实行基2-FFT计算处理，进而获得FFT的运算结论。依据FFT计算的基础理论，整体计算可分成是=loge级，各个级又被分成是/2组，各个组又被当作是一个蝶形种类的单元。用=8当作例子，蝶形图案被分成三级，第一级被分成是4组，第二级被分成是2组，第三级被分为1组。本篇文章FFT进行计算所采纳的是=256，能分成8级。FFT程序详细流程如图5所示。

运用DSP里面的CCS研发条件内的仿真模式实行了相对应的仿真，数据信息运用项目组模拟的信息数据，仿真最终结果见表1。准许的最后结果便于1±0.05范畴里面，表里面的数据信息基础上适宜IEC标准所对的条件，实现预测的成果。

（a）FFT算法实现流程图

（b）码位倒置流程图2

图5 FFT程序流程图

表1 FFT仿真结果及误差

3）低压电器的控制功能设计

低压电器用于完成对负载的控制与系统的保护，在现实的运用里面通常会需针对其实行正常化的分与合闸操控。依据基本探究和现实运用可以发现，因为在分与合闸操控时被操控对象里面的电磁能量属于持续改变的，如此便存在可能会导致电流和电压方面的突波，引发有关的过流与过压事故，对于电网系统里面的各个部分包含低压电器本身所存在的可靠性工作形成损害。

低压电器选择适宜的分与合闸相角，能比较有效地压抑住因操作时的暂态现象所引发的浪涌电流或者是电压，保证了系统相应的安全运作，且可以将低压电器所属的电气使用寿命有所添加。本文设计的相合闸应用，重点达成形式便是利用把合闸相角变换成所需要的时间，而且赋值给予对应定时器，若芯片获得电压过零时期的上升沿期间，将定时器初始计时进行启动，实现设定相对的时间，也就是所需求的相角时，操控器控制着线圈接通交流电，延时部分时间直到开关最终持续稳定进行吸合，关闭交流电而且接通小的直流电来保持吸合形式，进而完成了低压电器功耗的节省。选取相合闸程序过程步骤如图6所示。选取相分闸程序达成理论以及选相合闸基本上一致，不再陈述。

2.3 智能化低压电器设备通信设计

伴随着现场总线技术的不断发展，可通信已然成为智能电器的主要特性，低压电器的智能化设计已经离不开通信技术的应用。

1）下位机通信软件设计

下位机通信模块主要是为了实现对智能化低压电器设备当中的数据交换，经过此模块里面的通信软件能把系统运行时所对的参数传输到上位机，进而上位机就可以依据这些数据发送相关的指令给下位机，该通信程序主要是结合MODBUS总线通信协议进行的，下位机通信的程序步骤图如图7所示。

图6 选相合闸程序流程图

图7 协议解析程序流程图

在下位机进行通信时，系统先要将收到的MODBUS总线相关通信信息数据进行结合，对它实行CRC校对，如果得到检验正确的结果就需要对数据进行解析，然后做出相应的反应，得到应答信息。否则就需要将数据舍去。通信程序步骤如图8所示。

2）上位机通信软件设计

上位机对应的通信模块重点达成的便是与DSP中心控制模块的连接，结合上位机通信软件实现对电流与电压还有功率等信息数据的搜集，将上位机通信相关软件进行结合，系统用户可以针对下位机实行操控以及运作，设计出功能较为完备、界面观赏性强与稳定持续性强的上位机通信应用软件能达成对低压电器设备智能化的远程控制、检测以及调节。

图8 通信程序流程图

上位机应用软件系统其主要部分便是通过参数修改程序、主程序、分/合闸控制程序、信号搜集程序进行组合，主程序把每个功能子VI进行关联到一起，而且具有较完善的人机交互框架，用户能利用这个程序便捷的调整每个功能模块。每个功能子VI所在的节点性质设定成调用期间弹出到前面板。它的程序主要步骤如图9所示。

图9 上位机主程序流程图

上位机应用软件系统里面的主界面包含三个方面的功能按钮，也就是参数调整按钮、信号搜集按钮与分合闸操控按钮。

经过调节参数程序，上位机能把相角与工作频率还有电流维护整体数值传输到下位机所属DSP芯片的Flash当中，方便于下位机程序进行运作，达成了参数修改能力。每个参数的传输通过条件接触组织，只要是按下发送按钮，所设定的参数便能马上传输给下位机。它的程序主要步骤如图10所示。

图10 参数修改程序流程图

本文所设计的信号搜集程序运用了循环搜集形式，各个次均能对整体数据实行进行搜集，在VISA进行读取串口模块之前添加了相关字节属性节点，把获得的字节数量当作是VISA进行读取串口模块在输入时期等待的字节数。而且程序里面添加了布尔指示灯，来表示出对应的通信状态，通信联通指示灯便亮起，通信失败那么指示灯便会灭。信号搜集程序主要步骤如图11所示。

这个程序的重点功能便是达成了关于下位机进行分合闸控制的即时性操作，其达成理论和上面陈述的参数修整程序几乎相同，它的程序主要步骤如图12所示。

3 结论

本文主要结合当前低压电器智能化发展的趋势，研究和设计了一种基于DSP芯片的智能化低压电器设备。通过在低压电器设备当中融合DSP控制技术，实现对低压电器的集成控制，实现低压电器的智能化的发展，从而更好的保护电网，促进电网智能化的进一步发展。

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Discussion on Intelligent Development of Low Voltage Electrical Equipment

Zhang Li

(Zhejiang High and Low Voltage Eelectrical Appliances Product Quality Inspection Center, Wenzhou, Zhejiang 325603)

Low voltage electrical power supply is mainly used for the protection and control of power grid equipment. With the gradual deepening of the construction for smart grid, it has become an important trend of the electrical appliance industry to carry out the intelligent transformation of low-voltage electrical appliances.Based on this background, this paper puts forward a scheme of low voltage intelligent electrical equipment which is combined with the actual situation. The DSP technology is introduced into the control of low voltage electrical apparatus, and the design carries out the integrated and intelligent control of low-voltage electrical apparatus.

low-voltage electrical equipment; intelligent; DSP

张 立（1977-），男，浙江温州人，本科，工业电器工程师，主要从事低压电器产品质量检验及实验室管理工作。