旋钮开关环网柜便携式智能开关操作系统设计研究

刘通，王茂州

（国网河南省电力公司郑州供电公司，河南 郑州 450000）

环网柜作为配电系统的闭闸合闸操作系统，在实际应用过程中，受操作管理存在误区或疏漏、操作人员不熟悉设备结构、培训不到位、线路老化、潮湿等因素影响，在高压接触操作时，存在一定的安全因素，仅仅依靠操作人员的责任心和工作态度来杜绝操作失误是不可靠、不现实的，必须采取技术手段防止误操作的发生，针对此问题，本课题针对旋钮式开关环网柜提出了智能遥控非接触式的解决办法。

1 智能遥控操作方案介绍

智能遥控操作方式依附于无线信号的传输方式，目前技术上实现无线信号的传输方式多种多样，并不是所有的无线通信方式都适合于环网柜所处环境的复杂高干扰场合使用。常见的无线信号传输方式有WiFi、ZigBee、蓝牙、红外、NFC、GPRS、基于RF的频移键控技术。

WiFi技术实际上是802.11b协议，并非代表无线网络，WiFi技术的主要特点是速率高、距离长、兼容设备多，工作频率在2.4GHz，适用于手持设备、PC、小型办公网络、智能家居、物联网等场合，目前主要应用于无线局域网WLAN，其协议复杂，功耗高，对环境要求高，因此并不适用于环境恶略的配电场合。

ZigBee技术实际上是802.15.4协议的代名词，其工作频率通常为2.4GHz，其特点是低速率、近距离、低功耗、低成本，适用于低速的无线设备场合，如油田无线系统，工业、农业、商业等无线传输场合，并不适合电力系统使用。

NFC是一种近距离无线传输技术，频段为13.56MHz，支持距离为10厘米，因此其无法满足环网柜的无线距离传输需求。

红外、蓝牙、GPRS等无线通信方式受成本、距离、技术复杂度等影响，也不适合电力系统中环网柜无线控制的需求。

基于FSK的RF射频技术，抗干扰能力强，功耗低，通信距离适中，穿透力强，可编码学习，在电力系统通信方面具有特有的优势，故选择基于FSK方式的315MHz/433MHz双频无线通信作为传输手段。考虑到现场的实际应用中，最终选择315MHz这个典型频段中心频率进行应用，其理论距离可达4000m，完全满足环网柜的现场使用需求。

2 电路系统方案设计

开关环网柜便携旋式智能开关操作系统设计，需满足便携式的需求，因此最终需要是一个独立的产品，可方便操作不同的环网柜，其工作系统需电池供电，整个功能需要满足根据遥控器的指令最终实现环网柜旋钮开关的顺时针或逆时针固定角度的旋转，从而满足开闸或合闸的效果。

具体方案设计如图1所示，信号给出是由315MHz基于FSK的RF射频信号发出，然后由系统中的接收遥控接收器进行接收及信号放大处理，为了便于遥控的通用性，在程序设计时，给定的是学习型的遥控信号程序，增加了遥控器的通用性，在不同的系统中，只要按要求对信号进行学习处理，即可进行遥控控制。

在图1中，遥控接收器接收到开关信号后，对信号进行处理，将该信号传输给PAC控制器，PAC控制器中已设定了相应的角度旋转程序，该角度由最终执行的环网柜选择的旋钮开关决定，可选择自恢复的旋钮开关，也可选择手动复位的旋钮开关，本次实际样机制作时选用的是自动复位的旋钮开关，旋转角度为45°。PAC控制器接收到相应的触发信号后，将信号转换为角度信号，角度信号传输给编码电机驱动器，编码电机驱动器将角度旋转信号转换为功率信号，该功率信号直接用于编码电机的驱动，编码电机接收到驱动信号后，执行相应的旋转角度，电机通过电磁铁工装固定在环网柜的旋钮开关上，与旋钮开关连接的地方为U字型沟槽式的联轴器，通过U字型沟槽联轴器的卡槽卡在旋钮上，从而拖动旋钮开关的顺时针或逆时针旋转，从而达到模拟人手对环网柜的启动及停止的控制，并且不用人与环网柜进行物理接触，保证了人体的安全。

图1 旋钮式开关环网柜系统方案原理框图

为了便携式操作，该装置由可充电电池包进行供电，通过开关1控制给整个系统进行供电，开关2为U字型面板工装的通电开关，当将连接电机的U字型电磁铁面板工装放置在环网柜开关面板上时，并将U字卡进旋钮中后，闭合开关2，此时，编码电机固定在该环网柜面板上，即可开始进行操作。

3 旋钮链接及固定设计

该系统的实现方式本质是通过编码电机的旋转去实现环网柜旋钮开关的旋转，去实现环网柜的启停操作，传统的联轴器无法满足该装置的需求，因此针对该系统，特意设计了U型的联轴器，其中一端为中空结构，与传统联轴器一样，可以固定在编码电机的中轴上，另一端是U字型结构，U字型的中空位置可以用于卡在旋钮开关的旋钮上，用于拖动旋钮开关的旋转。如图2所示。

图2 用于旋钮开关拖动的U字型联轴器

联轴器与编码电机只有固定在环网柜的面板上，才能执行对环网柜旋钮开关的操作，同时，为了便于操作不同的环网柜，因此需要一种便携式的固定方式，在该系统中采用电磁铁固定的方式。为了固定电磁铁及电机、联轴器，特意设计了一种面板工装结构，如图3所示，其中四个角的圆形装置为电磁铁，中间的圆环里套的为U字型联轴器，该工装面板的另一面是与面板和联轴器固定在一起的编码电机，在实际操作时，只需将该面板放置在环网的旋钮开关上，给电磁铁通上电后，就可将编码电机固定在旋钮开关上，从而实现机械的连接操作。

图3 电磁铁面板固定工装图

4 结语

基于前述的设计方案思路下开发了相关的操作装置，实现了配电工区内环网柜开关的便携式安全智能操作。设计思路具有以下特征：（1）便携性高。该旋钮式开关环网柜操作系统为独立装置，由遥控器和主机组成，主机可以由操作人员随身携带，便于操作不同的环网柜体。（2）人身安全。操作人与待操作开关设备保持一定安全距离，无物理上的接触，在设备极端条件下（开关漏电、爆炸等），保障操作人人身安全。（3）成本低。该操作系统成本低，在较小投入的前提下可大规模使用推广。（4）可追述性，在软件中进行了数据记录相关功能，在异常情况下，可进行操作数据记录，通过该数据记录可判断出事故条件下，操作人员的实际操作情况，避免不必要的纠纷出现。该系统解决了原来环网柜开关存在的安全问题，解决了原开关方式不可查询及回溯历史操作纪录等问题，提高了配电网开关设备操作效率，提升了配电网智能化运行管理水平，同时成本较低，具有较强的实用推广价值。