中低压配电柜数字化技术探究

摘 要：该文主要研究中低压配电柜数字化技术，以一套中低压配电柜数字化系统为例，讨论了数字化在中低压配电柜中的实现，介绍了中电压数字化配电柜的整体实现，并从子单元的软硬件设计、主单元的软硬件设计、接口总线设计、状态信息数据采集设备、功能设计等方面详细讨论了配电柜数字化的实现。配电柜是配电站中重要的基础设备，实现配电柜的智能化是整个电网智能化中关键的一环，对提高整个电网的智能化自动化水平，保证电力供应的质量和稳定性有着重要的意义。

关键词：中低压 配电柜 数字化

中图分类号：TM59 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（a）-0093-01

智能电网是国家电网建设的必然方向，需要采用新型的控制技术、信息技术和管理技术，对发电、输电、配电再到用电的全过程进行智能化改造。配电柜是供配电系统中的基础性设施，实现配电柜的智能化改造，采用数字化的控制模块能够实现和上层监控中心的双向信息交流。

1 中低压数字化配电柜整体方案

配电柜的数字化关键技术是微处理器控制系统的应用。数字化配电柜的控制系统结构主要有主单元、控制回路子单元等，子单元负责配电柜配电回路参数检测，测量回路上的电压、电流、母线接头温度、断路器开关状态以及柜内的环境温度湿度情况等，并据此自动进行电能质量的计算。主单元则主要负责汇总和显示子单元的测量数据，同时就地实现回路断路器的控制。主单元还是人机交会的主要设备，而且能够通过以太网接口，能够进行数据的进一步上传，给配网系统提供数字化、智能化的信息。为了保证子单元和总单元之间数据通信的实时性，采用CAN总线的互联的方式实现连接，连接方式比较灵活。

配电柜选型：国外设计研发的配电柜和国内的配电系统要求和习惯存在出入，不能盲目选择国外配电柜，很多进口配电柜往往有着很高的技术参数，但是很多情况下却不能将其充分利用，造成了一定程度上的浪费，很多国产配电柜只要按照3C要求进行生产，其性能和质量完全能够满足要求。所以进行配电柜选择时不能迷信进口，但是也不能为了价格选择不合格的国产产品，应该尽量选择国内知名厂商的国产柜型，和国内配电习惯和要求比较适配。

2 子单元

配电柜回路的子单元采用Cortex-3内核32位微处理器作为核心，内核时钟频率达到了72MPa，并配合128kB闪存和20KBSRAM，芯片具有强大的数字处理功能，通过合理的电路设计和处理软件能够获得配电柜较高的智能化水平。回路控制需要配备电流、电压、开关状态量和柜内温度、湿度以及开关控制和CAN通信接口电路。

3 状态信息采集

配电回路中存在高电压和强电流，可能会造成子单元的耗损和电子元件的破坏。为了保护弱电电路同时提高A/D转换精度，使用微型精密交流电流互感器和微型精密交流电压互感器连接电流互感器和电压互感器，转换信号为4～20mA电流信号和0～5V电压信号，经过低通滤波和采样保持之后输入A/D转换器，采用数字量输送给微处理器进行处理。

参数采集和处理电路中选择A/D转换芯片是影响电路性能的关键。所以，我们采用Maxim生产的14位8通道同步采集芯片，保证较高的转换速率，减少接口数量，能够在转换结束后和转换过程中进行信息采样，对交流电参量的采集非常适合。

处理器采用8路模拟量高输入口，三个接口负责交流电电流输入，三个接口负责电压输入，另有两个双向并行数字量输出，对应连接微处理器接口。CONVST管脚是转换启动信号，低电平进行模拟信号的获取跟踪，上升过程中进行启动转换。

母线接头温度和柜内环境参数采集采用单总线数字温度传感器和1-Wire总线协议，只需要一根信号线就能够进行数据的双向传输，并且有着很高的测量精度，能够将温度信号直接转变为电信号，微处理器处理更加方便。温度传感器同样能够并联使用，能够对多个点的温度进行同时监测，接入配电柜之前首先记录监测点的序列号，之后采用串口程序控制线路开关，对相应母线接头的温度进行智能化监控。配电柜内的环境温度/湿度情况监测使用输出全标定数字信号的温湿度测量传感器进行采集，将其安装在配电柜的内壁，设计中要考虑到，电力设备的启停操作和交流电网的不稳定因素会产生电压和电流的瞬态变化，可能会造成电子器件的烧损，需要接入抑制瞬态干扰的TVS设备。

开关量输出控制采用继电器操作电动机构实现，控制断路器进行开合闸操作，继电器通常内阻较小，要外接大电流驱动器件，通过微处理器接口连接驱动继电器进行控制。

CAN总线使用CAN隔离收发器，采用了内部集成通信隔离收发器件以及CAN控制器的芯片。

4 子单元软件设计

数字化配电柜回路控制子单元采用模块化的控制软件，结合硬件设计情况进行功能分析，确定子单元需要的功能单元：数据采集子模块、数据处理子模块、控制模块、通信子模块。数据采集主要有电流、电压、开关状态量、母线接头温度、柜内环境参数等。而数据助理子模块则主要负责有功功率、无功功率、功率因素等计算，并采用FFT算法分析谐波。

主程序首先完成未处理芯片内存管理，进行I/O接口初始化，进入等待状态，判断各种定时中断是否达到，主要有A/D采样、通信定时中断等，查询各中断，调用子程序。为了提高信号的实时性，将A/D采集的定时中断设置为最高优先级，A/D采样值送入设计环形数据采集区后，通过数据处理子程序计算电参量，并调用CAN通信子程序进行数据通信。

5 主单元设计

5.1 功能设计

回路控制主单元应该负责回路子单元数据采集和汇总工作，具备足够的网络通信接口，而且要具备可视化、可操作性强的人机交互界面。

5.2 硬件部分

为了实现人际交互，采用触控屏计算机安装在柜门表面，用于对开合闸操作的实时观测，并且负责将配电柜运行参数上传到上一层监控设备。

5.3 软件部分

软件给予CAN总线通信协议开发，采用空间程序进行USBCAN接口卡函数动态数据库，实现主单元和通信接口之间的数据交换。

主单元通过分析汇总子单元传输的数据，能够实现对配电柜现场运行状态的有效监测，包括母线接头温度、柜内环境情况、开关状态等，据此能够判断操动机构机械性能是否良好，对有功功率、功率因数、频率、谐波等信息进行准确计算和直观的显示，是故障预测分析的重要参考数据，能够比较直观全面的反映供电系统的运行情况。

6 结语

配电柜属于成套配电装置，是实现线路控制和保护的重要设备，直接面对用电客户，是供配电系统非常重要的基础设备，非智能化的配电柜需要采用定期维护的方式保证配电设备的正常运行，而数字化的配电柜则能够对自身的运行状态有一个完整的实时监控，及时发现配电柜中存在的问题，减少了配电柜的故障率，是保证整个电网安全性稳定性的基础。

参考文献

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