基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)

0自我診斷功能高壓開(kāi)關(guān)箱是配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，一旦損壞，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文設(shè)計(jì)了一種全新的智能高壓開(kāi)關(guān)柜,一方面具有傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜的功能,另一方面具有智能化監(jiān)測(cè)、自我故障診斷等功能;采用ARM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F28335的雙CPU結(jié)構(gòu),以雙CPU為控制核心,基于IEC61850協(xié)議實(shí)現(xiàn)了智能開(kāi)關(guān)柜智能電子設(shè)備(IED),不但可以分析開(kāi)關(guān)柜的狀態(tài)并就地處理,完成相應(yīng)的動(dòng)作,而且可以通過(guò)光纖將開(kāi)關(guān)柜中的信息傳輸?shù)街悄茏冸娬镜囊惑w化信息管理平臺(tái)中,基于上述信息,開(kāi)關(guān)柜IED可對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷,實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)柜的自我檢測(cè)、自我診斷和自我動(dòng)作等。1通用盜賊箱的結(jié)構(gòu)和原理智能高壓開(kāi)關(guān)柜包括智能監(jiān)測(cè)單元、智能識(shí)別單元、智能控制單元和智能開(kāi)關(guān)柜IED4個(gè)部分,其整體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。1.1機(jī)械特性/高壓管路遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)智能開(kāi)關(guān)柜IED設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的ARM+DSP雙CPU技術(shù),用以接收智能開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)單元采集到的三相電流、三相電壓、電網(wǎng)頻率、功率、電能、局部放電、高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性、高壓斷路器母線/觸頭溫度等數(shù)據(jù),并遵循IEC61850協(xié)議送至站控層服務(wù)中心,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。智能開(kāi)關(guān)柜IED外圍擴(kuò)展了CAN網(wǎng)絡(luò)接口、RS-485網(wǎng)絡(luò)接口、RS-232接口、以太網(wǎng)接口、Wi-Fi以及SD卡接口,可以適應(yīng)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)各種不同的監(jiān)測(cè)單元,它把智能開(kāi)關(guān)柜所需的通信方式整合到一起,采用有線傳輸和無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)單元與IED之間的數(shù)據(jù)通信和控制,克服了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)高電壓、大電流的強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)電磁輻射、高頻噪聲和諧波的干擾問(wèn)題。1.2智能設(shè)備監(jiān)控單元1.2.1生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)單元電量監(jiān)測(cè)子單元主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)母線的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)和電能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。1.2.2天線監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成局部放電監(jiān)測(cè)子單元主要是實(shí)現(xiàn)柜體內(nèi)絕緣特性的監(jiān)測(cè)。高壓柜局部放電超高頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由超高頻天線傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、無(wú)線傳輸模塊、電源模塊組成。具體的單元框圖見(jiàn)圖2。傳感器采用阿基米德雙臂螺旋天線,能實(shí)現(xiàn)帶寬500~1500MHz的局部放電信號(hào)檢測(cè),可以較好地抑制噪聲干擾,同時(shí)獲取盡量多的放電信息。1.2.3脫扣線圈檢測(cè)操作機(jī)構(gòu)故障監(jiān)測(cè)子單元主要從2個(gè)方面著手:一是開(kāi)關(guān)機(jī)械性能,主要是監(jiān)測(cè)分合閘速度,因?yàn)樗苯佑绊戦_(kāi)斷性能;二是監(jiān)測(cè)彈簧操作機(jī)構(gòu)的彈簧蓄能時(shí)間,然后與正常值進(jìn)行對(duì)比,以判斷操作彈簧的蓄能情況。通過(guò)監(jiān)測(cè)脫扣線圈的電流來(lái)辨別脫扣線圈的工作情況,以監(jiān)測(cè)分閘性能。特別是監(jiān)測(cè)脫扣線圈的斷線,可防止拒動(dòng)等重大事故的發(fā)生。操作機(jī)構(gòu)故障監(jiān)測(cè)子單元主要監(jiān)測(cè)3個(gè)方面:a.把同一類設(shè)備在最佳動(dòng)作狀態(tài)下事先建立的參數(shù)值與運(yùn)行時(shí)的值進(jìn)行比較,從而判斷操作機(jī)構(gòu)功能是否完好;b.由壓力傳感器測(cè)得壓力,根據(jù)壓力值發(fā)出警報(bào)、去啟動(dòng)儲(chǔ)能泵或鎖住操作機(jī)構(gòu);c.對(duì)觸頭磨損量的參數(shù)I(流過(guò)觸頭的電流)及t進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理,對(duì)觸頭的電磨損量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。1.2.4變槳型機(jī)控制系統(tǒng)安裝在母線、觸頭臂上的溫度監(jiān)測(cè)子單元,它包含了飛思卡爾集成單片機(jī)MC9S08QG8(其抗干擾能力好,由于采用高壓取電的工作方式,系統(tǒng)功耗很小)、溫度傳感器DS18B20、ZigBee無(wú)線通信模塊以及系統(tǒng)工作電源。具體如圖3所示。1.3智能控制單元智能控制單元可分為柜體智能控制子單元和智能化“五防”閉鎖控制子單元,下面分別進(jìn)行介紹。1.3.1arm系統(tǒng)的主要功能。據(jù)外部的監(jiān)控,其也有可能帶來(lái)能量上該柜體智能操控子單元主要包括3個(gè)部分:柜內(nèi)開(kāi)關(guān)量的監(jiān)測(cè),如斷路器手車(chē)位置指示、斷路器的分合指示、隔離開(kāi)關(guān)的分合、接地開(kāi)關(guān)的分合、儲(chǔ)能狀態(tài)、高壓帶電等;開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作控制,實(shí)現(xiàn)控制手車(chē)和接地開(kāi)關(guān)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成手車(chē)電動(dòng)進(jìn)出和接地開(kāi)關(guān)電動(dòng)分合操作;開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫濕度信號(hào)、開(kāi)關(guān)柜前的人體感應(yīng)信號(hào)、有害氣體濃度信號(hào)、開(kāi)關(guān)柜的加熱器斷線信號(hào)監(jiān)測(cè)。該開(kāi)關(guān)柜智能控制單元包括信號(hào)采集、信號(hào)處理、直流電機(jī)控制電路、顯示、語(yǔ)音以及電源等模塊,具體的單元原理框圖如圖4所示。a.信號(hào)處理模塊。采用ARM+DSP的結(jié)構(gòu),使設(shè)備具有高效快速的處理能力和強(qiáng)大的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。ARM采用三星公司的芯片S3C2440A,附加外圍的鍵盤(pán)、液晶、以太網(wǎng)通信等硬件設(shè)備,用以完成整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制,包括向DSP發(fā)送指令,要求回傳數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理、存儲(chǔ)和顯示,以及與DSP和上位機(jī)的通信。DSP選用德州儀器(TI)公司的TMS320F28335芯片,利用DSP的高速運(yùn)算和多種片上外設(shè)的特點(diǎn)完成開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集,并對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析,同時(shí)實(shí)時(shí)響應(yīng)ARM的請(qǐng)求,將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送給ARM。DSP與ARM的通信采用串行外設(shè)接口(SPI)通信。ARM系統(tǒng)接收來(lái)自DSP的相關(guān)數(shù)據(jù),按照事先設(shè)定的程序進(jìn)行本地存儲(chǔ)顯示,并且通過(guò)以太網(wǎng)打包通信上傳到上位機(jī),同時(shí)可通過(guò)人機(jī)交互界面在本地顯示。b.直流電機(jī)控制單元通過(guò)微控制單元(MCU)的控制手車(chē)和接地開(kāi)關(guān)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成手車(chē)電動(dòng)進(jìn)出和接地開(kāi)關(guān)電動(dòng)分合操作。用戶既可以就地按下命令按鈕完成電動(dòng)操作,也可以由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送遠(yuǎn)程電動(dòng)操作指令來(lái)完成電動(dòng)操作。為提高電動(dòng)操作的可靠性,本裝置能提供電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能和變頻控制功能,具備了模擬手動(dòng)操作的能力,可根據(jù)電動(dòng)操作過(guò)程的實(shí)際情況調(diào)整扭矩和轉(zhuǎn)速,大幅降低了機(jī)構(gòu)堵轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn),并可防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。此部分采用了科學(xué)合理的控制和保護(hù)算法,可以顯著提高開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作的可靠性。c.顯示模塊。為了清晰地顯示開(kāi)關(guān)柜的各個(gè)狀態(tài),顯示模塊主要包括液晶屏的顯示、高亮指示條的顯示以及指示燈的顯示。高亮顯示條主要是指示相關(guān)的開(kāi)關(guān)柜狀態(tài),使其更加直觀、清楚;指示燈部分主要包括:斷路器手車(chē)位置指示、斷路器分合指示、接地開(kāi)關(guān)指示、儲(chǔ)能提示、高壓帶電顯示、溫/濕度控制指示、觸頭溫度報(bào)警顯示、加熱器A工作指示燈、加熱器B工作指示燈、排風(fēng)啟動(dòng)指示燈、高壓帶電指示燈以及閉鎖指示燈、與上位機(jī)通信的發(fā)送指示燈以及接收指示燈。1.3.2強(qiáng)制開(kāi)關(guān)存儲(chǔ)所謂電力“五防”是指:防止誤分、誤合斷路器;防止帶負(fù)荷拉、合隔離開(kāi)關(guān);防止帶電掛接地線(或接地刀閘);防止帶接地線合隔離開(kāi)關(guān);防止誤入帶電間隔。電力系統(tǒng)“五防”裝置中除了防止誤分、誤合斷路器之外,其他“四防”均要求強(qiáng)制閉鎖?？刂破鳛橹悄荛]鎖裝置的核心,首先把開(kāi)關(guān)柜內(nèi)所有設(shè)備在各種運(yùn)行方式下的操作程序存儲(chǔ)在控制器的存儲(chǔ)器內(nèi),運(yùn)行人員需要進(jìn)行操作時(shí),就按照一定的規(guī)程進(jìn)行操作,控制器根據(jù)預(yù)選存儲(chǔ)的程序?qū)γ恳豁?xiàng)操作進(jìn)行判斷。如果操作正確,就發(fā)出正確的聲音提示,指示燈部分指示相關(guān)操作;如果操作錯(cuò)誤,系統(tǒng)則自動(dòng)播放提醒語(yǔ)音,并且操作無(wú)效,也無(wú)法進(jìn)行下一步操作,防止運(yùn)行人員誤操作,保障人身和設(shè)備安全。1.4號(hào)采用空間耦合智能識(shí)別單元在智能識(shí)別斷路器、柜體等設(shè)備信息方面,采用的是無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)。射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。將斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、母線、電壓互感器、電流互感器、柜體等設(shè)備的本體信息以電子標(biāo)簽的形式預(yù)埋在設(shè)備中,通過(guò)RFID直接將設(shè)備信息傳遞給智能開(kāi)關(guān)柜IED,并遵照IEC61850協(xié)議由光纖上傳到一體化信息平臺(tái),對(duì)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確定位、跟蹤,了解設(shè)備動(dòng)態(tài)信息。1.5信息傳感技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是通過(guò)RFID、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。將RFID、ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到智能高壓開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)中,不僅使它具有傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜的功能,而且實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、智能監(jiān)測(cè)和智能控制,使智能IED遵循IEC61850協(xié)議,將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸?shù)揭惑w化信息平臺(tái)。2通訊部分設(shè)計(jì)方案硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示?？刂撇糠植捎肁RM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F28335的雙CPU結(jié)構(gòu),以雙CPU為控制核心,在外圍分別搭建CAN網(wǎng)絡(luò)接口、RS-485網(wǎng)絡(luò)接口、RS-232接口、以太網(wǎng)接口、RFID模塊,采用IRIG-B碼對(duì)時(shí)提供精確統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。本智能柜充分考慮電磁干擾對(duì)設(shè)備的影響,電源部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各供電線路進(jìn)行了分區(qū)隔離。通信部分包括CAN網(wǎng)絡(luò)接口、RS-485網(wǎng)絡(luò)接口、RS-232接口、以太網(wǎng)接口、RFID以及ZigBee無(wú)線通信技術(shù)。智能監(jiān)測(cè)單元將監(jiān)測(cè)到的信息通過(guò)CAN總線或485總線傳送到智能開(kāi)關(guān)柜IED,同時(shí)智能識(shí)別單元通過(guò)RFID模塊識(shí)別開(kāi)關(guān)柜的設(shè)備信息,經(jīng)過(guò)MCU處理,進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作,遵循IEC61850協(xié)議與服務(wù)中心進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。系統(tǒng)電源采用開(kāi)關(guān)電源模塊,將輸入的交流220V轉(zhuǎn)換成直流5V,然后通過(guò)線性穩(wěn)壓芯片MIC29502BU轉(zhuǎn)換成3.3V,最終通過(guò)線性電壓調(diào)節(jié)芯片LM1117-ADJ將3.3V電壓轉(zhuǎn)換為1.5V和1.9V,作為CPU工作電源、通信驅(qū)動(dòng)電源、液晶屏電源及信號(hào)顯示電源等。由于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)高電壓條件限制,監(jiān)測(cè)單元的電源必須由內(nèi)部提供,采用蓄電池等固定能量的供電方式均無(wú)法保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。根據(jù)斷路器觸點(diǎn)和母線的溫度升高時(shí)有電流流過(guò)的特征,采用電磁感應(yīng)原理直接從斷路器觸點(diǎn)導(dǎo)電板或母線上獲得監(jiān)測(cè)單元的低電壓電源?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)專用電流互感器,采用坡莫合金為鐵芯,可保證小電流時(shí)鐵芯正常勵(lì)磁、大電流時(shí)鐵芯飽和,從而提供了變化幅度較小的感應(yīng)電壓(9~24V)。感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)限壓、整流和二次穩(wěn)壓后獲得穩(wěn)定的+5V電源電壓輸出。原理圖如圖6所示。3實(shí)時(shí)輸出控制信號(hào)智能開(kāi)關(guān)柜的軟件程序流程圖如圖7所示,其總體流程是一個(gè)無(wú)限循環(huán)。每次循環(huán)都將不停地查詢開(kāi)關(guān)柜的狀態(tài)、按鍵的狀態(tài)以及其他各個(gè)輸入,送給MCU處理,從而使得MCU實(shí)時(shí)輸出各種控制信號(hào),最后清除看門(mén)狗(DOG)計(jì)數(shù)器,以確認(rèn)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。ARM和DSP的主從結(jié)構(gòu)之間采用SPI通信方式,穩(wěn)定、迅速,使兩者之間的連接高速、可靠。由于通信主要由ARM發(fā)起,所以設(shè)置ARM為主機(jī),DSP為從機(jī)。4監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于唐山虹橋變電站,運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。以智能高壓開(kāi)關(guān)柜中三相溫升監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度為例,該監(jiān)測(cè)點(diǎn)從2011年8月20日至2011年8月24日的所有數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖8可見(jiàn),智能高壓開(kāi)關(guān)柜各個(gè)傳感器工作正常,能有效準(zhǔn)確地發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),監(jiān)控中心的專家軟件沒(méi)有誤報(bào)警現(xiàn)象,準(zhǔn)確率為1