摘要：設計了一種基于物聯網技術的智能開關柜。智能開關柜IED采用DSP+ARM雙CPU的結構，通過CAN總線、RS-485總線、ZigBee技術等接收智能監測單元監測到的信息，按照IEC61850協議與站控層服務中心進行通信，實現遠程監控功能。智能控制單元對柜內開關量、溫度、濕度等進行監測，并通過液晶屏、高亮指示條和指示燈顯示開關柜狀

摘要：設計了一種基于物聯網技術的智能開關柜。智能開關柜IED采用DSP+ARM雙CPU的結構，通過CAN總線、RS-485總線、ZigBee技術等接收智能監測單元監測到的信息，按照IEC61850協議與站控層服務中心進行通信，實現遠程監控功能。智能控制單元對柜內開關量、溫度、濕度等進行監測，并通過液晶屏、高亮指示條和指示燈顯示開關柜狀態，同時負責實現開關柜電動操作控制。智能識別單元將設備信息以電子標簽的形式預埋在設備中，通過無線射頻識別（RFID）技術直接將設備信息傳遞給智能開關柜IED，由開關柜上傳到一體化信息平臺，對設備進行準確定位、跟蹤。所設計的智能開關柜已成功應用于唐山虹橋變電站，現場工作正常。
關鍵詞：物聯網；無線射頻識別；IEC61850；智能電子設備；Wi-Fi；監控；智能控制；通信
引言
高壓開關柜是輸配電系統中的重要設備，一旦損毀會帶來巨大的經濟損失［1］。本文設計了一種全新的智能高壓開關柜，一方面具有傳統開關柜的功能，另一方面具有智能化監測、自我故障診斷等功能；采用ARM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F-28335的雙CPU結構，以雙CPU為控制核心，基于IEC61850協議實現了智能開關柜智能電子設備（IED），不但可以分析開關柜的狀態并就地處理，完成相應的動作，而且可以通過光纖將開關柜中的信息傳輸到智能變電站的一體化信息管理平臺中，基于上述信息，開關柜IED可對高壓開關柜的運行狀態進行綜合診斷［2］，實現高壓開關柜的自我檢測、自我診斷和自我動作等。
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開關柜整體結構和原理智能高壓開關柜包括智能監測單元、智能識別單元、智能控制單元和智能開關柜IED4個部分，其整體結構原理圖如圖1所示。

 

1.1開關柜IED
智能開關柜IED設計采用先進的ARM+DSP雙CPU技術，用以接收智能開關柜監測單元采集到的三相電流、三相電壓、電網頻率、功率、電能、局部放電、高壓開關機械特性、高壓斷路器母線／觸頭溫度等數據，并遵循IEC61850協議送至站控層服務中心，實現遠程監控功能。智能開關柜IED外圍擴展了CAN網絡接口、RS-485網絡接口、RS-232接口、以太網接口、Wi-Fi以及SD卡接口，可以適應高壓開關柜內各種不同的監測單元，它把智能開關柜所需的通信方式整合到一起，采用有線傳輸和無線傳輸的方式實現各個監測單元與IED之間的數據通信和控制，克服了開關柜內高電壓、大電流的強電場、強電磁輻射、高頻噪聲和諧波的干擾問題。
1.2智能監測單元
1.2.1電量監測子單元
電量監測子單元主要是實現對母線的電壓、電流、有功功率、無功功率、電網頻率、功率因數和電能的實時監測。
1.2.2柜內的局部放電監測子單元
局部放電監測子單元主要是實現柜體內絕緣特性的監測。高壓柜局部放電超高頻監測系統硬件部分主要由超高頻天線傳感器、信號調理單元、無線傳輸模塊、電源模塊組成。具體的單元框圖見圖2。

 

傳感器采用阿基米德雙臂螺旋天線，能實現帶寬500～1500MHz的局部放電信號檢測，可以較好地抑制噪聲干擾，同時獲取盡量多的放電信息。
1.2.3操作機構故障監測子單元
操作機構故障監測子單元主要從2個方面著手［3］：一是開關機械性能，主要是監測分合閘速度，因為它直接影響開斷性能；二是監測彈簧操作機構的彈簧蓄能時間，然后與正常值進行對比，以判斷操作彈簧的蓄能情況。通過監測脫扣線圈的電流來辨別脫扣線圈的工作情況，以監測分閘性能。特別是監測脫扣線圈的斷線，可防止拒動等重大事故的發生。操作機構故障監測子單元［4］主要監測3個方面：
a.把同一類設備在最佳動作狀態下事先建立的參數值與運行時的值進行比較，從而判斷操作機構功能是否完好；
b.由壓力傳感器測得壓力，根據壓力值發出警報、去啟動儲能泵或鎖住操作機構；
c.對觸頭磨損量的參數I（流過觸頭的電流）及t進行監測處理，對觸頭的電磨損量進行監測和報警。
1.2.4母線、觸頭溫度監測子單元
安裝在母線、觸頭臂上的溫度監測子單元，它包含了飛思卡爾集成單片機MC9S08QG8（其抗干擾能力好，由于采用高壓取電的工作方式，系統功耗很?。?、溫度傳感器DS18B20、ZigBee無線通信模塊［5］以及系統工作電源。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，下面分別進行介紹。
1.3.1柜體智能控制子單元
該柜體智能操控子單元主要包括3個部分：柜內開關量的監測，如斷路器手車位置指示、斷路器的分合指示、隔離開關的分合、接地開關的分合、儲能狀態、高壓帶電等；開關柜電動操作控制，實現控制手車和接地開關電動執行機構完成手車電動進出和接地開關電動分合操作；開關柜內溫濕度信號［6］、開關柜前的人體感應信號、有害氣體濃度信號、開關柜的加熱器斷線信號監測。
該開關柜智能控制單元包括信號采集、信號處理、直流電機控制電路、顯示、語音以及電源等模塊，具體的單元原理框圖如圖4所示。

 

a.信號處理模塊。采用ARM+DSP的結構，使設備具有高效快速的處理能力和強大的實時監控功能。ARM采用三星公司的芯片S3C2440A，附加外圍的鍵盤、液晶、以太網通信等硬件設備，用以完成整個系統的管理和控制，包括向DSP發送指令，要求回傳數據，對數據進一步處理、存儲和顯示，以及與DSP和上位機的通信。DSP選用德州儀器（TI）公司的TMS320F28335芯片，利用DSP的高速運算和多種片上外設的特點完成開關柜狀態的數據采集，并對采集來的數據進行計算和分析，同時實時響應ARM的請求，將數據處理的結果發送給ARM。DSP與ARM的通信采用串行外設接口（SPI）通信。ARM系統接收來自DSP的相關數據，按照事先設定的程序進行本地存儲顯示，并且通過以太網打包通信上傳到上位機，同時可通過人機交互界面在本地顯示。
b.直流電機控制單元通過微控制單元（MCU）的控制手車和接地開關電動執行機構完成手車電動進出和接地開關電動分合操作。用戶既可以就地按下命令按鈕完成電動操作，也可以由監控系統發送遠程電動操作指令來完成電動操作。為提高電動操作的可靠性，本裝置能提供電機堵轉保護功能和變頻控制功能，具備了模擬手動操作的能力，可根據電動操作過程的實際情況調整扭矩和轉速，大幅降低了機構堵轉風險，并可防止故障進一步擴大。此部分采用了科學合理的控制和保護算法，可以顯著提高開關柜電動操作的可靠性。
c.顯示模塊。為了清晰地顯示開關柜的各個狀態，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的開關柜狀態，使其更加直觀、清楚；指示燈部分主要包括：斷路器手車位置指示、斷路器分合指示、接地開關指示、儲能提示、高壓帶電顯示、溫／濕度控制指示、觸頭溫度報警顯示、加熱器A工作指示燈、加熱器B工作指示燈、排風啟動指示燈、高壓帶電指示燈以及閉鎖指示燈、與上位機通信的發送指示燈以及接收指示燈［6］。
1.3.2智能化 五防 閉鎖控制子單元
所謂電力 五防 是指：防止誤分、誤合斷路器；防止帶負荷拉、合隔離開關；防止帶電掛接地線（或接地刀閘）；防止帶接地線合隔離開關；防止誤入帶電間隔。電力系統 五防 裝置中除了防止誤分、誤合斷路器之外，其他 四防 均要求強制閉鎖?？刂破鳛橹悄荛]鎖裝置的核心，首先把開關柜內所有設備在各種運行方式下的操作程序存儲在控制器的存儲器內，運行人員需要進行操作時，就按照一定的規程進行操作，控制器根據預選存儲的程序對每一項操作進行判斷。如果操作正確，就發出正確的聲音提示，指示燈部分指示相關操作；如果操作錯誤，系統則自動播放提醒語音，并且操作無效，也無法進行下一步操作，防止運行人員誤操作，保障人身和設備安全。
1.4智能識別單元
智能識別單元在智能識別斷路器、柜體等設備信息方面，采用的是無線射頻識別（RFID）技術。射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。將斷路器、隔離開關、接地開關、母線、電壓互感器、電流互感器、柜體等設備的本體信息以電子標簽的形式預埋在設備中，通過RFID直接將設備信息傳遞給智能開關柜IED，并遵照IEC61850協議由光纖上傳到一體化信息平臺，對設備進行準確定位、跟蹤，了解設備動態信息。
1.5物聯網技術
物聯網技術是一種在互聯網技術基礎上延伸和擴展的網絡技術，它是通過RFID、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡技術。將RFID、ZigBee等物聯網技術運用到智能高壓開關柜的設計中，不僅使它具有傳統開關柜的功能，而且實現智能識別、智能監測和智能控制，使智能IED遵循IEC61850協議，將數據通過光纖傳輸到一體化信息平臺。
2硬件結構和原理
硬件結構如圖5所示?？刂撇糠植捎肁RM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F28335的雙CPU結構，以雙CPU為控制核心，在外圍分別搭建CAN網絡接口、RS-485網絡接口、RS-232接口、以太網接口、RFID模塊，采用IRIG-B碼對時提供精確統一的時間基準。本智能柜充分考慮電磁干擾對設備的影響，電源部分進行設計時對各供電線路進行了分區隔離。

 

通信部分包括CAN網絡接口、RS-485網絡接口、RS-232接口、以太網接口、RFID以及ZigBee無線通信技術。智能監測單元將監測到的信息通過CAN總線或485總線傳送到智能開關柜IED，同時智能識別單元通過RFID模塊識別開關柜的設備信息，經過MCU處理，進行相應的動作，遵循IEC61850協議與服務中心進行通信，實現遠程監控功能。
系統電源采用開關電源模塊，將輸入的交流220V轉換成直流5V，然后通過線性穩壓芯片MIC29502BU轉換成3.3V，最終通過線性電壓調節芯片LM1117-ADJ將3.3V電壓轉換為1.5V和1.9V，作為CPU工作電源、通信驅動電源、液晶屏電源及信號顯示電源等。由于開關柜內高電壓條件限制，監測單元的電源必須由內部提供，采用蓄電池等固定能量的供電方式均無法保證系統的長期運行。根據斷路器觸點和母線的溫度升高時有電流流過的特征，采用電磁感應原理直接從斷路器觸點導電板或母線上獲得監測單元的低電壓電源?，F設計一個專用電流互感器，采用坡莫合金為鐵芯，可保證小電流時鐵芯正常勵磁、大電流時鐵芯飽和，從而提供了變化幅度較小的感應電壓（9~24V）。感應電壓經過限壓、整流和二次穩壓后獲得穩定的＋5V電源電壓輸出［7］。原理圖如圖6所示。

 

3軟件流程
智能開關柜的軟件程序流程圖如圖7所示，其總體流程是一個無限循環。每次循環都將不停地查詢開關柜的狀態、按鍵的狀態以及其他各個輸入，送給MCU處理，從而使得MCU實時輸出各種控制信號，最后清除看門狗（DOG）計數器，以確認系統正常運轉。

 

ARM和DSP的主從結構之間采用SPI通信方式，穩定、迅速，使兩者之間的連接高速、可靠。由于通信主要由ARM發起，所以設置ARM為主機，DSP為從機。
4運行數據
系統已成功應用于唐山虹橋變電站，運行可靠、穩定。以智能高壓開關柜中三相溫升監測點溫度為例，該監測點從2011年8月20日至2011年8月24日的所有數據如圖8所示。

 

 

由圖8可見，智能高壓開關柜各個傳感器工作正常，能有效準確地發送實時數據，監控中心的專家軟件沒有誤報警現象，準確率為100%。
5結語
智能高壓開關柜既具有傳統開關柜的功能，又具有智能化監測、自我故障診斷等功能，可以就地分析和處理開關柜的狀態，完成相應的動作，并遵照IEC61850協議由光纖將開關柜中的信息上傳到一體化信息平臺。智能高壓開關柜采用ARM+DSP雙CPU處理器，具有靈活性和可定制性，可方便實現監測設備的軟硬件升級。智能開關柜可以減少巡行人員的巡視次數，實現無人值守，且投資小、免維護、抗干擾能力強，為實現智能變電站打下了堅實的基礎，應用前景非常廣泛。
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