产品︱开关柜智能操控装置的模块化设计与实现
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河南平高电气股份有限公司的研究人员彭跃辉、寇新民、陈富国，在2016年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，开关柜智能操控装置是开关柜中诸多分立测控装置的载体，是开关柜智能化水平的重要体现。随着开关柜智能操控装置集成功能的增多和增强，模块化设计思想在优化装置设计和灵活配置方面发挥着越来越重要的作用。
在该新型操控装置的研制过程中，充分考虑了装置的软硬件功能划分、模块接合和防护隔离，并进行了相应的模块化设计。同时基于Microsoft Visual Studio平台开发了配套的调试软件，方便了间隔类型配置、偏差修正和系统调试。
基于本文开发的新型开关柜智能操控装置已经通过了严格的电磁兼容检验和电气性能及安全检验，充分证明了该装置在复杂工况下的优异性能。
操控装置是集成开关柜二次控制、保护和检测单元的载体。除了传统的“五防”功能外，操控装置还能够集成一次回路状态指示、高压带电显示、主回路电力参数采集和触头测温等诸多分立装置的功能，因此操控装置的智能化水平在很大程度上决定了开关柜的智能化程度。
由于变电站间隔类型的不同，在工程应用中操控装置必须与实际间隔类型相匹配。此外，对于改变了主接线方式的改造站，操控装置必须能够灵活配置。因此，模块化设计思想在操控装置的研制过程中非常重要。
1 智能操控装置硬件模块化设计
智能操控装置的主要功能为：接入和采集开关柜各种状态信息，并进行就地显示和远传。按照模块化设计思想设计的硬件系统整体方案如图1所示。该硬件系统主要包括核心模块、状态及信号采集模块、显示模块、控制模块、存储模块和通信模块。
核心模块由Microchip公司的dsPIC33F系列高性能16位数字信号控制器为主控芯片及基本外围电路组成，主要进行程序处理、MODBUS RTU通信协议实现及数据临时存储等功能[1]。
状态及信号采样模块主要对一次设备状态信号、温湿度传感器信号、高压带电传感器信号及主回路电力参数等进行采集，通过光电隔离后，送入核心处理器。
显示模块通过LED指示灯、LCD液晶模块等设备对开关柜相关状态进行显示，以便于观察。
控制模块根据核心处理器的控制策略，控制对应小型继电器的动作，输出相应信号。系统参数及开关柜状态参数主要由EEPROM进行实时存储和更新，并在系统掉电后长久保存。
通信模块用于将开关柜状态信息转换为标准的RS485信号并上传到远程监控系统，或接受远程监控系统的操作指令，完成相关参数的设置。
图1 智能操控装置硬件整体方案
1.1 主接线动态模拟
一次主接线是指由母线、变压器、断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器以及电压互感器等主要电气设备按照一定顺序用导体相互连接起来构成的电气回路[2]。
由于投运后的开关柜是完全封闭的，因此柜内的主接线形式并不能直观的反映给运行人员。传统意义上的开关柜会在柜门上布置柜内一次主接线图，并用不同颜色区分不同电压等级，如交流10kV电压等级为绛红色，交流35kV电压等级为浅黄色，交流110kV为朱红色，交流220kV为紫色等。
但是，这种简单的柜内主接线图并不能动态指示开关柜内断路器位置、手车位置、接地开关位置以及弹簧储能等状态信息，因此也不能给运行人员以直观指示。
由于这些状态信息为开关量，因此可以通过对这些开关量做输入状态检测，然后通过特定形状的LED灯显示出来，即可实现一次主接线图的动态模拟。
基于这一思想，本设计采用红绿“V”字灯模拟断路器位置状态，红绿“十”字灯模拟隔离开关和接地开关位置状态，红色LED灯模拟弹簧储能状态，如图2所示，虚线部分表示开关位置可以调整。工程应用中该动态模拟图可以根据实际一次主接线形式做相应匹配。
图2 主接线动态模拟图
当手车处于工作位置，手车状态指示灯红色垂直模拟条点亮；当手车处于试验位置，手车状态指示灯绿色水平模拟条点亮；当手车未达到工作位置或实验位置，红色垂直模拟条与绿色水平模拟条同时闪烁；断路器合闸时，断路器状态指示灯红色模拟条点亮；断路器分闸时，断路器状态指示灯绿色模拟条点亮；接地闸刀闭合时，地刀状态指示灯红色垂直模拟条点亮；接地闸刀断开时，地刀状态指示灯绿色模拟条点亮；弹簧已储能，红色储能指示灯点亮，弹簧未储能，则储能指示灯熄灭。
1.2 高压带电指示
带电显示装置用于向运行人员提供高压电气设备安装处主回路电压状态的信息[3]。
本设计的高压带电指示模块原理如图3所示。高压传感器为支柱绝缘子式，内部埋设由高强介电功能性材料制成的抽压式电容芯棒。
图3 高压带电指示回路原理图
高压传感器通过电容耦合原理从高压带电回路抽取一定比例的电压供给母线电压采样电路。母线电压采样电路主要由保护器件、线性光耦隔离和采样电阻构成，最后进行模数转换。由于采用了高精度ADC转换电路，因此操控装置可以实现带电闭锁启控和断电闭锁解除的精准控制，保证了装置动作的可靠性。
1.3 主回路电力参数采集
主回路电力参数采集模块是一种利用数字采样技术对电力参数进行采集、分析和处理的模块化智能组件。电力参数采集方案如图4所示。
图4 主回路电力参数采集方案
本设计主要适用于3~35kV户内中低压开关柜，主回路电力参数采集前端选用额定输入电流为5A的精密穿心式电流互感器和额定输入电流为2mA的精密电流式电压互感器，其一次回路直接引自开关柜内电流和电压互感器二次回路。
为确保参数采集的精度和功能完善性，本设计选用了锐能微公司的适用于三相三线制和三相四线制的RN8302三相多功能防窃电计量芯片，可以实现一次回路电流、电压、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、功率因数和频率的在线测量[4]。
1.4 温湿度控制
由于开关柜运行受环境影响比较大，环境变化、机械磨损等都会使得开关柜在长期运行时产生凝露，容易造成绝缘事故，因而开关柜内的温湿度控制不能忽略[5]。传统的温湿度控制器往往采用4~20mA或0~5V模拟信号进行温湿度数据的调理与传输并作为一个独立的装置安装于开关柜中，调理电路复杂且模拟信号很容易受到恶劣工况下电磁环境的干扰，从而造成以温湿度值为判断依据进行逻辑控制电路的混乱，甚至酿成事故。
本设计采用的总线隔离式温湿度控制回路如图5所示。图5中，D1、D2为肖特基二极管，它是超低功耗、大电流和超高速的半导体器件，其反向恢复时间极短，仅为几纳秒，正向导通压降仅为0.4V。OP1、OP2和OP3为光耦器件。J1为数字式温湿度传感器接口。
图5 温湿度控制回路原理图
以SDA信号为例，当没有信号传输时，由于上拉电阻R1、R2和R5、R6的作用，彼此隔离的SDA和SDA_ISO两端均为高电平。当SDA由高电平跃变为低电平时，电流通过R3和光耦OP1的输入端使光耦内部的砷化镓发光二极管点亮，使光耦输出大约为0.4V的典型值。
光耦输出加上肖特基二极管D2的导通压降使得SDA_ISO约为0.8V低电平。同样的，当SDA_ISO由高电平跃变为低电平时，电流通过R4和光耦OP2的输入端使光耦内部的砷化镓发光二极管点亮，是光耦输出大约为0.4V的典型值。光耦输出加上肖特基二极管D1的导通压降使得SDA约为0.8V低电平。
1.5 报警及闭锁
实时、准确和可靠的报警信号输出是实现开关柜安全操作的重要保障。本设计结合最新的传感器技术，有效的实现了如图6所示的开关柜智能操控装置报警及闭锁机制。
图6 报警及闭锁机制
当人体热释电红外感应传感器感测到有人员靠近时，会自动打开照明、液晶显示器背光并进行开关柜内是否带电的语音提示。如果有误推手车或误动刀闸，将进行开关误操作语音提示。当高压母线带电超过阈值，将进行LED带电指示及闭锁输出，防止误操作。
1.6 RS485通信
RS485总线是被广泛应用的工业串行总线，其采用平衡发送与差分接收的方式实现数字信号的传输，具有极强的抑制共模干扰的能力。
本设计中，RS-485主控芯片选用ADI公司的ADM2587单电源隔离型485芯片，如图7所示。
图7 RS485通信模块原理图
该芯片内部集成了1个三通道隔离器、1个三态差分线路驱动器、1个差分输入接收机和1个DC/DC转换器。该芯片采用磁隔离技术，取代了传统的光电耦合器隔离电路，消除了光电耦合不稳定的电流传输率、非线性传输、温度和使用寿命等方面的问题，同时具有更强的瞬态共模抑制能力、更高的时序精度以及更快的数据传输速率[6]。
主接线动态模拟电路、高压带电指示电路和2路温湿度控制电路按模块化思想设计并集成于主控板，主回路电力参数采集电路、报警及闭锁电路、RS485通信电路和开关电源按模块化思想设计并集成于接口板。主控板与接口板之间采用扁平排线连接，如图8所示。
图8 模块化开关柜智能操控装置
2 智能操控装置软件模块化配置
硬件的模块化设计是操控装置实现各项功能的载体，软件的模块化配置则是操控装置实现各项功能的思想，两者相得益彰。软件的模块化配置又包含了驱动程序的模块化设计和后台软件的模块化配置。
2.1 驱动程序模块化设计
开关柜智能操控装置的软件设计按功能不同可分为开关状态检测模块、高压传感器参数采集模块、母线电压与电流采样模块、温湿度传感器数据读取模块、人体热释电红外信号检测模块和系统参数实时存取模块，驱动程序整体架构如图9所示。间隔类型配置模块用于操控装置匹配实际间隔主接线形式。
图9 驱动程序整体结构
2.2 后台软件模块化配置
在工程应用中，实际间隔的主接线形式多种多样，除了主接线动态模拟模块的硬件匹配外，如果能够通过后台软件对下位机程序进行灵活配置，也将极大简化装置出厂配置的工作量。同时，对于改变了主接线形式的改造站，也可以通过更改软件配置实现装置的重复利用。间隔类型配置原理如图10所示。
图10 间隔类型配置原理
如图11所示为开关柜智能操控装置的上位机调试软件，兼容主流的Microsoft Windows XP和Windows7操作系统。
该调试软件基于Microsoft Visual Studio平台开发，能够模拟智能操控装置的操作和指示面板，如温湿度显示和控制、通讯参数设置、系统主接线运行状态图、母线带电指示、开关状态、温湿度传感器准确度修正及运行日志等，极大的方便了系统调试工作。
同时，该调试软件还能够通过间隔类型配置功能使其与实际操控装置类型保持一致，提高了软件的通用性。
图11 智能操控装置上位机调试软件
3 结论
本文基于模块化设计思想对开关柜智能操控装置的软、硬件结构进行了系统分析与设计，并完成了功能齐全、配置灵活的新型开关柜智能操控装置的具体研制工作。与此同时，为方便装置调试，笔者基于Microsoft Visual Studio平台开发了配套的调试软件。
在本文的研究过程中，一方面，模块化设计思想明确了装置各项软、硬件功能的划分，增强了不同主接线形式操控装置配置的灵活性，提高了开发效率；另一方面，相比传统设计方法，模块化设计思想在操控装置的实际工程应用中优化了大量的重复性配置与调试工作，节省了可观的人力、物力，优势明显。
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