支艷華，王金全，唐友懷，劉 淵

（解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引言

建設(shè)智能電網(wǎng)是我國電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向，是以電力系統(tǒng)為對象，結(jié)合新型的控制技術(shù)、信息技術(shù)和管理技術(shù)，實現(xiàn)從發(fā)電、輸電、變電、配電到用電所有環(huán)節(jié)信息、能量的雙向交流以及配電網(wǎng)與用戶之間的互動。智能配電網(wǎng)的建設(shè)包括智能表計、智能網(wǎng)絡(luò)、智能運行3個部分[1-3]。只有實現(xiàn)電網(wǎng)的信息化才可能實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化，而智能表計作為智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)，用以測量、收集、存儲、分析及雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，具有重要作用[4-6]。

目前，電網(wǎng)公司已建成的光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋了大部分35 kV變電站[7]，但從變電站到用戶小區(qū)仍缺乏有效通信手段，低壓配電網(wǎng)的智能化建設(shè)屬于薄弱環(huán)節(jié)，因而迫切需要開發(fā)高可靠性、低成本的數(shù)字化低壓配電設(shè)備，推動智能電網(wǎng)的發(fā)展[8-9]。配電柜作為供配電系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)電氣設(shè)備，其數(shù)字化研究能實現(xiàn)更多數(shù)據(jù)的測量及存儲，研發(fā)的智能控制模塊更可以通過雙向通信與上層監(jiān)控中心進行信息交流。

1 總體研究方案

圖1 數(shù)字化配電柜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Control system structure of digital distribution cabinet

實現(xiàn)配電柜數(shù)字化的核心技術(shù)是基于微處理器的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)字化配電柜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由主單元和回路控制子單元組合構(gòu)成。每個子單元承擔(dān)配電柜內(nèi)一個配電回路的參數(shù)檢測，包括該回路的電壓／電流、母線接頭溫度、斷路器開關(guān)狀態(tài)以及柜內(nèi)環(huán)境溫／濕度等，并計算電能質(zhì)量；主單元對各回路子單元所采集計算的參數(shù)進行數(shù)據(jù)匯總及顯示，并就地實現(xiàn)對各回路斷路器的開／合控制。主單元作為重要的人機交互設(shè)備，還具備以太網(wǎng)接口，便于進一步向上傳輸數(shù)據(jù)，為整個供配電系統(tǒng)數(shù)字化、智能化提供設(shè)備基礎(chǔ)信息?？紤]到實時性和成本，子單元和主單元之間通過CAN總線互聯(lián)，一個數(shù)字化配電柜內(nèi)的多個回路控制子單元可以共享一個主單元，也可以多個數(shù)字配電柜共享一個主單元。

2 子單元硬件

數(shù)字化配電柜回路控制子單元以基于Cortex-3內(nèi)核的32位微處理器STM32F103為核心，其內(nèi)核時鐘頻率達72 MHz，內(nèi)部具有128 KB的FLASH及高達20 KB的SRAM①ST Corporation.STM32F103 reference manual.2008.。充分利用該芯片強大的數(shù)字處理能力，結(jié)合外圍硬件電路設(shè)計并通過軟件開發(fā)實現(xiàn)配電柜的數(shù)字化?；芈房刂谱訂卧布Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)量、母線接頭溫度、柜內(nèi)溫／濕度以及開關(guān)控制和CAN通信接口等電路。

圖2 回路控制子單元硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure of control subunit

2.1 電參量的采集

為防止配電回路中的高電壓、強電流串入子單元電路損壞電子器件，同時為提高A／D轉(zhuǎn)換精度，采用微型精密交流電流互感器TA1015和微型精密交流電壓互感器TV1013分別與電流互感器和電壓互感器連接，將信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號及0～5 V的電壓信號，再通過低通濾波和采樣保持電路送入A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量后送入微處理器進行處理。

參數(shù)采集與處理電路的關(guān)鍵是A／D轉(zhuǎn)換芯片的選擇[10]。Maxim公司生產(chǎn)的并行14位8通道同步采集芯片MAX1320具有獨立的采樣／保持電路，轉(zhuǎn)換速度快、動態(tài)范圍大，且具有先進先出功能[11]，可減少接口數(shù)量，并可在轉(zhuǎn)換結(jié)束或轉(zhuǎn)換中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，非常適合交流電參量的采集。

圖3為A／D轉(zhuǎn)換芯片MAX1320與微處理器STM32F103的硬件連接原理圖。CH0～CH7為8路模擬量輸入口，其中CH0～CH3為交流電流輸入口，CH4～CH7為交流電壓輸入口；D0～D7為雙向并行數(shù)字量輸出數(shù)據(jù)線，分別與微處理器相應(yīng)接口相連；CONVST管腳為轉(zhuǎn)換啟動信號，低電平時跟蹤獲取模擬信號，上升沿時啟動轉(zhuǎn)換。

圖3 MAX1320與微處理器STM32F103接口Fig.3 Interfacing between MAX1320 and STM32F103

2.2 母線接頭溫度及柜內(nèi)環(huán)境溫／濕度的采集

對配電回路母線接頭溫度的檢測采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，傳感器采用1-Wire總線協(xié)議，只用一根信號線就可實現(xiàn)信號的雙向傳輸①Dallas Semiconductor.DS18B20 datasheet.2008.，其測量精度較高且直接將溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于微處理器處理，也簡化了電路設(shè)計。DS18B20可多個并聯(lián)使用，從而實現(xiàn)多點測溫，在接入配電柜之前，先讀取傳感器固有的序列號，并按1到n的順序一一對應(yīng)記錄，再通過串口程序設(shè)置中斷，實現(xiàn)對相應(yīng)母線接頭的溫度測量。

對配電柜內(nèi)環(huán)境溫濕度檢測采用一體式數(shù)字溫／濕度傳感器DB111，輸出全標定的數(shù)字信號，檢測時直接將溫／濕度傳感器安裝在配電柜內(nèi)壁。電路設(shè)計中，考慮到由于電力設(shè)備的啟停操作、交流電網(wǎng)的不穩(wěn)定等因素產(chǎn)生的電壓及電流的瞬態(tài)干擾會造成電子器件的損壞，在DB111與微處理器連接過程中接入抑制瞬態(tài)干擾的器件TVS。

2.3 開關(guān)量的輸出控制

開關(guān)量輸出控制電路通過繼電器對電動操作機構(gòu)進行控制，從而實現(xiàn)對斷路器的開／合閘操作，由于繼電器內(nèi)阻較小，需要外接大電流驅(qū)動器件。電路通過微處理器的PA4～PA7口連接達林頓管ULN2003來驅(qū)動繼電器。

2.4 CAN總線通信節(jié)點

CAN總線節(jié)點電路的設(shè)計中采用CTM1050高速CAN隔離收發(fā)器，芯片內(nèi)部集成了通信所必需的隔離和收發(fā)器件②Echelon Corporation.CTM1050T datasheet.2007.，STM32F103微處理器中內(nèi)置了CAN控制器，將其CAN_RX、CAN_TX直接與CTM1050上的RXD、TXD相連。

2.5 子單元電氣接線

數(shù)字化配電柜回路控制子單元在開關(guān)柜內(nèi)配電回路中實際的接線設(shè)計如圖4所示。

圖4 電氣回路接線設(shè)計Fig.4 Wiring design of electrical subunit

3 子單元軟件

數(shù)字化配電柜回路控制子單元采用德國Keil公司的RealView MDK軟件進行開發(fā)和模塊化設(shè)計[12]，根據(jù)硬件設(shè)計與功能分析開發(fā)數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)處理子模塊、控制模塊及通信子模塊。數(shù)據(jù)采集子模塊進行電流／電壓、開關(guān)狀態(tài)量、母線接頭溫度、柜內(nèi)環(huán)境溫／濕度等參數(shù)的采集；數(shù)據(jù)處理子模塊進行有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)的計算以及通過FFT算法進行諧波分析。

圖5 控制單元軟件流程圖Fig.5 Flowchart of control subunit software

主程序流程圖如圖5所示，首先完成微處理器芯片內(nèi)存管理、I／O接口初始化，之后進入等待狀態(tài)，隨時判斷各種定時中斷是否到達，包括A／D采樣、通信等定時中斷，主程序完成對各中斷的查詢并調(diào)用相應(yīng)的子程序。因為要保證對信號的實時處理，A／D采樣定時中斷在各定時中斷中的優(yōu)先級最高。讀入A／D采樣值并送入設(shè)定的環(huán)行數(shù)據(jù)區(qū)后，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序?qū)﹄妳⒘窟M行計算，最后通過CAN通信子程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的通信功能。

4 主單元硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計

數(shù)字化配電柜回路控制主單元的主要功能是對各回路子單元所采集的數(shù)據(jù)進行匯總，需具備網(wǎng)絡(luò)通信接口，還需具有可視化、可操作的人機交互特點。硬件采用觸控屏計算機，設(shè)置在柜門表面，便于實時地觀測及就地開／合閘操作，還可將配電柜運行參數(shù)通過以太網(wǎng)進一步傳輸至上層監(jiān)控設(shè)備。軟件開發(fā)采用簡單易操作的VB6.0，提供友好的操作界面，并基于CAN總線通信協(xié)議，通過控件程序調(diào)用USBCAN接口卡的接口函數(shù)動態(tài)庫，完成主單元與接口卡之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)通信功能。

通過主單元可現(xiàn)場監(jiān)測配電柜運行狀態(tài)，包括配電回路母線接頭溫度、柜內(nèi)環(huán)境溫／濕度、開關(guān)狀態(tài)等信息，能夠反饋操動機構(gòu)的機械性能，為故障前兆的預(yù)測提供分析基礎(chǔ)；實時監(jiān)測配電回路的電壓和電流電參數(shù)，并直觀地顯示計算得到的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、諧波等信息，反映供電系統(tǒng)的實際運行狀況。

5 試驗結(jié)果

根據(jù)國際標準IEC947（低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備）中的抗干擾試驗指標，對數(shù)字化配電柜回路控制子單元進行了測試，結(jié)果如表1所示，表明回路控制子單元能夠適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境。

表1 試驗標準及結(jié)果Tab.1 Test standards and results

6 結(jié)語

由數(shù)字化配電柜回路控制子單元構(gòu)成的數(shù)字開關(guān)柜實際運行效果良好，能滿足配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和管理需要，為智能化的供配電系統(tǒng)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。