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基于物联网的智能高压开关柜设计

更新时间：2019-12-10 12:00:54 大小：369K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网智能高压开关柜 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

设计了一种基于物联网技术的智能开关柜.智能开关柜IED采用DSP+ARM双CPU的结构,通过CAN总线、RS-485总线、ZigBee技术等接收智能监测单元监测到的信息,按照IEC61850协议与站控层服务中心进行通信,实现远程监控功能.智能控制单元对柜内开关量、温度、湿度等进行监测,并通过液晶屏、高亮指示条和指示灯显示开关柜状态,同时负责实现开关柜电动操作控制.智能识别单元将设备信息以电子标签的形式预埋在设备中,通过无线射频识别(RFID)技术直接将设备信息传递给智能开关柜IED,由开关柜上传到一体化信息平台,对设备进行准确定位、跟踪.所设计的智能开关柜已成功应用于唐山虹桥变电站,现场工作正常.

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基于物联网的智能高压开关柜设计

黄新波，方寿贤，王霄宽，王红亮，李小博，李文静

(西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048)

摘要：设计了一种基于物联网技术的智能开关柜。智能开关柜lED采用DSP+ARM双CPU的结构．通过

CAN总线、RS一485总线、ZigBee技术等接收智能监测单元监测到的信息．按照IEC61850协议与站控层服务

中心进行通信，实现远程监控功能。智能控制单元对柜内开关量、温度、湿度等进行监测，并通过液晶屏、高

亮指示条和指示灯显示开关柜状态，同时负责实现开关柜电动操作控制。智能识别单元将设备信息以电子

标签的形式预埋在设备中。通过无线射频识别(RFID)技术直接将设备信息传递给智能开关柜lED，由开关

柜上传到一体化信息平台．对设备进行准确定位、跟踪。所设计的智能开关柜已成功应用于唐山虹桥变电

站，现场工作正常。

关键词：物联网；无线射频识别；IEC61850；智能电子设备；Wi—Fi；监控；智能控制；．通信

中图分类号：TM 591

文献标识码：B

DOI：10．3969／j．issn．1006删．2013．02．026

远程客户端l刨服务器

0引言

智能控制单元

智能识别单元

高压开关柜是输配电系统中的重要设备．一旦

损毁会带来巨大的经济损失[¨ 。本文设计了一种全

新的智能高压开关柜．一方面具有传统开关柜的功

能，另一方面具有智能化监测、自我故障诊断等功能；

采用ARM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F．

耕“血防”刚设

控制子单元

设

备

信

息

地开关rl柜体

薹霁黔医

藤刮霎嚣

小车r7l

劐孚翟

曩

智能开关柜

28335的双CPU结构。以双CPU为控制核心．基于

IEC61850协议实现了智能开关柜智能电子设备

茉掣H元

(IED)，不但可以分析开关柜的状态并就地处理，完成

相应的动作．而且可以通过光纤将开关柜中的信息

传输到智能变电站的一体化信息管理平台中．基于上

电量监测lI

l局部放电JI l母线、触头温|J J操作机构故障

子单元l I监测子单元l I度监测子单元l I监测子单元

智能监测单元

述信息。开关柜IED可对高压开关柜的运行状态进

图1系统整体结构

行综合诊断[引。实现高压开关柜的自我检测、自我诊

断和自我动作等。

Overall structure of

Fig．1

system

实现远程监控功能。智能开关柜IED外围扩展了

CAN网络接口、RS一485网络接口、I峪一232接口、以

开关柜整体结构和原理

智能高压开关柜包括智能监测单元、智能识别

太网接口、wi．Fi以及SD卡接口，可以适应高压开关

柜内各种不同的监测单元．它把智能开关柜所需的

单元、智能控制单元和智能开关柜IED 4个部分。其

整体结构原理图如图1所示。

通信方式整合到一起．采用有线传输和无线传输的

方式实现各个监测单元与IED之间的数据通信和控

1．1开关柜IED

制，克服了开关柜内高电压、大电流的强电场、强电

磁辐射、高频噪声和谐波的干扰问题。

1．2智能监测单元

智能开关柜IED设计采用先进的ARM+DSP双

CPU技术．用以接收智能开关柜监测单元采集到的

三相电流、三相电压、电网频率、功率、电能、局部放

电、高压开关机械特性、高压断路器母线／触头温度

等数据．并遵循IEC61850协议送至站控层服务中心，

1．2．1

电量监测子单元

电量监测子单元主要是实现对母线的电压、电

流、有功功率、无功功率、电网频率、功率因数和电能

的实时监测。

收稿日期：2012—09—11；修回日期：2012—12—21

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2009CB一

724507—3)；中国博士后基金资助项目(20090460759)

Grant from the

1．2．2柜内的局部放电监测子单元

State Basic

Proiect supported by

Research

Major

局部放电监测子单元主要是实现柜体内绝缘特

性的监测。高压柜局部放电超高频监测系统硬件部

Development Program

China(973 Program)(2009．

CB724507．3)and China’s Postdoctoral Fund(20090460759)

万方数据

第33卷

电力自动化设备

手车和接地开关电动执行机构完成手车电动进出和

接地开关电动分合操作：开关柜内温湿度信号[引、开

关柜前的人体感应信号、有害气体浓度信号、开关柜

的加热器断线信号监测。

分主要由超高频天线传感器、信号调理单元、无线传

输模块、电源模块组成。具体的单元框图见图2。

高频双屏

蔽50n

同轴电缆

高频l信号调理单元

I一体

局

放

信

号

光纤I化信

———“,E-7

I台

^‘‘n^—同^。。{^。匕^‘。。^。一^‘_J电^}_-路^．．l¹

该开关柜智能控制单元包括信号采集、信号处

满50嬷捆

轴电缆i一腿丕煎

一

理、直流电机控制电路、显示、语音以及电源等模块，

具体的单元原理框图如图4所示。

图2局部放电监测子单元

Partial

subunit

discharge monitoring

Fig．2

传感器采用阿基米德双臂螺旋天线．能实现带

宽500～l500

MHz的局部放电信号检测．可以较好

地抑制噪声干扰，同时获取尽量多的放电信息。

1．2．3操作机构故障监测子单元

操作机构故障监测子单元主要从2个方面着手[3]：

一是开关机械性能。主要是监测分合闸速度．因为它

直接影响开断性能：二是监测弹簧操作机构的弹簧

蓄能时间，然后与正常值进行对比。以判断操作弹簧

的蓄能情况。通过监测脱扣线圈的电流来辨别脱扣

线圈的工作情况．以监测分闸性能。特别是监测脱扣

线圈的断线，可防止拒动等重大事故的发生。操作

机构故障监测子单元[t]主要监测3个方面：

a．把同一类设备在最佳动作状态下事先建立的

参数值与运行时的值进行比较．从而判断操作机构

功能是否完好：

裂需

图4智能控制单元原理图

Schematic

control unit

intelligent

Fig．4

diagram

a．信号处理模块。采用ARM+DSP的结构．使设

备具有高效快速的处理能力和强大的实时监控功

能。ARM采用三星公司的芯片$3C2440A．附加外围

的键盘、液晶、以太网通信等硬件设备，用以完成整

个系统的管理和控制，包括向DSP发送指令．要求

回传数据，对数据进一步处理、存储和显示，以及与

DSP和上位机的通信。DSP选用德州仪器(TI)公司

的TMS320F28335芯片．利用DSP的高速运算和多

种片上外设的特点完成开关柜状态的数据采集．并

b．由压力传感器测得压力．根据压力值发出警

报、去启动储能泵或锁住操作机构：

c．对触头磨损量的参数，(流过触头的电流)及t

进行监测处理，对触头的电磨损量进行监测和报警。

1．2．4母线、触头温度监测子单元

对采集来的数据进行计算和分析．同时实时响应

ARM的请求，将数据处理的结果发送给ARM。DSP

与ARM的通信采用串行外设接口(SPI)通信。ARM

系统接收来自DSP的相关数据．按照事先设定的程

安装在母线、触头臂上的温度监测子单元．它包

含了飞思卡尔集成单片机MC9S08QG8(其抗干扰能

力好．由于采用高压取电的工作方式．系统功耗很

序进行本地存储显示．并且通过以太网打包通信上传

到上位机，同时可通过人机交互界面在本地显示。

b．直流电机控制单元通过微控制单元(MCU)的

控制手车和接地开关电动执行机构完成手车电动进

出和接地开关电动分合操作。用户既可以就地按下

命令按钮完成电动操作．也可以由监控系统发送远

程电动操作指令来完成电动操作。为提高电动操作

的可靠性，本装置能提供电机堵转保护功能和变频

控制功能，具备了模拟手动操作的能力．可根据电动

操作过程的实际情况调整扭矩和转速．大幅降低了

机构堵转风险．并可防止故障进一步扩大。此部分

采用了科学合理的控制和保护算法．可以显著提高开

关柜电动操作的可靠性。

小)、温度传感器DSl8820、ZigBee无线通信模块[5]以

及系统工作电源。具体如图3所示。

LH收发模块俐低功耗N——习竺翌笪壁塑l

州【藤瓣纛MC群U鋈

1．3智能控制单元

模块

|氅块鬯MC9S—OSQG8ZigBee(FFD／RFD)壤糕亩

簿俐信号一

图3温度监测子单元

subunit

Fig．3

Temperature monitoring

智能控制单元可分为柜体智能控制子单元和智

能化“五防”闭锁控制子单元。下面分别进行介绍。

1．3．1柜体智能控制子单元

c．显示模块。为了清晰地显示开关柜的各个状

态，显示模块主要包括液晶屏的显示、高亮指示条的

显示以及指示灯的显示。高亮显示条主要是指示相

关的开关柜状态，使其更加直观、清楚：指示灯部分

该柜体智能操控子单元主要包括3个部分：柜

内开关量的监测，如断路器手车位置指示、断路器的

分合指示、隔离开关的分合、接地开关的分合、储能

状态、高压带电等：开关柜电动操作控制，实现控制

万方数据

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