智能开关柜分布式监控系统研究

1 引言

随着智能电网建设的不断推进，开关柜正朝向智能化、网络化发展。开关柜作为电力系统控制和保护供电的重要节点，保障其安全、稳定运行具有重大的监测意义。

智能化开关柜作为一种数字化，集成化的设备，在其控制和保护方面应当具备一定程度的故障监测、定位及隔离功能[1]。智能化开关柜还应具备标准化、模块化的设计，通过监控设备实现对柜内电量和非电量参数的监测，如交直流监测、有功及无功功率监测、断路器、接地刀等触发开关输入量监测等。

电力系统监控方式中经常使用集中式监控和分布式监控两种控制方式。从当前电力系统发展趋势来看，分布式监控系统更具有优势和发展前景。分布式控制系统（Distributed Control System，DCS），又被称作集散控制[2，3]。该种系统将测量与控制分散均布，从而实现对区域内设备的管理。分布式监控系统融合信息技术、计算机技术、控制技术、电力电子技术于一体，解决了常规电力仪表功能单一，操作过于分散的缺点。

本文针对目前配网建设的需要，以网络电力仪表、智能配电设备为基础，结合一体化、模块化设计思想，对智能开关柜分布式监控系统进行研究，并设计一套智能开关柜分布式监控系统。

2 系统总体设计

本文设计一种智能开关柜分布式监控系统，目的在于提高开关柜的智能化水平和监控水平。智能开关柜基于模块化设计思想，具备控制装置、测量装置、功能保护装置和软件显示装置，分别提供控制断路器等分合闸功能、电量与非电量监测功能、过流与接地故障等保护功能及各种状态量与数字量显示功能。系统总体设计如图1 所示，因光线通信具备通信容量大、传输距离远、信号干扰小及抗电磁干扰性能好等优点，故采用光纤通信作为系统主要通信手段。分布式监控系统将开关柜的各种状态信息通过光纤传输至监控中心，监控中心通过下行目标信道实现对开关柜的控制。

图1 系统总体设计

3 系统硬件

3.1 信息处理单元

本文设计的分布监控系统采用C8051F500 作为系统的信息处理单元。单台智能开关柜系统结构如图2 所示。C8051F500 接收智能开关柜的测量信息，并对控制机构发出动作指令。控制信息包括控制接地刀、断路器等分合闸及控制智能开关柜加热排风等。测量信息包括柜内开关量输入，如接地刀分合闸状态、断路器分合闸状态、柜内环境温湿度、压强等信息。

图2 单台智能开关柜系统结构图

本系统所采用的处理器按照AEC-Q100 测试标准设计，具有宽工作电压、宽工作温度范围，较强的抗干扰能力并内置CAN、LIN 总线控制器。

该器件主要特性参数如下：

（1）1.8～5.25V 供电。

（2）-40℃～+125 工作温度。

（3）64K Flash，4352 字节RAM。

3.2 控制电路设计

在智能开关柜的控制系统中，系统根据自身故障信息做出智能控制或根据巡检人员给定的控制信息发出控制指令。在控制电路中，控制信息经信息处理单元I/O 口和光耦发送至达林顿晶体管（ULN2803A），该器件工作温度范围-20℃～+85℃，具有8 个驱动器，集电极连续电流为500mA。控制信息最终通过继电器实现对断路器分合闸等操作，控制电路如图3 所示。

图3 控制电路图

3.3 测量电路设计

智能开关柜采集不同机构的开关量状态，实现实时的状态显示与监测。如图4 所示，当接地刀开关处于合闸位时，即图4 中HZH_KG 闭合，合闸信息经过光耦，反馈至主测控单元的I/O 口，信息处理单元根据返回信息的不同I/O 口实现对不同动作开关状态的识别。

图4 测量电路图

3.4 监控系统软件实现

在智能开关柜分布式监控系统软件实现方面，如采用专门开发的系统软件，不仅开发周期长，成本投资以及后期维护工作量也比较大。为了满足后续维护以及功能扩展的需要，本文设计采用灵活、高效、易于实现的组态软件设计智能化开关柜分布式监控系统，系统结构示意图如图5 所示。监控系统软件设计应当遵循以下功能：

（1）系统测量信息显示功能，可将实时数据库中监视和控制数据进行显示。

（2）系统控制操作，显示相应的控制按钮以执行对应的控制操作。

（3）远端通信功能，可将实时数据库与历史数据库中的信息经通信协议转换上传至监控中心。

软件工作时采集的实时数据传入实时数据库和历史数据库。分布式系统软件的数据显示数据来源于实时数据库。历史数据库存放画面、历史数据等信息。监控中心接收实时和历史数据库中的电量与非电量参数、报警信息等。

图5 系统结构示意图

4 结论

本文对现有开关柜进行智能化改进，并提出一种分布式监控系统。该监控系统在单个开关柜层面上可实现自我诊断和控制功能，也可利用远程监控中心实现对开关柜的控制，实现了测控分散，管理集中的目的。该系统不仅降低了巡检人员的工作强度，还提高了开关柜在电网运行中的稳定性。