(广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞523120)
摘要：设计了一种基于智能配电网技术的10kV开关柜。此类开关柜IED采用DSP+ARM双CPU的结构，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RFD的形式预埋在设备中，通过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。
关键词：智能配电网；RFID；人工智能；
“十三五”期间，东莞人民的生活质量得到了显著的提升,东莞用电需求量也越来越大,配电网规模也不断的扩大,对东莞配网供电质量提出了更高的要求。现阶段,需要提高配网设备的可靠性,确保配电网运行的安全与稳定。10kV开关柜是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10kV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-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（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，基于上述信息，开关柜IED可对10kV开关柜的运行状态进行综合诊断，实现10kV开关柜的自我检测、自我诊断和自我动作等［1］。
1开关柜整体结构和原理
智能10kV开关柜包括智能监测单元、智能识别单元、智能控制单元和智能开关柜IED4个部分，其整体结构原理图如图1所示。
1.2智能监测单元.
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。
1.2.2柜内的局部放电监测子单元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。
安装在母线、触头臂上的温度监测子单元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，系统功耗很小）、温度传感器DS18B20、ZigBee无线通信模块以及系统工作电源［2］。具体如图3所示。
1.3智能控制单元
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
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、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［3］。
该开关柜智能控制单元包括信号采集、信号处理、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。
1.3.2智能化“五防”闭锁控制子单元所谓电力“五防”是指：防止误分、误合断路器；防止带负荷拉、合隔离开关；防止带电挂接地线（或接地刀闸）；防止带接地线合隔离开关；防止误入带电间隔。电力系统“五防”装置中除了防止误分、误合断路器之外，其他“四防”均要求强制闭锁。控制器为智能闭锁装置的核心，首先把开关柜内所有设备在各种运行方式下的操作程序存储在控制器的存储器内，运行人员需要进行操作时，就按照一定的规程进行操作，控制器根据预选存储的程序对每一项操作进行判断。如果操作正确，就发出正确的声音提示，指示灯部分指示相关操作；如果操作错误，系统则自动播放提醒语音，并且操作无效，也无法进行下一步操作，防止运行人员误操作，保障人身和设备安全［4］。
1.4智能识别单元
智能识别单元在智能识别断路器、柜体等设备信息方面，采用的是无线射频识别（RFID）技术。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。将断路器、隔离开关、接地开关、母线、电压互感器、电流互感器、柜体等设备的本体信息以电子标签的形式预埋在设备中，通过RFID直接将设备信息传递给智能开关柜IED，并遵照IEC61850协议由光纤上传到一体化信息平台，对设备进行准确定位、跟踪，了解设备动态信息［5］。
1.5智能配电网技术
智能配电网技术是一种在互联网技术基础上延伸和扩展的网络技术，它是通过RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。将RFID、ZigBee等智能配电网技术运用到智能10kV开关柜的设计中，不仅使它具有传统开关柜的功能，而且实现智能识别、智能监测和智能控制，使智能IED遵循IEC61850协议，将数据通过光纤传输到一体化信息平台。
2硬件结构和原理
硬件结构如图5所示。控制部分采用ARM9芯片S3C2440A和DSP芯片TMS320F28335的双CPU结构，以双CPU为控制核心，在外围分别搭建CAN网络接口、RS-485网络接口、RS-232接口、以太网接口、RFID模块，采用IRIG-B码对时提供精确统一的时间基准。本智能柜充分考虑电磁干扰对设备的影响，电源部分进行设计时对各供电线路进行了分区隔离。
通信部分包括CAN网络接口、RS-485网络接口、RS-232接口、以太网接口、RFID以及ZigBee无线通信技术。智能监测单元将监测到的信息通过CAN总线或485总线传送到智能开关柜IED，同时智能识别单元通过RFID模块识别开关柜的设备信息，经过MCU处理，进行相应的动作，遵循IEC61850协议与服务中心进行通信，实现远程监控功能。
系统电源采用开关电源模块，将输入的交流220V转换成直流5V，然后通过线性稳压芯片MIC29502BU转换成3.3V，最终通过线性电压调节芯片LM1117-ADJ将3.3V电压转换为1.5V和1.9V，作为CPU工作电源、通信驱动电源、液晶屏电源及信号显示电源等。由于开关柜内高电压条件限制，监测单元的电源必须由内部提供，采用蓄电池等固定能量的供电方式均无法保证系统的长期运行。根据断路器触点和母线的温度升高时有电流流过的特征，采用电磁感应原理直接从断路器触点导电板或母线上获得监测单元的低电压电源。现设计一个专用电流互感器，采用坡莫合金为铁芯，可保证小电流时铁芯正常励磁、大电流时铁芯饱和，从而提供了变化幅度较小的感应电压（9~24V）。感应电压经过限压、整流和二次稳压后获得稳定的＋5V电源电压输出。
3结束语
智能10kV开关柜既具有传统开关柜的功能，又具有智能化监测、自我故障诊断等功能，可以就地分析和处理开关柜的状态，完成相应的动作，并遵照IEC61850协议由光纤将开关柜中的信息上传到一体化信息平台。智能10kV开关柜采用ARM+DSP双CPU处理器，具有灵活性和可定制性，可方便实现监测设备的软硬件升级。智能开关柜可以减少巡行人员的巡视次数，实现无人值守，且投资小、免维护、抗干扰能力强，为实现智能变电站打下了坚实的基础，应用前景非常广泛。
参考文献:
［1］罗运虎，房淑华，吴娜，等.基于ISD25120多功能语音报警卡及其应用［J］.电力自动化设备，2006，26（1）：79-82.
［2］黄新波.变电设备在线监测与故障诊断［M］.中国电力出版社，2008：99-102.
［3］刘建胜，酆达，张凡.一种用于变电站高压触点温度在线监测的新方法［J］.电力系统自动化，2004，28
［4］宁炳武.ZigBee网络组网研究与实现［D］.大连：大连理工大学电子信息学院，2007.
［5］迟岩，黄种明，郑为民.基于AIFCS工业配电系统开关柜设计［J］.电力自动化设备，2006，26（7）：38-42.