智能开关柜分布式监控系统及技术分析

智能开关柜分布式监控系统及技术分析

郑春华

（华仪电气股份有限公司325600）

摘要：开关柜是各类电力系统的基础设备设施，其在提升智能电网建设智能化与网络化水平方面发挥重要促进作用。本文提出了建设智能开关柜分布式监控系统的建议。文章在阐述分布式监控系统构架概念基础上，从信息处理单元、控制电路、测量电路以及监控系统软件功能实现等方面对系统硬件建设作出分析，并列举了关键技术类型。

关键词：智能开关柜；分布式监控系统；系统建设；技术分析

新时期下，我国智能电网建设进程连续推进，开关柜正朝着智能化、数字化方向发展。开关柜是电力系统控制与保护供电的主要节点之一，监测并评估其运行安稳性具有很大现实意义。智能化开关是一类数字化、集成化设备设施，其在故障控制方面具有较强的监测、定位与隔离功能。电力系统的监控方式以集中式监控与分布式监控两种为主，结合当下电力系统发展现状，后者更占据优势与发展前景。本文结合当下配电网发展的需求，对智能开关柜分布式监控系统设计要点与关键技术做出研究。

1分布式监控系统构架

在上个世纪末期，分布式监控系统概念被首次提出，并提出集中式控制系统结构和分布式控制系统两者最明显差别是工作内的空间结构的观点，在集中式控制内，数据操纵与控制决策等信息处理均是在相同地点落实的，而分布式控制却恰恰相反（见图1）。Thompson等对发动机分布式控制系统构架的完善方法做出研究，提出环形拓扑结构的设想以优化分布式控制系统构架。监控系统的功能有：①开关机控制；②设置开关电源参数；③监测与显示开关电源运行参数；④故障信息报警与定位[1]。

图1分布式控制构架示意图

2系统硬件

2.1信息处理单元

本文设计的分布监控系统选用了C8051F500作为系统的信息处理单位。单台智能开关柜系统结构示意图见图2。C8051F500的功能已接收智能开关柜的检测数据信息为主，同时也能对控制机构传递出动作指令。控制信息包括控制接地刀、断路器等为主。检测数据信息主要是指柜内开关量传输，例如接地刀启闭闸状态、断路器启闭闸状态、柜中环境温湿度及压强等信息。

图2单台智能开关柜系统结构示意图

本系统设计过程中所应用的处理器依照AEC-Q100检测标准进行的，具备较宽工作电压、工作温度范畴及较强的抗干扰能力，同时在内安设CAN、LIN总线控制器[2]。本器件主要属性参数如下：①供电电压1.8~5.25V；②作业环境温度-40~+125℃；③64KFlash，4352字节RAM。

2.2设计控制电路

在智能开关柜系统设计过程中，系统结合自体故障做出智能控制、或依据巡查人员设定的控制信息传递出控制指令。在控制电路内，控制信息经由信息处理单元I/O口与光耦整合至林顿晶体管（ULN2803A），该器件作业温度范围为-20℃~+85℃，设有8个驱动器，集电极连续电流是500mA。控制信息最后经由继电器实现对断路器分合闸等规范性操控，控制电路结构见图3。

图3控制电路结构示意图

2.3测量电路设计

智能开关柜在运行过程中能采集不同机构的开关量变化信息，能够达到对各机构运行状态实时监控与呈现。如图4所示，当接地刀开关处于合闸状态时，图4内HZHKG关闭，合闸数据信息经光耦处理后，反馈到主测控单元的I/O口，信息处理单元结合反馈信息，实现对动作开关状态的精确性调控。

图4测量电路结构示意图

2.4监控系统软件的设计

在设计智能开关柜分布式监控系统软件及功能实现过程中，可采用专门研发的系统软件进行，具有开发周期漫长、资金投入量大及后期检修工作量大等不足。为迎合系统后续运维与功能拓展需求，本文在设计过程中，应用了在操作灵敏性、运行高效性与快捷性等方面均占据优势的组态软件去设计智能化开关柜分布式监控系统。在设计监控系统软件过程中，应实现如下功能：①系统检测信息呈现功能：能够实时呈现出数据库内监控的数据。②系统控制操作：即呈现出相对应的控制按钮以实施相对应的调控操作[3]。③系统调控功能：能够动态化的把数据库内的信息以通信协议为媒介传导至监控中心内。

系统软件运转过程中能把收集到的实时数据信息传导到实时数据库与历史数据库内。分布式系统软件的数据显示数据始源于实时数据库。历史数据库的功能以储存画面、既往数据等信息。监控中心负责采集实时与历史数据库内的电量与非电量参数、预警信息等多种信息。

3关键技术分析

3.1低功耗技术

智能开关柜分布式监控系统设计过程中，集成电路是主要的电路类型，集成电路的功耗有静态功耗与动态功耗之分，前者是指电路未发生翻转、连续维持高电平或低电平状态下的功能耗损状况，功耗值是电路电压和电流的乘积；后者是指电路在发生高低电平翻转时形成的功率耗损。为降低系统功耗量，需从降低动态功耗和静态功耗两个方面着手。应加强动态功耗，其表达式为：[其中，K：单位时间中平均上跳]频次；：电源电压；：时钟频率][4]。结合以上公式，可采用如下方法去减少智能开关柜分布式监控系统功耗，优化系统设计水平：①减少节点等效电容与信号开关活动度；②同步减少电路的翻转频率与时钟频率；③减少工作电压。

3.2模糊自适应整定PID控制技术

该控制算法把模糊控制理论整合至常规PID控制算法中，同时兼顾两个算法的优势特征，能更好的迎合被控制对象的特征，实现预设的调控目标。

模糊控制器主要由如下三部分构成：①模糊输入接口：功能已传导模糊化精确量为主，其将精确的偏差变化率（ec）与偏差（e）设为模糊量，为系统模糊推理与决策提供参考，旨在提升推测结果的精确度。②模糊推理决策机构：功能以模仿个体的思维运行特点及经验操作为主，将系统人工控制决策与既往实践经验设为主要参照凭据，归纳出语言控制的规则，实现对系统的模糊推理与决策，进而获得模糊输出控制量。③模糊输出结构：即在模糊推理决策完成以后，利用模糊判断将输出的模糊变量转型为精确控制量，进而实现对被控对象的有效控制。

3.3电磁兼容对象

电磁兼容性是指在系统或设备处于电磁环境中时，符合正常运转需求而不对环境内所有设备设施形成无法耐受的电磁干扰对应的能力。在智能开关柜分布式监控系统电磁兼容设计过程中常用的技术类型有屏蔽、接地、滤波、PCB设计等[5]。本文由于篇幅的限制，只对PCB设计做出研究分析，在产品电磁兼容性设计时，PCB设计时将产品内部设计设为最重要的一部分。在对分布式监控系统设计时，应先选择印制板的类型，继而在板上明确各个元器件所处位置，最后布置地线、电源线与信号线。

结束语

本文主要对现有开关柜进行智能化设计与优化，同时做出设计一种分布式监控系统的构想。实践证明，该系统能实现在单个开关柜层面上的自我诊断与调控，也能够在远程监控中心的支撑下，实现对开关柜运转状态的调控，一方面减轻巡检人员工作量与强度，另一方面也推动了开关柜在电网中安稳、有效运转进程。

参考文献

[1]刘闯.李雅庄煤矿地面变电所升级改造研究[J].山东煤炭科技,2018(09):133-134.

[2]张淑侠.基于PLC的备用电源自动投入监控系统设计[J].电工技术,2018(18):24-26.

[3]张文瑞.煤矿供电防越级跳闸监控系统[J].工矿自动化,2018,44(09):98-101.

[4]魏昕.地铁车站电气火灾监控系统设计方案研究[J].工程建设与设计,2018(15):168-170.

[5]刘雄飞,张磊,胡志坤,等.无线分布式开关电源老化监控系统设计[J].电源技术,2015,39(12):2734-2736.