10kV馈线智能控制箱设计的重要性

10kV馈线智能控制箱设计的重要性

袁景华

(中山市电力工程有限公司)

摘要：随着现代计算机技术与通信技术的不断改进与发展，实现中低压配屯网自动化可以有效地提高供电质量和生产管理效率。配电自动化己广泛应用于国际发达国家，国内不少城市的配电自动化规模也在逐渐扩大。配电动化系统主要由主站、网络通信及终端装置三部分构成。终端装置主要用于配电网的开闭所、柱上分段开关、配电变压器、重合闹、无功补偿电容器等配电设备的监视与控制，通过通信与主站联系，提供配电网运行数据并执行主站对配电网设备进行调节发出的控制命令。因此，配电网终端装置的性能及可靠性直接影响到整个配电自动化系统的可靠性和实时性。

关键词：配电终端；智能控制设计；计算

一、智能控制箱的设计原则

1.1可靠性高智能控制箱应用

在10kV馈线自动化系统中，同时肩负着隔离故障线路以及恢复非故障线路供电的责任。馈线智能控制箱的稳定程度是否能够可靠地运行会直接影响到到整个馈线自动化系统，甚至对整个配电网的运行安全造成影响。因此，可靠性是在硬件设计的首要原则。

1.2抗干扰能力强

在配电网的线路中通常存在火量的电磁信号等各种干扰因素。所以，在户外安装时，其柱上的智能控制箱一定需要较强的抗干扰能力，以此才可以对信息进行准确的检测以及采集。在设计的过程中，还需要考虑其装置自身的电磁兼容性，并且需要考虑电网信号突变所产生的电磁干扰，同时减少遥控、遥信等重要动作在外界干扰的基础上所发生的错误操作几率。

1.3抗自然恶劣环境能力强

智能控制箱通常安装在户外柱上，其硬件装置需要具备耐高温、抗腐烛、抗严寒等特点，所以设计的过程中，应该选择较好的工业级芯片。

1.4经济效益较高

其智能控制箱可以使成本大大降低，从而提升经济效益，对智能控制箱的装置进行推广应用，这是在装置硬件设计开发时需要遵守的原则。

二、智能控制箱的组成

2.1主控制单元

其整个控制箱的核心内容，就是将投拟量以及数字信号的测量、参数计算、故障的分析及其解决、控制输出与通信等主要功能完成。

2.2断路器操作回路

其需要完成对断路器的跳合闸，以此来实现就地手动操作和遥控功能的目的。

2.3供电电源

需要采取TV电以此通过降压、DC/DC变换和滤波并满足其系统供电，并要求提供稳定的电压源。

2.4机箱外壳

由于大多数的数智能控制箱需要户外进行安装，因此机箱外壳会因酸雨受到较严重的腐蚀，所以其智能控制箱的机箱外壳应当选择具有耐腐烛的不锈钢材料。

2.5附件

例如就地手动遥控选择把手、跳合位置的指示灯、分合闸的按钮以及接线端子排等。

三、智能控制箱的硬件设计

3.1选择合适的CPU主模块

在智能控制箱的设计中，其CPU则是整个系统的核心内容。需要考虑大规模，公司以此来选取合适的工业级芯片，需要具有的领先性。例如ST公司推出的基于Cortex-M3内核的高性能的芯片STM32F103RBT6作为主芯片，它拥有较低消耗功能的性能的强大单片机。同时还拥有一定的片内资源以及外设，并且与外部资源有较小的配合就能够实现其功能，还具有实时应用、竞争性的价格等优点，并能满足嵌入式领域的需求，所以，对于工作环境行对恶劣的智能控制箱来说可以提升其抗干扰的程度。

3.2能量供给的系统设计

在安装于户外柱上开关处的控制箱，其可靠供电则是向配电自动化系统转变中较为重要的技术之一。对于控制箱的可靠性而言，它的工作不能够远离可靠电源，它对故障实现隔离和恢复供电方具有及其重要的地位，一旦在工作时突然发生停电状况，则会造成严重的损失。因此，想要防止这种情况发生，其不间断（UPS）电源的设计就将成为首要任务，而可持续供电就是电源的主要核心。同时智能控制箱应用在柱上开关处，所以应该从现场TV进行取电，同时以备用电源来实现不间断供电。

3.3智能控制箱的远程通讯

利用相应的通信方式进行对比能够可以看出优势以及合适的场所。并没有任何一种通信方法能够全面的满足各种规模的配电自动化的需求。所以，大多数情况下需要依照配电网的实际情况，在每个层次上需要釆用相应的通信方式。除此之外，在配电网自动化系统中，对于较为复杂的通信网络，其结构的建造同样需要较高的成本，因此也是投资商需要考虑的问题。

四、智能控制箱软件系统的控制

4.1软件环境

软件环境是整个软件系统开发的前提基础。软件环境中采用了Keil软件进行编译，这种软件是德国微控制器软件平台进行开发的，并且实施应用，就目前而言，Keil是软件开发领域的主要工具。Keil由多个软件器相互配合组成，包括C语言编译器、资料库管理、信息连接器和最重要的一个仿真软件调试器，这些软件其相互配合、相互运行集合成了一个具有系统性、规范性的智能控制箱的控制系统。Keil软件运行方便，操作简单，同时在进行仿真软件调试器进行调试的时候能够将想要调试的文件放进规定的软件组织中，然后进行编译，在软件编译的过程中，需要调试的文件会自动组合联系到一起，这整个过程具有连接性、系统性，能够编译的软件更连贯化，准确化。

4.2傅里叶思想计算

设有一个周期函数，典周期为，且该周期函数满足狄里赫利条件，则该函数可表示为

（1）

式中an、bn为各次谐波分量的正弦项和余弦项系数，ω为基波角频率，n为谐波次数，n=0为直流分量。根据傅立叶级数的性质和三角函数的正交性，有

（2）

以上是在连续域中应用傅立叶变换，因为在保护中，经过采样、转换后得到的是离散数字信号。因此需要将这些连续信号离散化。

X（t）是连续信号，以T为采样率进行采样，将其离散化变换到频域，表示为

（3）

式中N为工频每周采样点数，Xc1、Xs1为经离散傅立叶变换后基波分量的虚部和实部。即

（4）

上式是求基波分量的离散计算公式。由Xc1、Xs1即可求出基波分量的有效值和相角。

（5）

类似地，可得出求n次谐波的虚部和实部分量的公式为

（6）

对XC为虚部分量、XS为实部分量的证明如下：

假设一个正弦基波信号为

（7）

用向量表示为

（8）

又因为

（9）

所以

（10）

代入式（8）中，得

（11）

4.3快速傅里叶计算方法

快速傅里叶变换（FFT）是离散傅里叶变换（DFT）的一种快速算法，它是利用DFT系数的对称性、周期性和可约性等性质将长序列的DFT分解为若干个短序列的DFT计算，然后再按一定规则将其合并，从而得到整个的DFT。按时问抽取基2FFT（DIT）算法是FFT最常用的一种表现形式。

设N点序列x（n）的离散傅立叶变换为X（k），则有：

（12）

令N=2M，M为正整数，将x（n）按奇、偶分成两组，即令n=2r及n=2r+1，而r=0,1,Λ,N/2-1,于是

这样N点序列X（k）就变为两个N/2点序列x(2r)和x(2r+1)离散傅立叶变换的组合，令

（14）

那么（15）

A（k）、B（k）都是N/2点的DFT，X（k）是N点DFT，因此单用（15）式表示X（k）并不完全。但因

（16）

所以用A（k）、B（k）可完整地表示X（k），但A（k）、B（k）仍是高复合数（N/2）的DFT，可按上述方法继续给以分解。分别令r=2l，r=2l+1，而l=0,1Λ，N/4-1，则A（k）和B（k）可分别表示为

（17）

令（18）

那么

（19）

同理，令

（20）

则

（21）

（22）

若N=8，这时C（k）、D（k）、E（k）、F（k）都是两点的DFT，无需再分，即

若N=16，32或2的更高的幂，可按上述方法继续分下直到两点的DFT为止。以上算法是将时间n按奇、偶分幵，故称时间抽取算法（DIT）。现将上述过程示于图1，其基本运算单元示于图2。

图1.8点FFT时间抽取算法信号流图

图2.第n级蝶形单元

4.4基本参数计算

智能控制箱系统需要测量电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、频率等信息，还要测量和评估系统的电能质量，其主要内容包括电压中的谐波、电压波动等参数。因此，需要进行电路参数的计算。

k次谐波的电压有效值为：

（23）

k次谐波的电压相位为：

（24）

k次谐波的电流有效值为：

（25）

k次谐波的电流相位为：

（26）

功率因数为：

（27）

视在功率为：

（28）

有功功率为：

（29）

无功功率为：

（30）

其余各次谐波分量的有效值、功率计算同上。

另外还可以计算出电压（电流）的谐波含量：

单次谐波含量为：

（31）

总谐波含量为：

（32）

结束语

本文所介绍的智能控制箱可以和主站控制中心通信相互结合从而形成了馈线自动化系统。以此能够快速将故障区段的进行定位、隔离以及恢复供电设施。按照智能控制箱的功能以及标准要求，并确认了控制箱的整个结构，并采取了STM32F芯片为系统核心，同时介绍了控制箱的每个硬件并详细解释了软件的开发环境和在实际操作系统下的任务要求。

参考文献:

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[4]江志昌.略谈配电网自动化系统实施的几点建议[J].广东科技，2016.