低压配电开关柜监控单元设计要点.pdf

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1、低压配电开关柜监控单元设计 摘要 近年来，经济的快速发展对我国电力工业的发展提出了更高的要求，提供更多的电能，具备更高的供电可靠性，更小 的线路损耗，更长的使用寿命，更少的维护工作等等。针对上述要求，国家对电厂实行“西电东送”和“关停并转” 等措施，解决供需矛盾，对电网进行“城网农网改造”，进一步优化电网结构，减少线损，在变配电所实行配网综合自 动化，提高可靠性，进而达到无人值守。其中一个很重要的方面就是对开关及开关柜运行状态进行监控，传统的开关 柜与现代电子技术相结合的智能化开关柜应运而生，它一方面满足传统开关柜的基本功能要求，另一方面将微电子技 术引进柜内，使其有自检、自控和自我诊断的新功

2、能，以满足配电网综合自动化的需要。一些高新技术如传感器技术、 微电子技术、计算机技术和信息技术的飞速发展及其在各工业领域的成功应用，使智能化开关柜的开发和应用成为可 能。本文配变监测终端的主要设计目标是：实时采集配电系统运行的模拟量和状态量，要求高精度、高准确性；接收 中心站查询命令，将最新测量结果上报主站；能自动检测与识别配变故障，若有异常，立即向中心站发送告警消息和 测量数据，同时，根据中心站命令控制外部开关设备；监测设备自身具有故障自检及自恢复功能；保证终端工作可靠 性，满足电磁兼容性要求。 本文的主要内容包括： 首先，对目前国内传统开关柜与国外先进的智能开关柜进行了系统的分析和比较，指

3、出了两种存在的不同及优缺点， 并对目前国内传统开关柜提出了智能化改造设想，提出了系统设计思想。其次，分析了终端配电状态监控系统的硬件 设计。系统硬件采用了芯片模块化并协同工作设计思想，单片机控制数据采集，这样设计的目的是为了提高数据采集 的速度和精度，现场总线通讯芯片负责数据的上传和下载，两部分属独立设计，两者组成了本次设计的硬件电路。此 外还详细介绍了硬件系统中的滤波电路设计、信号采集电路设计、显示按键单元设计、开关量输入及输出单元设计等。 最后， 介绍了系统固件程序设计和应用程序功能模块。系统固件程序包括单片机主程序、中断程序和SPC3的初始化程 序等；应用程序包括：数据采集应II 用模块

4、图、显示应用模块图、从站上传数据应用模块图，从站下载数据应用模块 图等。 关键词：智能配电状态监测信号采集数据通讯 Abstract III Low voltage Distribution Switchgeat Control Unit Design Introduction of the author: Liyong, male, was born in January,1982 whose tutor was rofessor Wujianping. He graduated from Chengdu University of Technology in Testing recepti

5、on center station inquire command, the geophysicists have reported the main points; can automatically detect and the distribution transformer fault indentification,if unusual, immediately to the center stations in Alert messages and measurements at the same time, according to central station command

6、 and control of external switch device; monitoring device itself has a fault self-test and self-recovery functions; to ensure the reliability of the terminal work to meet IVelectromagnetic compatibility requirements. The main content of this paper includes: First, the traditional domestic and foreig

7、n advanced intelligent switchgear for a systematic analysis and comparison, that the existence of two different advantages and disadvantages, and the traditional switchboard domestic reform ideas proposed intelligent system is presented design. Secondly, the analysis of the distribution terminal con

8、dition monitoring system hardware designs. Using modular hardwareand chip design to work, MCU control data collection, this design aims to improvethe speed and accuracy of data collection, field bus communication chips for data uploads and downloads the two parts of an independent design, the two fo

9、rmed the design of this hardware. In addition, details of the hardware system filter circuit design, signal acquisition circuit design, display design of Key modules, digital input and output cell design. Finally, the introduction of the system design and application firmware modules, System firmwar

10、e, including single chip main program, interrupt procedures and SPC3 initialization procedures; applications include: data acquisition application modules, showing application module map, upload the data from the station application module map, from the station to download data application block dia

11、gram and so on. Keywords:Intelligent Power Distribution 、Condition Monitoring 、Signal Acquisition 、Data Communication 第 1 章引言 1.1 课题背景及研究的现实意义 随着计算机技术、微电子技术、电力电子技术、抗干扰技术等新技术的迅速 发展，特别是网络通讯技术的发展使得配电自动化技术得到了空前发展1。针对 10kV 及其以上的配电系统自动化的研究在我国已有近十年时间，且已应用于实 践，其技术日趋成熟和完善，为我国配电自动化的发展奠定了基础。而低压配电 系统的智能化还处于探索阶段

12、。在10kV 以下 0.4kV 电压等级的低压配电网中， 开关柜是开关设备的主要工作形态之一，它是以开关为主的成套电路。对于0.4kV 低压配电系统，传统的电气控制，主要通过断路器、接触器、热继电器、熔断器、 控制继电器、主令开关、互感器、各种电工仪表(电流表、电压表、功率表等) 组合成低压开关控制柜来实现配电、控制、监视等功能。这种传统的开关柜不仅 配有数十个或更多的电工仪表等盘装元器件，给生产、储存、维修带来极大不便， 并且以人工直接操作为主，无法实现计算机智能管理，对于较为复杂的控制逻辑 实现起来比较困难。但随着广大企业对用电质量要求的提高，传统的采用电磁式 机械结构的一二次控制保护元件

13、已无法适应现代电网发展的需要，而引进计算机 技术并将其作为监控、计量、控制、保护的核心，并与断路器配合构成的智能化 低压开关柜将受到用户的欢迎与应用，其计量、保护、控制、通信、记录等功能 均可通过智能技术、数字显示技术等可靠的运用起来2。 这里所提到的智能型开关柜，也就是采用了智能型元器件的开关柜，其主要 特点是在传统开关柜和元器件基础上充分应用了微电子技术、电力电子技术、计 算机控制技术以及网络通讯等新技术，具有较高的性能和可靠性。此外，智能化 低压开关设备应具有传统电器难以实现的特点:低压断路器等一次元件在线监 控。微处理机控制测量技术，数字化监控控制技术，功能一体化、控制、保护 智能化、

14、网络化。若干智能型开关柜通讯网络组成的智能低压配电监控系统，对 电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等电参量进行监控以及对断 路器的分 /合状态、故障信息进行监视，对断路器的分/合状态进行控制，并且提 供完善的远程监控软件，从而实现卓越的“三遥”功能3 。 智能开关柜应用到变电所组网集中控制与传统开关柜组网集中控制的结构 的主要区别在于数据处理与信息取样、控制的通讯方式上。 传统开关柜组网集中控制是将系统电压、各柜电流、开关状态量以控制电缆 传送到集中控制室，由电磁保护继电器屏实现一次设备保护控制功能。智能开关 柜采用智能控制单元直接进行电流、电压及开关状态信息的采集，智能控制单元

15、成都理工大学硕士学位论文 2 能够独立进行数据处理，实现保护、控制、测量、显示等功能，并可将采集的信 息进行处理后通过标准计算机接口上传，实现微机保护、三遥、数据采集与监控、 电能计费、事故报警、事故追忆、数据报表打印等功能。这主要是后台软件开发 的应用。 目前，在我国低压配电系统中大多实行“盲目”的无人值守方式，即设备投 入运行后现场没有人员值守，采用定期巡检或故障用户主动反映的方式对运行中 的设备进行集中监视和维护。这不仅造成工作效率低下，而且给生产生活也造成 了极大的安全隐患4 。但随着配电网综合自动化技术的日益成熟以及城市轨道交 通对供电质量的要求日趋严格，目前越来越多的技术人员开始将

16、智能低压微机监 控装置引入到低压配电监控中，以希望实现对远方集中运行的设备进行实时监 控。也正由于这样的高要求用电质量的背景下，笔者经过以上分析提出了基于现 有智能开关柜而设计出的低压配电监控系统的思路，此设计思路具备当前智能配 电系统的典型结构，减轻巡检人员的劳动强度，提高低压供电系统的安全性。 1.2 智能低压开关柜的国内外研究现状6 1.2.1 国外发展历程 国外低压成套设备的发展可分为三个时期。在70 年代末、 80 年代初，随着 电子技术的发展，低压成套设备步人控制电子化、保护综合化时代，出现了电子 式各种运行电量控制器、电动机综合保护器、无功功率补偿控制器等产品，其结 构多为小装置

17、型和继电器型。例如:电动机综合保护器的功能有过电流、断相、 过载等保护，其起动时间可调整，过载时间可整定，功功率补偿控制器则可根据 无功电流、功率因数等不同参量，自动进行补偿电容的均衡控制。 80 年代中期，此类装置已初步进人智能型时代。在低压配电领域，采用了 PLC 技术，应用I/O 点方式，通过可编程控制器实现配电装置的控制与操作;后 期出现了微机集中检测与控制，可对馈电主保护断路器进行远距离操作，对各回 路电压、电流、有功电量和无功电量、功率因数、频率、变压器温度等进行检测， 但仍停留在遥测、遥控水平上，缺少遥讯和遥调功能，更缺少智能型的思维、分 析、判断与选择。 从 80 年代末和90

18、 年代初开始，随着计算机技术、微电子技术、电力电子技 术、抗干扰技术等新技术的飞速进步，特别是网络通讯技术的进步，自动化技术 得到了空前发展。在这个时期，各类全数字交、直流控制产品和PLC(可编程逻 辑控制器 )扩展迅速，每3-4 年就换代一次，功能越来越强大，可靠性也越来越 高口微处理器从8 位机发展到16 位机和 32 位机与多机运行，主要控制线路和控 制结构由硬件组成发展到由可自由组合的软件块组成。如西门子公司的直流全数 第 1 章引言 3 字产品，由6RA22 系列发展到6RA23,6RA24 系列又发展到SIMADYN-n系列 时间还不足十年。在联网方面，功能也越来越强，由两机之间的

19、通讯到单机与多 机通讯，发展成网络通讯，在通讯协议方面由各公司的内部协议发展到开放的、 标准的协议。西门子公司的产品由原先的USS 协议发展到现在开放的PROFIBUS 协议和工业以太网协议。随着全数字控制和自动化技术的发展，各大公司也把这 些技术应用于配电系统，也就是把强电控制与微电子技术、计算机技术、网络通 讯技术相结合，形成了第三代产品，出现了智能型断路器、智能型开关柜及其它 智能元器件，如ABB 公司的 SACEF2 系列断路器、西门子公司的3WN 系列断路 器和 SIVACON 系列开关柜、GEC-ALSTHOM公司的 GEMSTART3 系列、西屋 公司的 Advantage 系列

20、及 ABB 公司的 MSG 系列智能马达控制器。这些智能元器 件都是以微处理器为核心，具有测量、变换、保护、控制等功能，实际就是一个 现场控制计算机。同时都具有通讯接口，可连接通讯网络，与上位计算机通讯5。 在发展智能型元器件及开关柜的同时，功能越来越强大的监控系统也得到了 大力发展，如西屋公司的IMPACC 系统、 ABB 公司的 INSUM 系统以及西门子 公司的 SIMOCODM系统、 MOELLER公司的配电系统2000 等。通过这些系统 与低压配电装置等现场设备的配合，使成套供、配、用电系统能够在本机、上位 机、环境、负载等对象中交换各种信息，通过网络实现状态观测、信息回馈、综 合判

21、断、发出指令及操作等，提高了整个配电系统的可靠性6 。 1.2.2 国内研究现状 国内低压成套自1985-1987 年自耦减压起动柜JJ1全国联合设计时起，首先 采用半导体集成电路式时间电流转换器代替原来的充气式时间继电器和电流 继电器。 1989-1990 年，国内又出现了电子式电机多功能综合保护器。1991-1992 年，又出现了半导体式热继电器。在成套方面，智能型配电系统也已起步，厦门 电控厂已有能进行数据采集的马达控制中心问世;天津夏利汽车工程的所有低压 配电柜、动力柜全部实现了上位计算机控制，做到了运行、故障集中监视，集中 判断、处理，大大提高了设备运行安全性、可靠性。但从技术上看，

22、目前我国虽 已完全掌握了微处理器在电控产品上的应用技术，也已有一些带接口的全数字产 品问世，但反映国际目前水平的智能型低压配电装置和智能控制器，目前还没有 见到，有待进一步努力。 目前国内对低压开关柜的智能控制基本有两种形式: a）传统的非智能型开关柜。在工厂的生产线上(如轧机等 )所需的开关柜 (主 要是马达控制，为风机、水泵、油泵等)供电量比较大。由于生产线是采用自动 控制的，通常把开关柜也纳人生产线自动化控制系统。处理方法是采用PLC 的 I/O 点 (或在开关柜附近设若干PLC 的远程终端站)把各个马达控制回路、配电回 成都理工大学硕士学位论文 4 路的状态和电量参数直接采集到PLC

23、控制机上来处理，PLC 的控制信号也是由I/O 点来实现 7 。 b）智能型开关柜。是在传统的非智能型开关柜中加装状态、电量数据采集 模块而成的。采集模块单元通过通讯网络把数据送往上位计算机处理，并接受上 位计算机的控制命令。这基本上是将a)形式的集中采集监控系统的集散处理变 成为集散控制系统，提高了开关柜和配电系统的性能和可靠性。 近几年来，国内智能型开关柜发展比较快，特别是b)类形式的开关柜越来 越完善，有些厂家也在研制智能型监控器。随着三峡等国民经济重点工程的上马 和电站的发展，随着智能大厦、智能超市的兴起，随着工业化水平和工业自动化 水平的提高，智能型低压配电系统和智能型低压开关柜的需

24、求量日益增加。下个 世纪将是智能化的时代，其需求量必将大增。但目前智能型产品主要是国外各大 电气公司的产品，价值普遍较高(平均每台达十几万元)，而国内目前的智能型产 品还没有达到国际当代水平。要想在大的需求量下有较大的实际应用量，就需要 研制具有国际当代水平的智能型开关柜产品。现在国内许多厂家正在做这方面的 努力，预计在两、三年内就会有新一代的智能型开关柜问世8 。 1.3 配电监控终端设计目标及要求 1.3.1 设计目标 根据配电监测终端在配电自动化系统运行中所担负的任务，以及现场环境、 使用操作的具体要求，本文配变监测终端的主要设计目标是：实时采集配电系统 运行的模拟量和状态量，要求高精度

25、、高准确性；接收中心站查询命令，将最新 测量结果上报主站；能自动检测与识别配变故障，若有异常，立即向中心站发送 告警消息和测量数据，同时，根据中心站命令控制外部开关设备；监测设备自身 具有故障自检及自恢复功能；保证终端工作可靠性，满足电磁兼容性要求。 1.3.2 设计要求 分析了国内外产品的特点以及国内市场需求，吸取和综合它们的优点，克服 其不足的一面，课题研究开发了一种适用于工业低压配电网的智能开关柜监控系 统，完成的主要工作是: 智能配电柜监控终端的硬件设计 该监控单元的微处理器采用INTEL 公司的 87C196KC 芯片，具有强大的数 据和信息处理能力，能对大量的数字信号进行快速的运算

26、。主要的设计工作包括 监控单元原理图的设计，硬件线路板(PCB) 的绘制。监控单元硬件设计采用了标 第 1 章引言 5 准化模块设计方法，整个硬件结构由主要以下几个模块组成:MCU 模块、模拟信 号变换模块，开关量输入/输出模块，按键和液晶显示模块，I/O 扩展模块，实时 时钟模块、通信模块等。这些模块在功能上和电路结构上都相互独立，以便针对 不同的具体要求，进行灵活的配置。 通信模块设计 就 87C196KC 微处理器本身的性能，提出了当前工业现场普遍采用的开放式 PROFIBUS-DP 现场总线的通信模块设计方案，通过通讯芯片SPC3 与微处理器 87C196KC 的建立的从站节点，实现了

27、监控单元与PC 机的双向通信功能，通过 总线系统达到三遥功能。 监控单元的软件设计 软件部分设计的主要任务是用汇编语言和C 语言编写程序以实现预期的功 能，主要包括软件结构设计和软件程序设计。本设计的软件程序部分采用模块化 的设计方法，根据监控单元预期要实现的功能，所设计的系统软件主要由初始化 程序，数据采集程序，通信程序，各种情况记录程序和主程序等部分组成。另外， 还优化了保护算法，以提高故障的判断速度，同时也要兼顾供电系统对控制器可 靠性的要求。 1.3.3 性能参数 终端工作电源 电源电压： 220V(150V 420V)AC ； 电源标称频率：50Hz20%(4060Hz) ； 电源波

28、形：正弦波，谐波含量小于30%； 后备电池电压：9V。 终端计量条件 标称电压： 3380V(三相四线制 ); 测量范围： 0.5V1.9V ； 标称电流： 5A； 标称频率： 50Hz。 测量精度 电压： 0.2 级；电流： 0.2 级； 有功功率： 0.2 级；有功电能：0.2 级； 无功功率： 0.5 级；无功电能:0.5 级； 频率： 0.01Hz；温度： 3%； 时钟走时误差：outp_data_len ；i+) (*(io_byte_ptr)+i)= (*(UBYTESPC3_ PTR_ATTR*)user_output_buffer-ptr)+i)； od=(*(io_byt_e

29、ptr)+1) ； xporta=od； 5.3.3 从站数据发送程序 在输入数据传送前，用户主程序首先要用宏DPS2_GET_DIN_BUF_PTR() 取 得输入缓冲区的指针用宏SPS2_INPUT_UPDATEO用户可以重复地将输入数据 从用户端传送到SPC 协议芯片，并取得可用的输入缓冲区指针，用户接收新的 输入数据。输入数据中并不包括输入数据的长度，但输入数据必须和 DPS2_SET_IO_DATA_LEN()定义的长度一致。处理输入数据，并将输入数据从 外设写入 SPC3 缓冲区的程序代码如下： od=xporta；/*取得外部数据*/ (*(io_byte_ptr)+1)=od；

30、 for (i=0 ；iinp_data_len ；i+) *(UBYTE SPC3 PTR ATTR*) user_input_buffer_ptr)+i)= *(io_byte_ptr) + i) ；/*将输入数据写到SPC3 缓冲区 */ User_input_buffer_ptr=DPS2_INPUT_UPDATE()；/*取得下次输入数据的缓冲 区指针 */ 5.3.4 SPC3 中断处理程序 在 PFOFIBUS-DP 中主要有以下的中断事件：新的参数报文事件，全局控制 命令报文事件，进入或退出数据交换状态事件，新的配置报文事件，新的地址设 置报文事件，检测到波特率事件，看门狗事件

31、。本文采用中断方式处理从站地址 设定，检查组态和参数报文是否正确。 第 5 章监控终端软件设计 49 因为 SPC3外部只有一个中断信号输出(INTO) ，所有这些中断事件中断信号 输出都从这个外部中断输出，中断控制器包括一个中断请求寄存器(IRR) 、一个 中断屏蔽寄存器(IMR) 、一个中断寄存器(IR) 和一个中断应答寄存器(IAR) 。每一 个中断事件都存储的寄存器IRR 中，只有没有被IMR 屏蔽的中断信号才能到达 IR 中，并产生外部中断34。SPC3中断流程图如图5-5 所示： 图 5-5 SPC3 中断程序流程图 5.4 本章小结 本章首先提出了软件采用模块化编排的主题思路及实

32、现方法，软件系统主要 由两部分构成，监控终端测量单元软件设计和监控终端通讯单元软件设计。本文 以软件流程图的形式详细介绍了各单元软件的工作原理，监控终端测量单元软件 设计包括：主程序软件、交流采样子程序、按键显示子程序；通讯单元软件设计 包括： SPC3 初始化程序、从站数据接及从发送程序、SPC3中断处理程序。 成都理工大学硕士学位论文 50 结论 通过广泛的市场调研和对配变监测终端工作原理以及设计方案的探索，结合 配电自动化系统的特点和国内外配变监控应用现状，针对我国配变监控终端的设 计要求，成功地研制出智能低压配电监控终端，该终端实现了配变监测数据的采 集、处理以及多种方式的数据传输等功

33、能。 本论文主要完成的工作与成果如下： 1、面对我国低压配电行业的应用现状，系统地分析了低压配电系统智能化 改造的可行性和必要性，目前我国大部分地区低压行业还处于传统机械式的操作 方式，随着信息产业的加快发展，目前市场上出现的智能化断路器、接触器及其 他智能化工控仪表、智能化保护装置正在快速的取代传统低压配电元件，这就给 我们创造了非常有利的契机，再结合国际上现场总线技术，可以从根本上解决我 国这种效率低下、可靠性低、管理不规范的低压配电系统。 2、设计出本系统基于现场总线技术的通讯监控终端方案，该系统主要分为 两部分：一部分中央控制芯片与现场总线控制芯片组成的从站通讯单元，完成对 上工控终端

34、数据的接收与发送；第二部分以中央控制芯片为中心，设计出对现场 低压配各项电参量做出监测功能的硬件单元。 3、对各功能单元硬件做详细系统的介绍，并对其中所涉及到的元件作出针 对性的比较，达到预期硬件的设计要求。 4、对系统软件提出了模块化设计思路，并对各项功能以流程图的形式做了 详尽的说明，这样可以直观易懂的形式便于了解系统软件的工作过程，可减轻日 后系统软件的修改与调试带来的过重的作业负担。 设计展望 1、新材料和新技术的应用，将促进低压配电系统的智能化程度大幅度提高， 并催生新型低压电器元件。这些新型低压电器元件将是电力电子技术结合开关电 器技术的产品，必将促进低压开关柜智能化。低压开关柜的

35、智能化促进低压电器 元件的发展，低压电器元件的智能化的结果将进一步促进低压开关柜的发展。这 样的良性互动，在未来10 年中，将促使低压开关柜的智能化率超过70%。 随着低压开关柜智能化，采用新材料和新技术而低压电器小型化，低压开关 柜的体积有望缩小40%。即现有尺寸的柜体内，可容纳二倍或更多的出线回路。 2、低压电器元件的技术创新造就低压配电系统的配电单元的功能化及模块 化；计算机及其网络技术的进步造就了低压配电系统组合化、安装现场化、网络 无线通讯化低压配电系统组建更容易、改造更简便。 3、低压配电系统的智能化促进低压配电单元的标准化、功能化、通用化及 模块化。新一代智能型功能模块单元的智能

36、化程度更高，功能更强大，技术性能 结论 51 指标更好。 4、现场总线技术的应用，智能型低压配电单元进一步深入工业现场，布置 趋于分散，控制趋于集中。低压配电系统实施智能化更容易，控制系统人机界面 功能更加友好。 成都理工大学硕士学位论文 52 致谢 光阴似箭，三年的成都理工大学研究生生活就要结束了。在此论文完成之际， 首先向所有在我攻读硕士期间给予我关心、支持和帮助的老师、家人、同学和朋 友们表示深深的感谢。 首先感谢我的导师吴建平教授三年来对我的关心和指导。在学术研究上，吴 老师引导我不断创新；在科研项目中，她锻炼我们的动手能力，培养我团队协作 的精神；在学习和工作上，吴老师给予我极大的关

37、心和帮助；吴老师严谨的治学 态度，认真负责的工作作风，独特的人格魅力都是我学习的榜样，将使我终身受 益。本论文是在吴老师的细心指导下完成的，在此，谨向吴老师致以崇高的敬意 和衷心的感谢 !另外，感谢方方院长，杨健老师，刘念聪老师，庄阿龙老师对我 三年工作和学习的帮助。 感谢同学们对我学习和生活的关心，他们是宋锋、刘海峰、胡秋敏、狄旭明 等同学的帮助，和你们相处的三年是快乐、融洽的，让我终身难以忘记。 最后，要感谢我的家人和朋友对我学习的理解和支持及生活上无微不至的关 怀和鼓励。 再次感谢所有帮助和关心我的人！ 李勇 于理工大学水上图书馆 参考文献 53 参考文献 1 陈德贵 .低压电器及其成套

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