智能配电柜检测系统研究报告.docx

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智能配电柜检测系统研究报告

智能配电柜检测系统

可行性研究报告

编写日期：

2013年12月

一、技术领域及研发必要性分析

1.1技术相关

技术名称：

智能配电柜检测系统

持有人：

1.2智能配电柜检测系统的发展现状

智能配电柜监测系统诞生于西方发达国家。

大约于20世纪70年代开始，发达国家就已经展开了配电网自动监测的试点工作，相应的监控终端也从早期的单一化、简单化的通信方式发展到现在的智能化、小型化、多功能化的通信方式。

随着微电子技术、计算机技术、电力电子技术、抗干扰技术等新技术的迅速发展，电力自动化技术得到了空前发展。

各大公司积极开展有关智能配电柜监控方面的研究，开始把相关技术应用于配电柜系统，也就是所谓的把强电测控与计算机技术、微电子技术、网络通讯等技术相结合，从而诞生了智能配电柜及相关产品，例如德国西门子公司SIVACON系列，英国阿尔斯通公司GALAXIS和TRIMUNE系列，瑞典ABB公司HONOR系列等。

但是，国外产品也有着不可避免的缺陷，由于其面板操作较复杂，技术实现上各国之间有所差异，加之价格昂贵且可配置性差，其产品并不能完全适合我国现阶段配电系统的需求。

国内智能配电柜监测系统的开发起步于20世纪90年代，伴随着我国国民经济的飞速发展，国家的基本设施建设有如雨后春笋一般，大型数据中心和企业机房、大型公共设施、高层智能建筑、重点项目建设、大面积多变电所用户的急剧增加，使得与之配套的配电设备监测技术的需求变得十分迫切，国家也对配电系统的安全性、可靠性、易用性、实时性、兼容性以及缩小故障影响范围等方面提出了更高的要求。

同时通信技术和计算机技术的发展，也使得配电系统的自动化成为相关技术发展的必然趋势，国内诸多企业和科研单位纷纷投入大量的人力物力来研制和开发各种类型的配电柜监测系统，来满足电力行业飞速发展的需求。

经过近二十年的发展.国内的智能配电柜监测系统研究得到了长足的发展，但与欧、美、日韩等发达国家相比，仍然存有较大差距。

1.3技术必要性分析

智能配电柜在现有开关柜的基础上，与新型的智能监测单元（高精度传感器、通断控制器等）进行组合，通过智能配电监测系统的网络通讯接口与系统的上位机以及中央控制室的计算机系统通讯，可以实现对各供配电回路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波含量、电度量等电气参数进行实时监测以及对断路器的分合状态、故障信息，配电柜内温度状态等进行监视，并对故障信息进行记录，配合各种完善的远程监控软件，从而实现对配电系统的“四遥”：

（1）遥测：

通过测控单元实时对系统进行电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波含量、频率、电度量等进行不断地采集、分析、处理、记录，显示曲线、棒图，自动生成报表。

（2）遥信：

可以实时对开关的开合状态、保护动作等开关量进行监视，上位机实时显示和自动报警，并对柜内各开关的状态、过流、事故跳闸、温度等动作进行实时记录、打印。

（3）遥控：

通过上位机屏幕选择相应的开关号、合闸分闸等信息，在屏幕上将要选择的开关状态反馈回来，确认后执行，对开关号和操作的时间、类型等进行实时记录。

（4）遥调：

根据电力用户的不同要求，设定各种运行参数，既上位机根据屏幕操作指令或上位机根据对系统分析判断结果，对运行参数的设定值和故障保护值进行远程设置。

二、内容与可行性分析

2.1智能配电柜监测系统的整体方案

智能配电柜主要包括配电系统、监测系统、风扇散热系统和声光报警系统等。

配电系统主要负责完成电源隔离以及主回路的电源分配：

监测系统完成对配电系统的实时监测，人机交互，开关量I/O等任务；风扇散热系统和声光报警系统主要负责配电柜内的温度调节和故障告警等任务。

智能配电柜采用标准的机柜兼模块化结构设计，融入了系统数据采集、实时监控、系统防雷、电网隔离、电源的选样与判断等，真正地做到了与机房环境相匹配。

这使得非电气工程师在使用和维护时，也能够容易地操作配电系统。

智能配电柜的使用，使得机房配电系统在可靠性、安全性、快速性、实时性等方面得到了质的改变.

2.1.1智能配电柜配电系统

智能配电柜采用最新安装工艺.机柜外形与机房内的设备机柜保持致性，前后网孔门设计.通风性更好，整体布局合理，结构紧凑。

智能配电柜柜体设计如图1-1所示.

图1-1智能配电柜柜体设计图

智能配电柜配电系统主要包括三相四线制电源输入、隔离变压器、主回路一次CT互感器、漏电保护装置、进线负荷开关、进线断路器、变压器温度监测装置、避雷器、支路电源输出等部分，其中漏电保护装置、进线断路器、变压器温度监测装置、避雷器等部分同时作为监测系统的外设，与控制器进行实时通讯，以实现对智配电柜的故障监测和故障告警等功能。

智能配电柜配电系统电气原理图如图1-2所示。

图1-2智能配电柜配电系统电气原理图

2.1.2智能配电柜检测系统的设计方案

2.1.2.1智能配电柜检测系统的整体结构

智能配电柜检测系统的总体结构见图1-3。

系统主要包括控制器、通断控制器、触摸显示屏、主路PT互感器、主路CT互感器、支路CT互感器等部分。

其中主路PT互感器、主路CT互感器、支路CT互感器负责电能质量参数的采集，通过数据线与控制器相连；触摸屏、通断状态控制器和漏电保护装置通过RS-485总线与控制器进行实时通讯，分别完成系统的人机交互、支路开关状态监测和配电柜主回路漏电状态监测；控制器预留6路开关量开入，4路开关量开出，温度监测装置、避雷器和进线负荷开关、断路器状态通过开关状态的开入完成对配电柜内隔离变压器温度、避雷器以及进线负荷斤关、断路器状态的监测；风扇散热系统和声光报警系统属于智能配电柜的服务设备，由控制器的开出量控制，要完成配电柜的散热和危险状态报警等功能。

图1-3系统总体结构图

（1）互感器：

包括主路PT互感器、主路CT互感器和支路CT互器，通过数据线与控制器相连。

互感器是智能配电柜检测系统的第一级电路，负贵将主回路电压、电流信号，支路电流信号转换为低电压信号。

由于从互感器出来的低压信号中混杂了一些噪声，为了保证测量精度和控制器的安全，在后级电路中，通过信号调理电路进行相关处理，以满足A/D转换的要求。

（2）控制器：

控制器采用以DSP为核心的电路设计，主要负责完成模拟信号调理，信号的A/D转换，数据采集计算，开关量的开入开出，状态量监测以及通信等功能。

（3）通断状态控制器：

通断状态控制器与智能配电柜各支路断路器下口相连，通过对支路断路器下口的电压测量，完成对各支路断路器开关状态的监测。

通断状态控制器通过内置电压PT互感器将各支路电压转换为低压信号，经过信号调理电路进行相关处理，通过RS-485总线与控制器通讯。

（4）触摸屏：

本系统采用触摸屏作为上位机实现人机交互功能。

触摸屏通过RS-485接口与控制器进行通信，用于实现配电柜主回路、各个支路电能质量监测，主回路和支路故障告警，告警阀值设置，日志记录等功能。

2.1.2.2智能配电柜检测系统的装配

以50支路标准智能配电柜为例，智能配电柜检测系统的整体装配图如图1-4所示。

图1-4智能配电柜检测系统整体装配图

由于系统的控制器只有48路模拟信号通道。

其中主回路电压电流为8路信号，所以采用两个控制器对智能配电柜内电气参数进行监测，同样采用两个通断控制器同时监测各个支路的开关状态。

2.1.3智能配电柜检测系统的主要功能和技术指标

本课题所设计的智能配电柜检测系统作为智能配电柜的核心组成部分，是智能配电柜实现智能化监测和控制的人机交互系统，首先要实现对现场的电能质量参数进行实时采集，然后要对采集数据进行快速处理，最后还要对处理参数进行统计和储存，同时要完成人机交互和故障报警等多个任务。

这就要求所设计的系统不仅具有高速的处理能力，还要具备实时任务调度能力。

智能配电监测主要实现功能如下：

（1）主回路电能质量参数监测：

三相电压有效位、三相电流有效值、频率值、三相电压不平衡度、电流不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、谐波含量、负载百分比，电度量等；

（2）支路电能质量参数监测：

电压有效值、电流有效值、负载百分比、电度量、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、谐波功率、谐波含量、断路器开关状态等：

（3）其他监控功能：

可以实现避雷器、漏电保护装置、温度监测单元等的状态监测。

（4）异常告警和风扇控制功能：

出现故障和不正常状态时通过触摸屏和声光报警装置通知用户，包括欠压、过压、过流、过载、缺相、避雷器状态、漏电等，当变压器温度过高，系统动启动散热风扇；

（5）阀值设置功能：

可以根椐用户的不同要求通过触摸屏对各个报警参数的触发阀值进行修改设置；

（6）故障记录存储功能：

系统可以按时间对每次故障进行录；

（7）数据显示和人机交互功能：

通过触摸屏实现数据的实时显示与人机交互。

报据系统的性能要求和设计思想，参考了部分国内外相关产品的性能指标。

同时依据国家或国际的相关标准起草了智能配电柜检测系统的技术指标，如下所示：

（1）频率监测范围：

45~55HZ，精度：

0.1HZ；

（2）电压监测范围：

0~400V，精度：

1.0%；

（3）电流监测精度：

1.0%；

（4）相位监测范围：

0~360度，精度：

1.0%；

（5）基波监测精度：

基波电压1.0%，基波电流1.0%；

（6）谐波监测次数：

1~64次；

（7）谐波含量监测精度：

谐波电压含量1.0%，谐波电流含量1.0%；

（8）电压不平衡监测精度：

1.0%

（9）电流不平衡度监测精度：

1.0%：

（10）工作温度：

规定的工作环境温度范围：

-40℃~+85℃。

2.2智能配电柜监测系统的硬件设计

2.2.1系统的硬件设计原则

智能配电柜检测系统是智能配电柜的核心组成部分，在实现配电柜电气参数监测和故障监测等方面发挥着重要作用。

智能配电柜检测系统要为用户正常运行至少20年，这就需要控制器内各个部件都具有良好的品质。

因此在元器件选择时要遵从以下几点原则：

（1）所选元器件必须是工业级的，正常工作温度-40℃~80℃、相对湿度40%~90%、大气压：

70kPa~106kPa，贮存运输温度-40℃~125℃、相对湿度10%~95%、大气压70kPa~106kPa。

（2）所选元器件在相关领域应用较为广泛，有良好的口碑。

（3）所选元器件的厂家具有完善的售后服务和技术支持，具有协助开发人员分析问题和解决问题的能力。

（4）所选元器件具有较短的供货周期和畅通的供货渠道。

2.2.2系统的硬件设计方案

系统的硬件主要包括互感器电路和控制器，互感器电路和控制器通过排线连接在一起。

互感器电路将电压和电流信号转换为满足AD输入的小电压信号；控制器完成模拟信号调理，模数转换，信号采集、计算，开关量控制，状态量监测以及通讯等功能。

互感器电路包括互感器电路和CT互感器电路。

控制器硬件电路可以分为六大模块：

信号采集模块、DSP数据处理模块、SPIFLASH存储模块、I/O模块、通讯模块和电源模块。

系统的硬件设计方案如图2-1所示。

图2-1系统硬件设计方案

整个系统的工作原理为：

一次系统分为主回路和支路，其中主回路三相四线电压、三相四线电流和各个支路电流分别通过主路PT互感器、主路CT互感器和支路CT互感器的隔离缩放后，进入控制器的模拟信号调理电路，之后由8个A/D采样芯片AD7606进行采样，将输入的模拟信号转换成数字信号，送入DSP进行数据计算、阀值比对和数据存储，DSP同时完成开关量的开入开出，以及通过RS-485与系统其它部分通讯。

SPIFLASH存储[器用于存储DSP程序、固定的数据表格和固定参数。

2.2.3互感器电路

智能配电柜检测系统控制器的输入信号取自电压互感器和电流互感器，互感器作为系统的第一级电路，负责将一次系统的电压电流信号转换为低电压的模拟信号。

电压电流互感器分别用PT和CT来实现，将配电柜内主回路和各支路电压电流信号都转为低压信号，在后级电路中，通过信号调理电路进行相关处理，然后送节数字信号处理板。

智能配电柜的输入端为三相四线制电源，主路+电压和支路电压通常在220V左右，规定配电柜各支路的额定电流为35A，同时智能配电柜检测系统可以检测到64次谐波，需要检测信号的最高频率为3.2KHZ，为了保证测量精度、互感器的工作频率必须大于3.2KHZ。

2.2.3.1电压互感器

根据输入信号的特点和参数测量的要求，PT互感器基本电气参数如表2-1所示.

表2-1HKPT2652D-300V/4.5V型电压互感器性能参数

在隔离条件下，HKPT2652D-300V/4.5V型电压互感器具有体积小、精度高、相应快、工作范围宽、电路简单可靠等优点，能够测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电压，通过感应原边的电压产生副边电压，其原理图如图2-2所示。

图2-2HKPT2652D-300V/4.5V型电压互感器原理图

2.2.3.2电流互感器

根据输入信号的特点和参数测量的要求，CT互感器采用HKCT2122B-35A/4.5V型精密电流互感器，基本电气参数如表2-2所示。

表2-2HKCT2122B-35A/4.5V型电流互感器性能参数

电流互感器HKCT2122B-35A/4.5V采用高隔离耐冲击全树脂密封。

该互感器是电流电压转换器，能够测量交流、直流、脉冲以及各种不规则波形的电流，通过感应原边的电流产生副边电压，其原理图如图2-3所示。

图2-3HKCT2122B-35A/4.5V型电流互感器原理图

2.2.4控制器硬件电路设计

2.2.4.1控制器电源

系统控制器采用±24V直流电源供电，经过模块电源转化为控制器硬件电路工作所需的±12V和5V电压。

电源模块电路设计如图2-4所示。

图2-4电源模块电路设计

控制器硬件全部采用DC/DC隔离电源校块，并在输入输出加滤波电路，这样排除了电源共地引起的各种复杂干扰，有效地抑制了浪涌、高频振荡噪声等。

2.2.4.2信号采集电路

（1）信号调理电路

PT、CT互感器的输出信号为双极性交流模拟信号，而A/D较换要求输入的信号为单极性信号，并且输入的模拟信号通常变化幅度较大，稳定性不足，信号的量级也不一致，通常不是ADC芯片所要求的范围。

因此，必须在AD采样电路之前增加信号调理电路。

信号调理电路主要包括差分放大电路、低通滤波电路和箝位电路，其中差分放大电路左要完成对模拟信号的调理，增加信号的稳定性；低通滤波电路的主要作用是滤掉信号的高频部分；箝位电路的主要作用是把信号控制在安全的范围之内。

系统控制器信号调理电路如图2-5所示。

图2-5信号调理电路

电压和电流信号调理电路的结构相似：

输入信号接入转换器，之后经过运算放大器进行阴极跟随，再经过RC低通滤波器，滤波后的信号就是输入AD芯片的信号。

同时为了最大限度地保护后级电路，在所有变换器的信号输出端都设置由两个同向整流二极管构成的箝位电路，将信号调理电路的输出电压信号控制在±12V的安全范围之内。

（2）A/D采用电路

模数转换模块采用ADC芯片AD7606，AD7606系列器件采用单5V供电，每通道的采样率能达到200kS/s.单芯片内集成多个通道可支持变电站自动化设备中三相电流、电压和零线的测量。

同步采样功能允许保留相位信息，同时可以在较宽的动态范围内，对双极性电压和电流进行采样，该系列内置低噪声、高阻抗输入和信号调整放大器，可处理最高22kHz的输入频率。

AD7606的信噪比（SNR）高达90dB，选用片内数字滤波器可以进一少改奔-SNR性能、缩小误码、扩频并提高抗混叠抑制。

转换过程与数据采集利用CONVST信号和内部振荡器进行控制。

通过两个CONVST引脚，可以对所有8路模拟输入或者两组模拟输入通道（4路模拟输入构成一组）同时进行采样，以兼顾变压器之间的相位差。

AD7606的功能框图如图2-6所示。

图2-6AD7606功能框图

AD7606电路设计如图2-7所示。

双极性模拟电压信号经信号调理电路处理之后，变为单极性电压信号，经V1~V8通道送入ADC芯片，AD7606对8路信号；进行6.4KHZ的同步采集，AD7606将模拟信号转换为数字信号之后，经过DC/DC电平转换电路（如图2-8）之后送往ADSP-21479进行数据计算。

图2-7AD7606采样电路设计

图2-8SN74LVCC4245电平转换电路设计

2.2.4.3ADSP-21479模块

基于数字信号处理芯片（DSP）开发的电能质量监测设备，具有抗干扰能力强、速度快、精度高、耗电低、功能强大、免维护、体积小等优点，成为电能质量监测系统的首选。

DSP芯片在硬件上需要完成的主要功能包括：

数字信号的采集，I/O控制，数据的存储，RS-485通讯等，具体包括AD7606的连接单元、通讯连接单元、I/O电路模块、电平转换连接电路、时钟电路和FLASH电路等。

DSP芯片在软件算法上主要完成的功能包括基本电气参数的采集计算和通讯等，其中接本电气参数的采集计算包括电压、电流有效值的计算，信号频率的计算，谐波含量及谐波功率的计算，电度量、有功功率、无功功率、视在功率及功率因数的计算，三相不平衡度的计算等。

其中最重要的是要完成数据处理，耗时比较多的是FFT算法，本系统通过128点的定点采样，然后经DSP进行1024点的FFT运算。

控制器DSP芯片的选择.必须在智能配电柜检测系统实际监测满求的前提下，结合DSP芯片的运算速度、计算精度、片上存储器的大小、I/O接口性能、编译器和实时操作系统、片上可编程时钟等指标，综合考虑。

综合上述各方面情况，本系统选用ADSP-21479作为系统控制器的主CPU。

ADSP-21479是ADI推出的第四代低成本32位浮点SHARCDSP，是目前国际市场较为先进且功能强大的32位定点DSP芯片。

ADSP-21479既具有较强的数字信号处理能力又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特别别适用于大量数据处理的测控场合，如工业自动化控制和电力电子技术应用视场等。

ADSP-21479功能框图如图2-9所示。

图2-9ADSP-21479功能框图

ADSP-21479可提供改进的性能、基于硬件的滤波器加速器、面向音频与应用的外设以及能够支持单芯片解决方案的新型存储器配置。

所有器件都彼此引脚兼容，而且与以往的所有SHARC处理器代码完全兼容。

这些最新的第四代SHARC处理器系列产品都基于单指令多数据（SIMD）内核，该内核支持32位记点和32/40位浮点算法格式。

ADSP-21479具有极低功耗和266MHz的主频，并采用BGA和LQFP封装。

除了高内核性能之外，ADSP-21479还包括其它处理模块，如FIR、IIR与FFT加速器，以提高系统的整体性能。

此外，具有称为可变指令集架构（VISA）的新特性，可将代码规模缩小20%至30%，并提高存储器容量可用性。

ADSP-21479提供到16位宽SDRSDRAM的无缝接口，能够连接到外部存储器。

ADSP-21479对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式：

内核采用1.2V供电，I/O和Flash编程采用3.3V供电。

采用以上的供电方式，可以减小DSP的功耗ADSP-21479的电源设计电路如图2-10所示。

图2-10ADSP-21479电源设计电路

2.2.4.4RS-485通讯模块

RS-485总线通讯模式由于具有结构简单、价格低廉、通讯距离长和数据传输速率适当等特点，而波广泛应用于仪器仪灰、智能化传感器集散控制、监控报警等领域。

系统控制器所采用ADM2582E芯片最多可允许256个收发节点接入总线，隔离电压为2500V，具有输入/输出引脚上提供±15kVESD保护功能以及大于25kV/μs高共膜瞬态抑制能力。

ADM2582E包含一个集成式隔离DC/DC电源，不再需要外部隔离电源模块，是带隔离的增强型RS-485收发器，可配置成半双工或全双工模式，通信速率分别为l6Mbps/500kbps，适合用于多点传输线路上的高速通信应用。

它采用ADI公司的isoPowerTM技术，在单个封装内集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器、一个差分输入接收机和一个isoPowerTMDC/DC转换器，其内部结构框图如图2-11所示，该器件采用3.3V单电源供电，从而实现了完全隔离的RS-485解决方案。

ADM2582E驱动器带有一个商电平有效使能电路.并且还提供一个高电平接收机有效禁用电路.可使接收机输出进入高阻抗状态。

图2-11ADM2582E功能内部框图

智能配电检测系统控制器通过RS-485通讯接口与触摸屏、通断控制器、漏电保护装置等实现通讯。

系统控制器设置有两个并列的RS-485通讯接口，电路设计如图2-12所示。

图2-12RS-485通讯接口电路设计

2.2.4.5DI/DO模块

（1）DI模块

智能配电柜检测系统需要对智能配电柜的变压器温度和避雷器状态实施监测，变压器温度监测装置与避雷器通过系统通过两对24V干接点与控制器相连接，经DI模块接入DSP系统内部。

系统的DI模块电路设计如图2-13所示，在24V开关信号输入端都设置由两个同向整流二.极管构成的箝位电路，将开入开关信号控制在0~24V的安全范围之内。

信号经过稳压二极管之后将光隅TLP127点亮，光耦后级电路导通，开入开关信号转换为5V电压。

5V电压经电平转换芯片SN74LVCC4245转换为3.3V电压进入DSP芯片，电路设计如图2-14所示。

图2-13DI模块电路设计

图2-14SN74LVCC4245

（2）DO模块

智能配电柜检测系统需要控制智能配电柜中的散热风扇和声光报警装置，然而散热风扇和声光报警装置均为220V等级的用电设备，因此需要接中间继电器。

系统控制器通过DO模块，利用24V继电器达到控制强电电路的目的。

系统的DO模块电路设计如图2-15所示，DSP给出控制信号首先经过电平转换电路（如图2-16）变为5V电压输出，经过与非门逻辑电路之后将光耦TLP127点亮，光耦后级继电器电路导通.完成对外部强电电路的控制。

图2-15DO模块电路设计

图2-16SN74LVCC4245电平转换电路设计

2.3智能配电柜监测系统的软件设计

智能配电柜检测系统的软件系统主要包括控制器软件系统和上位机人机界面两部分组成。

主控器软件为基于DSP的嵌入式软件开发，主要完成数据采集、数据计算、I/O等任务；上位机软件是基于EV5000组态软件的触摸屏人机界面开发，主要实现数据显示、故障报警、故障记录、参数设置等功能。

2.3.1控制器软件设计与开发

2.3.1.1VisualDSP++开发环境

VisualDSP++是ADI公司针对ADI公司的DSP器件而专门开发的一种使用方便的开发平台，它支持ADI公司所有系列的DSP处理器，包括Blackfin系列和ADSP-21XX系列定点处理器、SHARC系列和TigerSHARC系列的浮点处理器的各种型号处理器。

VisualDSP++通过图形窗的方式与用户进行信息交换，采用直观的、易于使用的用户界面，针对处理器进行操作；集成了集成的开发环境（IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE）和调试器（Debugger），提供了更强大的程序开发和调试功能；具有灵活的管理体系，为处理器应用程序和项目的开发提供了一整套工具；包含了生成和管理处理器项目必须的所有工具。

VisualDSP++开发坏境如图3-1所示。

2.3.1.2软件设计原则

智能配电柜检测系统的软件采用模块化的设计方法，本系统的主要功能是实现对智能配电柜内各个电气参数的实时采集与计算，因此软件在设计上要遵循以下原则：