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摘要：为适应配电柜设施数字化转型，数字化抽屉柜是低压配电柜的基本单元。本文研究以抽屉柜电气设计为基础，以Modbus串行通信标准，增加抽屉柜数字化和柜体环境监测功能，结合电气和数字化两部分设备，按照标准规范进行柜体内部结构化设计，实现标准化抽屉柜模块化设计，最后制作数字化抽屉柜样机，测试远方就地电气化和数字化功能，验证本设计的可行性与合理性，为电力系统的智能化升级提供了新方案。

关键词：数字化；结构化设计；模块化；智能监测

Abstract：In order to adapt to the digital transformation of the distribution cabinet facilities， the digital drawer cabinet is the basic unit of the low-voltage distribution cabinet. This paper’s research is based on the electrical design of the drawer cabinet. By adopting the Modbus serial communication standard， the functions of digitalization of the drawer cabinet and environmental monitoring of the cabinet body are added. By combining the electrical and digital equipment， the internal structural design of the cabinet body is carried out in accordance with the standard specifications， and the modular design of the standardized drawer cabinet is realized. Finally， a prototype of the digital drawer cabinet is manufactured， and the remote and local electrification and digital functions are tested to verify the feasibility and rationality of this design， providing a new solution for the intelligent upgrading of the power system.

Keywords： Digitalization; Structured design; Modularit; Intelligent monitoring

0 引言

全球积极向低碳经济转型，可持续发展战略稳步且深入推进的大背景下，“双碳” 目标的提出，以及物联网技术、信息化技术和大数据分析技术的蓬勃发展，能源系统的绿色化与智能化协同发展已成为国际社会共同聚焦的核心议题。随着 “双碳” 战略在各个领域的全面铺开，企业对于配电系统的能效管理、故障智能诊断以及新能源协同控制等方面的需求持续攀升，这无疑对传统配电系统的智能化升级改造提出了更为严苛的要求。然而，当前传统配电系统的固有缺陷愈发凸显，传统配电系统普遍面临着架构封闭、扩展能力欠佳等技术难题，这些瓶颈严重阻碍了智能电网的建设步伐。而且，传统配电系统依赖频繁的定点人工巡检维护，这种运维模式以及相关设施存在着维护成本高昂、效率低下[1]，并且在进行数字化改造时，面临风险大、周期长等问题。如何突破传统架构束缚、满足新型配电需求，基于此，本文提出一种”单元预制化+局部数字化”的模块化数字配电单元解决方案。

1.模块化

模块化是一种将复杂系统拆分为多个独立、可复用、功能明确的模块[2]，并通过模块间的协作实现整体功能的设计思想。在需求多变、技术迭代快的当下，凭借灵活重组和快速响应彰显优势。因此我们将复杂的抽屉柜分解为独立、可互换的功能模块，实现具有数字通信与控制功能、可灵活增加和更换的模块化抽屉柜。本文中的配柜通过传感器技术、数据采集技术、智能监控与分析技术收集的数据做可视化处理，助力配电柜智能化管理，达成局部数字化。不仅实现对电量参数的实时精准监测，以此确保用电的质量与安全，同时达成配电数据全生命周期的有效管理。通过对配电柜电气化模块和数字化模块进行分层安装的创新设计，切实解决了配电柜维护成本高、效率低的痛点。此外，经过实物设计以及实验验证，充分证明了该方案的可行性[3]。​

2.电气化设计

2.1电气化设计功能

为了适应复杂场景需求，我们将电气设计功能进行解耦，分为执行模块和测量模块。将强电和弱电分离，当需要进行弱电维护时不影响强电的就地分合闸，以此让维护更加便捷，实现远程分合闸、自动重合闸、三相电能计量功能，推动技术进步，提升产品质量和可靠性，促进可持续发展减少电子垃圾的产生，从而响应国家政策。

2.1.1执行模块

执行模块由电动操作机构作为执行元件，由中间继电器、转换开关、分合闸按钮组成控制回路，主要功能是实现就地/远程分合闸、自动重合闸。其中，电操机构实现远方分合闸是一个多部件协同工作的过程。

（1）将转换开关打到远方档位，PC软件端通过串口服务器向860K模块下发分合闸命令，控制电路接收并处理远方信号，使电操机构动作以实现分合闸动作，完成远方分合闸操作。

（2）将转换开关打到就地档位，通过按钮给到电操机构动作信号便可以完成就地分合闸操作;此外还可以利用手柄通过连杆连接到电操机构的断路器上，通过旋转手柄即可以进行机械式的分合闸操作。

自动重合闸功能在故障发生时，通过远方PC端的软件平台对串口服务器下达指令，使断路器跳闸，保护各线路元件。从稳定供电的角度来看，自动重合针对瞬时性故障快速恢复供电，显著提高供电可靠性，减少对用户的影响。同时，通过及时恢复电力传输，有助于维持系统功率平衡与电压稳定，提升系统稳定性。自动重合闸还能纠正断路器的误动作，避免不必要的停电。从经济效益角度看，它降低了停电带来的损失，延长了设备使用寿命，对电力系统的高效运行和经济发展具有积极的促进作用。

2.1.2测量模块

测量模块主要功能在实现三相电能计量上，进行数据预处理，为后续的数据分析与故障诊断提供数据基础。在温度测量上则通过无线测量系统对该设备温度的检测与收集，将数据传输至无线接收终端。

3.数字化设计

在数字化抽屉柜中，通信单元是实现数据传输和信息交互的关键部分，按照设备层、通信层和平台层设计，如表1。该单元主要负责将配电系统中的各种传感器、执行器等设备与中央控制中心或其他设备连接起来，确保数据的实时传输和指令的有效执行。

在电柜的数字化设计上，利用 Modbus RTU协议简单易用、兼容性强、应用广泛可靠性高以及实时性好等优势，配合串口服务器的协议转换功能接着我们在PC端通过网线与608 串口服务器连接，使PC端可以与分散的串行设备进行数据交换，通过与中间继电器的连接，实现了弱电控制强电的功能。

为实现可视化，主设备收到数据后，通过数据处理软件，把串口服务器收集上传的数据得到更清晰地展示和充分地利用以及降低CPU负载，本配电柜还充分利用了电量仪的计算功能，将预处理好的数据上传至PC端整理绘制为谐波图表，实现本地数据可视化，提高监测和维护效率。电量仪将整理好的数据传输到串口服务器，并通过TCP协议对接工业物联网平台，传输相关数据至云端并对其进行加密保存，实现云端协同，保障云端数据存储的安全性和可靠性，并方便后续与其他系统集成，实现信息共享与协同工作。以上设计确保了通信单元在智能配电系统中的高效、稳定运行。通过合理的硬件配置和安全措施，可以有效提升整个配电系统的智能化水平和运行效率

3.1通信层设计

在整个系统架构中，电量仪承担着关键的数据采集任务。电量仪采集诸如电流、电压等重要参数后，需要将这些数据准确无误地传输至 PC 端，以便上层平台进行进一步分析和处理。在这一过程中，串口服务器发挥了至关重要的桥梁作用[4]。电量仪通过串口服务器，以 TCP/IP 协议作为数据传输的纽带，将采集到的电流、电压等参数有条不紊地传输至 PC 端。

在此数据传输路径中，底层设备（即电量仪）所产生的数据格式与上层平台能够识别的数据格式往往存在差异。而串口服务器不仅仅负责数据的物理传输，更为关键的是，它实现了底层设备与上层平台间的数据格式转换与协议适配。这种转换与适配机制，确保了电量仪采集的数据能够以一种上层平台可理解和处理的形式进行交互，从而保障了整个系统的数据流畅性与兼容性，使上层平台能够基于这些准确的数据开展各种业务逻辑与数据分析工作。

3.2平台层设计

PC端基于电量仪数据评估电气健康状态，通过设置动态调整断路器分合闸阈值，对负载状态进行预测，并做出故障诊断并报警提醒[5]。结合860K监测信号，通过软件实时同步断路器分合闸状态与实物状态，实现虚拟信号与物理设备的交互同步[6]。

4.结构化设计

为了更有效地达成电气、结构与数字化的三维融合，在配电柜结构设计方面展开了如下考量：一是外壳与内部结构设计；二是散热及调整设计；三是限位设计；四是柜体设计。同时，针对当前已投入使用的配电柜开展了调研工作。

经调研发现，现已投入使用的配电柜仍存在一些缺点：已投入使用的配电柜因体积大、数量多，空间局限性大，大量占地，后续加装数字化柜体等改造易导致空间不足，影响日常维护巡检。 此外，其内部结构较为固定，内部空间模数是固定的，在不改变柜体结构的前提下，很难加装数字化模块，这对配电柜的数字化升级改造极为不利。基于上述情况，我们对已投入使用的配电柜的优缺点进行了全面的总结归纳，从中吸取经验，进而提出了外壳与结构、散热、纤维等设计，结构如图2。

4.1外壳与内部结构

整个机械装置的外壳起到保护内部组件的关键作用。内部构造中，设有四个滑轮，这四个滑轮承担着对数字化部分的支撑重任。在设备维护场景下，滑轮设计的优势尤为凸显，可凭借其顺畅的滑动性能，轻松将数字化部分从装置内部抽出，极大地提升了维护工作的便捷性与高效性。

此外，我们在设计时并未对数字化面板进行前后固定限制。这一设计旨在当配电柜进入整体维护流程时，工作人员能够方便地将数字化面板掀开进行维护操作。同时，相关线路均预留了足够的长度，即便数字化面板掀开至较大角度，线路也不会因拉伸而受损。这种设计极大地增强了维护的便捷性，全方位为维护工作提供便利条件，显著提升维护效率。

4.2 散热设计

区别于传统配电柜，我们对两侧面板进行原创性设计，开设有多个散热孔。这些散热孔的存在，能够有效地促进装置内部与外部环境之间的空气流通，实现散热平衡，确保数字化部分以及其他内部组件在适宜的温度环境下稳定运行。

同时，面板开孔设计还服务于安装元件过程中的各种调整需求。在安装电气元件等部件时，这些开孔提供了灵活的操作空间。安装人员可根据元件的尺寸、位置要求，通过开孔进行精准定位和安装角度的调整，无需对面板进行额外的二次加工，节省了安装时间和成本，大大提高了安装效率和元件布局的灵活性，进一步拓展了装置在元件安装层面的功能性。

此外，该机械布局还具备高度可调节性，能够依据实际使用需求，灵活调整数字化部分的高度，以适配不同的工作场景和操作要求。同时，在两侧预留了可加装电气元件的空间，进一步拓展了装置的功能性。

4.3 限位设计

为保障装置内数字化部分稳定性，在柜体后方加装两个角钢作限位装置，精准限定其位置，防止设备运行时出现位移或晃动，确保设备可靠运行。同时，在相关接触部位增设垫片，抽拉数字化面板时可减少摩擦磨损。垫片由耐磨且柔韧材料制成，既能限制数字化部分位置，又能缓冲摩擦力，延长数字化面板及柜体部件使用寿命，降低设备维护成本。

4.4 柜体设计

考虑到设备的集成化和布线需求，柜体设计采用了叠放的形式。在柜体叠放的中间位置，加装用于走线的排线柜。排线柜的设置，能够对众多线缆进行有序整理和集中管理，避免线缆杂乱缠绕，不仅提高了柜体内部的空间利用率，而且方便后期对线路进行检查、维护和更换，为整个设备的稳定运行提供了有力保障。

再者，鉴于配电柜在实际应用场景中常需进行多层叠放，本配电柜特别增设了承重钢槽。承重钢槽具备双重功能：一方面，作为重要的承重部件，能够稳固承载上层柜体的重量，确保整个配电柜叠放结构的安全性与稳定性；另一方面，当对下层电气化部分进行维护作业时，承重钢槽可作为一个可靠的放置平台，稳定地搁置上层数字化部分，避免在维护过程中因上层柜体无处安置而可能导致的碰撞、损坏等问题，极大地提升了维护工作的便利性与安全性。

5.测试方案以及结果

为全面验证本配电柜所具备的数据采集、远方就地分合闸切换控制以及 PC 端远程控制数据监测等核心功能，消除潜在安全隐患，保障设备安全投运开展了相关测试。

5.1短路测试

使用短路测试仪对各回路相线间、相线与零线/地线间进行绝缘阻值检测，实测绝缘电阻均＞2MΩ，无低阻短路现象。

通过继保测试仪模拟相间短路故障，断路器在0.1s内快速分闸，分闸指示灯正常亮起，电操机构、OAO-860k模块等关联元件即时断电，无异常发热、电弧及元件损坏，保护动作响应准确，验证了本配电柜短路保护功能正常。

5.2电气性能测试

（1）电压与相序检测：正式测试前，利用万用表对三相电的电压进行检测，结果显示进线电压三相平衡，且处于配电柜可承受范围。同时，使用相序表核对三相电相序，确认相序正确，有效避免电机反转情况发生。

（2）回路连续性测试：完成配电柜的精准安装后，借助万用表对测试回路和主线路进行通断检测，结果表明线路通断正常。

（3）保护功能测试

a.联锁功能测试：在配电柜通电且电操机构合闸的状态下，尝试抽拉柜体，配电柜的联锁功能正常启动，柜体被锁定，无法抽出。

5.3 机械结构与运行状态监测

（1）抽屉单元稳定性：抽屉在带电状态下没有因振动或发热导致位移，检查触头接触面无异常发热或电弧痕迹。

（2）通风与散热评估：低压配电柜的运行温度范围为-5°C～+40°C，且24小时内的平均温度不超过35°C。

5.4 控制回路测试

（1）二次回路校验 - 模拟信号测试：启动合闸按钮后，合闸指示灯正常亮起，电缆开始对柜体输电。此时，电操机构、电流互感器等元件通电并正常工作，电量仪屏幕实时显示所测得的各项电量参数。

（2）自动化功能测试：操作人员通过PC端调试工具向OAO-608串口服务器发送合闸信号，串口服务器下达合闸指令至OAO-860模块，模块再控制中间继电器合闸，其中遥控延迟时间≤2秒，合闸指示灯亮起。电量仪将参数传输至OAO-608串口服务器，后者通过Modbus和TCP/IP协议上传至PC端，数据传输稳定无中断，实现通信功能。

结束语

本文将数字化功能集成到抽屉柜中，可预制也可改造的方式集成实现，构建了“单元预制化+局部数字化”的数字化抽屉柜。通过远程控制和就地双重管理，提高配电设施智能化运维水平，在降低设备维护成本、打造绿色低碳与智能化管理兼具的综合技术方案上，呈现出良好的应用前景，也为配电数据全生命周期管理提供有力支撑。

参考文献

[1]侯洁，杜鹃，闫明蔚.基于机电一体化的配电柜智能巡检系统设计[J].电气技术与经济，2025，（3）：1-3。

[2]梁荣锟.AI驱动的基层管理——分层与模块化设计方法[J].通信与信息技术，2025 ，（2）：3-4。

[3]肖德荣，刘阳.湘西传统竹家具模块化再设计方法与应用[J/OL]．世界竹藤通讯.2025：5-8。

[4]杨文明.电网配电数字化新技术应用研究[J].电力设备管理.2024，（24）：2-3。

[5]张华.数字化变电站配电系统设计[J].电气自动化.2024，（4）：1-2。

[6]杨文明.配电数字化在电网规划中的应用{J].电力设备管理.2025，（4）：2-3。

通讯作者：戴钰（1985-），男，硕士，高级工程师，研究方向：能源管理、电力电子装置与系统。