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摘要：10kV开关柜是重要的电气设备，在发电厂、变电站及工矿企业中的应用非常广泛。智能电网出现之前，传统开关柜通常都是采用电磁操动机构与二次回路配合进行设备控制和操作，无法快速响应智能电网要求的高效、智能的要求。本文分析了老旧的开关柜存在的缺点和局限性，根据现代智能电网对于开关柜的功能及技术要求，提出对传统10kV开关柜进行升级改造，采用嵌入式操作系统，以实现对装置软硬件进行个性添加和裁剪，使其不受限于特定计算机系统对设备功能、能耗、及尺寸的严苛要求，只通过来加装智能控制装置就能实现开关的智能监控和操作，详细阐述了开关柜加装智能控制装置的改造过程及改造结果，使开关柜在操作系统的支持下、将通信模块、开关柜进出及地刀分合模块、电量采集及质量分析模块、电气五防智能模块、温度在线监测和预警、人体红外感应功能、远程数据传输及通信等诸多功能实现智能控制。文中给出了两个改造后的实际工程案例来验证开关柜的智能化改造是成功的，同时也指出了对10kV开关柜进行改造时要注意的问题。

关键词：10kV开关柜；智能控制装置；改造

当前，电网与人的关系越来越密切，人们不断追求高质量的电能和相关服务，传统的电网运营模式已不再能够满足人民日益增长的需求，同时，智能电网的发展也加速了电气设备的升级换代，原有的大量传统开关柜亟须升级改造或直接替代，以实现电力用户与电网供需的友好互动。

一、原有开关柜存在的问题

我国自20世纪60年代就已经开始了开关柜的研发，但由于技术水平的限制，早期的智能开关还是主要依靠国外进口，严重制约了我国电力的快速发展。进入21世纪，国民对于电力的要求随着经济发展和生活水平提高而逐步提升，国家电网提出建设智能电网的概念后，通过不断学习国外先进电气企业的技术，针对我的电网的特点，不断创新，不断优化，出现了许多拥有自主知识产权的智能设备，逐步取代了进口的智能开关设备，并依据中国电力发展出台了一系列技术标准和制造规范，大有赶超欧美之势，成为了电气领域的佼佼者。智能开关在保留原有技术指标和操作功能的基础上，逐步加大对开关电器的智能控制及继电保护的研制，同时兼具更多的附属功能。国内许多企业都有使用传统控制装置的经验，在保留传统开关柜的基础上，只需要更换一个智能控制装置，就可以实现开关柜的智能控制功能，可以极大地节省开关柜升级改造的资金和工时。

二、10kV开关柜智能控制装置改造的思路与方法

（一）控制装置的智能改造要求

新改造设计的开关柜智能控制装置其主要功能应满足以下几项：

1.基本的控制、通信、保护及显示功能；

2.智能五防功能；

3.对开关柜温度监测要求达到实时、连续的在线式监测和预警；

4.人体感应；

5.改造后的信息处理及与原综合自动化系统的融合功能。

此外，控制装置还要符合人机界面简单友好、简单经济、抗电磁干扰能力强等要求。可根据不同应用情境进行个性化、模块化的功能选配，满足不同的使用场景。设计制作完成后替代原有的测控装置，将其镶嵌在开关盘柜上方的门板处，可以实时反馈开关柜的状态，测量运行数据，确保开关设备稳定、高效、经济运行。

（二）嵌入式系统开发简介

采用嵌入式的系统，可以对装置软硬件进行个性添加和裁剪，不受限于特定计算机系统对设备功能、能耗，及尺寸的严苛要求，极大降低研制成本。

ARM Hoidings研究的ARM（Advanced Risc Machines）是一种成本低、功耗小，但性能卓越的嵌入式微处理器，且拥有多种RISC Processor及配套软件。ARM处理器在诸多领域占据着领先地位，市场份额高达70%以上。本文的控制装置拟使用STM32F103ZX系列的高性能产品STM32F103ZET6作为核心，该处理器为ARM 32位的Cortextm-M3 CPU内核，工作频率可高达72MHz，高达1.25DMips/MHz存储器的0等待周期，存储器为闪存程序存储器和SRAM，片上双RC晶振器，采用低速晶振器CPU实时时钟，可提供两种频率：8M（支持片外高速晶振器）和32K（支持低速晶振器）。晶振器上配备电源引脚，断电后仍能持续运行；16位备份寄存器42个，配备外部按钮电池电源保障故障后的数据存储。80个I/O端口，8个定时器，4个通用Timer，2个高级Timer和2个基本Timer。可应对-40°C至+105°C的极限温度，低耗能运行时仍可满足一连串的省电需求。

表1 STM32F103ZET6配置和器件功能（表格用图）

μC／OS-Ⅱ操作系统简介：

《嵌入式系统编程》杂志于1992年发布了μC/OS源代码，开源的实时嵌入式系统一经发布便引起了极大的行业关注。μC/OS的核心代码十分简短，学习极易上手，基本可以实现嵌入式系统的基本功能要求。且随着硬件设备的性能改进，μC/OS的执行效率将会极大提升。因此，μC/OS被广泛植入至微处理器/微控制器上。μC/OS-II是升级换代后的第二代版本，优点得以更大程度地体现，具有公开源代码、可移植、可裁剪、固化方便、可剥夺、可确定、多任务、任务栈、中断功能、系统自带服务、稳定可靠等特点。相比于μC/OS，μC/OS-II的应用场合更广泛。

（三）MODBUS-RTU通信方式简介

MODBUS通信协议最早是由MODICON公司提出的。长时间、多场合的应用案例充分显现出协议的优势。当前许多控制用的电力电子元器件都采用借助该协议并通过通信网络设备进行通信。用户只需要将控制设备接入工业网络，便可以通过这个通用的工业标准协议实现设备的集中控制。MODBUS通信协议是不受通信网络限制的，只需明确采用的消息架构即可。它阐明了控制器响应源自其他设备的请求和请求访问其他设备的具体步骤，并对检测过程和错误记录进行了有效记录。形成了一种通用格式，包含了其消息域模式和内容。实现了不同通信系统间的数据通信。MODBUS通信协议模式主要ASCII和RTU两种模式，可根据实际情况进行选用。

三、10kV开关柜智能控制改造设计过程与结果

在开关柜智能控制装置的设计研制过程中，应结合开关柜的设备参数、技术指标、结构特性、参数测量、设备控制及继电保护的指标，结合设备就地数据采集和远程通信的具体要求，实现10kV开关柜运行时实时数据的采集分析和运行指令的高度响应，充分体现装置的可靠性、高效性和智能性。本文研制的升级改造版智能控制装置的设计思路见图1。

控制核心为嵌入μC /OS-Ⅱ实时操作系统的高性能STM32F103ZET6，可以完成开关柜进出及地刀分合的远程及就地操作、电能数据采集及分析、智能电气五防、温湿度控制及自动调节和红外人体感应五大功能。此外，根据开关柜智能控制装置电气参数采样的类型和要求，结合模块功能及智能控制装置的 MODBUS-RTU通信标准定义进行整体设计。基于以太网和远程监控软件的通信方式，可实现“远程控制、远程信令、遥测、远程调节”功能，满足设备预期的功能要求，同时预留空间应对设备升级。

（一）开关柜进出及地刀分合模块

传统开关柜的进出，尤其是地刀分合大多采用手动模式，电动模式还未完全普及。本文设计的控制模块一般应用于10kV柜体中，它具备了12种开关动作逻辑，可以利用现场分合闸按钮和远程控制系统下实现断路器的分合、手车工作位置转换及底盘驱动电机的保护。为了确保电机长期可靠运行，必须通过流过手车开关及地刀电机的电流值，从而正确执行电机电源的通断指令。控制各种进出及分合操作满足电气五防的要求，通信接口选用RS485，能够进行远程中央控制及实时运行数据采集。

（二）电能数据采集及分析

电能是一种特殊商品，对其可供性及稳定性有极高的要求。电能的质量直接关系到电力用户的使用体验。持续、稳定、优质的电能既是用户的基本要求，同时也是衡量电力系统运行的重要标准。因此，电能数据的采集及质量分析也是智能控制装置的重要功能。电能质量的三个重要指标是电压幅值、频率及波形。因此需要重点分析开关的电压波动、频率偏移及波形畸变等参数外，还要求开关运行的电流、有功功率、无功功率及功率因数等参数都要满足要求，有功功率不足或过剩将直接出现频率偏差，而无功功率的变化也会引起电压波动，出现谐波甚至供电中断等问题。因此，必须进行持续的电气参数的采集和分析，根据采集分析结果及时调整运行参数。同时具备全功率限制报警和事故存储和追忆功能，便于数据随时调取。电能数据采集分析模块首先采集电压、电流等电气参数，通过与集中控制系统中的数据进行在线比对，分析电能质量采集功能部件首先采集电气参数，通过与主控制核心部分的互联进行数据比对，对电能的质量进行分析，或者电压、频率等关键电气参数的偏差值并将其通过通信线路传输至智能控制装置。将经过处理器分析计算的质量参数通信线路传输至操作装置主控模块。

（三）温湿度监控模块

一直以来，开关柜温度过热和结露问题一直是电力运行部分关心的问题。尤其是潮湿环境下，室内外的温度差引发的结露问题，对开关柜的绝缘情况影响较大。另外，开关长期处于负荷运行状态，长时间不间断运行也会使得设备绝缘不断受热而设备的绝缘老化，及其引发电气故障，危及系统安全。温湿度在线监测能及时发现开关柜内的异常并自动投入加热通风设备，确保开关柜的安全运行。温湿度监测包括柜内温度和湿度两个关键参数的监测，分别利用温度传感器和湿度传感器进行测量，采样信号实时显示在智能控制装置的LED屏上，控制装置内置的单片机判断温湿度参数是否越限。若达到规程制定的预设值，则启动柜内的加热板，并延时启动风扇，待温湿度回落到正常范围内再切断加热板及风扇电源。

（四）智能电气五防模块

电气五防明确指出：严禁在断路器、负荷开关、接触器处于合闸状态下操作隔离开关；严禁操作指令与操作设备不对应时操作设备；严禁接地开关合闸时合隔离开关或将手车推至工作位置，严禁带地刀操作断路器、负荷开关；严禁断路器合闸时操作隔离开关或将手车从拉至试验位置；严禁进入带电的电气隔室。开关柜具有机械闭锁和二次回路电气闭锁双重防护，再配合智能五防闭锁将极大程度保护电气运维人员及设备的安全，若出现误操作现象时，还能及时通信，确保中控室中的运行监控人员快速及时掌握现场人员及设备的情况。传统开关柜利用带电显示回路中电容的充放电配合氖灯的明暗来判断设备是否带电完成带电显示功能。微机锁和电磁锁配合实现闭锁，设置直接钥匙开关延长氖灯的寿命，但无法实现全过程的实时监控。氖灯的微弱灯光会使得操作人员误判设备已不带电，若运行人员强行解除五防锁和电磁锁，五防将失效。本设计中的模块采用ARM处理器、高压传感器、智能锁、智能报警器及开关柜闭锁系统，完成开关的带电显示及检测、声音光报警和柜门强行锁闭，达到智能防护效果。

（五）人体感应功能

本设计的人体感应采用是的基于被动红外探测原理的报警装置。当电气运维人员靠近开关柜时，人体持续发出的红外线辐射会触发热释电红色传感器动作。热释电红色传感器将接收到辐射的红外信号转化成电气信号，再经过功率放大电路将信号放大，达到装置预设值后驱动声光报警器，提醒运维人员注意操作安全。

四、改造后的应用案例

广西区内某某学院电力实训基地检修车间内，原设置了4台10kV传统型室内高压开关柜作为日常教学和实训的重要设备，原有的训练项目主要针对开关柜的主体构造认知和二次回路检测展开。每个开关均可进行独立教学，开关与开关之间，开关与基地其他设备之间毫无关联。在改造后期，学生也参与了智能控制装置的调试工作，进一步加深了对10kV开关一次结构、二次控制及继电保护等多个知识点的学生，提升了学生的实践能力。改造完成后，不但可以针对单台开关设备进行远程监视、控制和预警，还能与实训基地内的小区配电网络实现互联，并同步开发出小区配电运维、智能供配电系统安装与调试等多个实训项目。实现了理论与实训教学的双升级。

五、开关柜智能化改造后续改进

现阶段新建和升级改造后的开关在各种状态和信息上传均能达到一定的控制效果，但对开关柜来说，只限于保护装置数据、隔离开关、断路器、地刀的状态，其他如触头温度、开关位置实时图像、手车位置的电动操作、地刀远程分合等均不具备。在开关柜智能控制装置的研制中，必然会进行全面考虑，将加入电气触头在线测温（遥测）、电气设备内部图像采集显示（遥视）、开关位置及地刀动作逻辑判断和远程操作（遥控）、开关各动作部件实时状态及信息记录（遥信），并将上述数据信息进行处理、显示，并生实时曲线和历史曲线，为设备长期安全稳定运行提供数据支撑。采用满足电网要求的IEC61850标准与设备上级系统实现双向通信，接受上级操作命令，远程智能操作，主动上报设备状态、报警及故障信息。

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