低压电器设备智能化发展探析
2017第十二届中国电工装备创新与发展论坛
会议由中国电工技术学会主办，定于2017年8月19-21日在北京铁道大厦召开，本届大会主题为“电网技术创新与电能新业态”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
浙江省高低压电器产品质量检验中心的研究人员张立，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，低压电器主要用来保护和控制电网供电的设备，随着智能电网的建设逐渐深入，对低压电器进行智能化的改造已经成为了电器行业的重要发展趋势。
基于此，本文主要结合实际情况，提出低压电器设备智能化设计的一种方案，即将DSP技术引入到低压电器控制当中，对低压电器进行集成化、智能化的控制。
中国的智能电网是以特高压作为骨干网络，包括发电、电、变电、调度、配电和用电等。配电和用电的主要控制和保护装置是低压设备。根据数据统计得知，当前95%的电力系统故障发生在配电侧，电力系统约80%的电能是通过电网低压端传输到用户并消耗的。此外，有统计数据显示，57%的能源消耗于电机。因此，在配电网中，低压配电和用电的位置是非常重要的。
低压电器是控制电网配电、输电的控制、分配、保护等的核心，其特点是数量较多覆盖的范围较广泛，因此是构建我国智能电网的重要部分之一。由此当前，要实施电网的智能化发展就需要实现电网的配电和用电的智能化，就需要进行低压电器的智能化改造，由此低压电器设备智能化对于电网智能化至关重要。
1 低压电器设备智能化的概述
1.1 智能化低压电器设备及其特点
目前，国内外对于低压电器设备智能化还没有统一的定义，但是智能化低压电器已经在实践当中被研发设计人员广泛认可。智能化的低压电器主要具有四个特征，较为齐全的保护功能、及时的故障报警和故障显示、自诊断及负载监控以及电参数的测量功能，随着智能楼宇设备的发展以及智能电网的建设，智能化低压电器越来越受到重视。
智能化的低压电器有以下优点：
（1）谐波处理：配电系统的一般分布会产生高次谐波，而电气设备的智能配电则可以消除输入信号中的谐波，从而避免因操作不当而引起的高次谐波。
（2）保护齐全：智能电器具有高可靠性，具有过载、短路、缺相、接地保护，或可具有过压、欠压、三相不平衡、反相或低电流保护等。
（3）通信功能：能实现中央计算机的集中监测控制，实现系统的自动化。
（4）数据共享：智能电器采用数字监控元件，使配电系统和控制中心获取的信息量大幅度增加，可实现数据共享，使布线和安装简化便利。
1.2 低压电器设备智能化的必要性及前景
智能化的低压电器设备因为具有智能化、模块化、可通讯、高性能、小型化等特点，成为了新一代低压电器的主要发展趋势，智能化低压电器在中高端电气设备的市场份额在不断的扩大。
智能电网的发展对于低压电器企业既是机遇也是挑战。因为电网当中包含有非常多的电器设备，要实现电网的智能化发展，就需要对这些电器设备进行智能化的改造，只有抓住了技术创新才能够制造出适应智能电网需求的智能化低压电器，低压电器的智能化是低压电器行业发展的趋势。
目前电网智能化对低压电器的集成化发展以及整体解决方案的发展提出了更高的要求，促使低压电器向光伏发电、风能发电、新能源、分布式电源等应用领域扩展，这些新应用领域对传统低压电器提出了诸多新的要求，促使低压电器智能化技术的进步。
2 低压电器设备智能化的设计
低压电器的智能化设计，重点包括低压电器的智能化控制与保护模块的保护技术、控制技术以及相关通信技术，包括以TMS320F28355型DSP芯片为核心处理器的下位机硬件和软件设计以及应用LabVIEW的上位机软件设计。
2.1 智能化低压电器设备硬件设计
低压电器设备最为重要的功能之一就是电网保护，当电网当中出现一些短路、过载以及断相的现象时，低压电器就会自动脱扣，将故障段从电网中断开，从而达到保护电网以及相关用电设备的目的。智能型的低压电器设备主要是通过智能化的控制器，通过自动采集电网中的电流、电压以及频率等信息，结合一些内部的运算程序，判断故障的预警和发生，从而启动保护程序，完成对电网及的保护。
2.1.1硬件总体结构
结合智能型低压电器自动采集设备参数信息以及电路控制的设计目标，在进行低压电器的智能化设计时，选择合适的电路结构以及合适的元器件，从而满足设备的内部运算能力、参数监控测量以及EMC 等要求。
在使用DSP芯片进行信号采集运算之前，需要集合外围电路对信号进行整流、滤波以及放大处理。经过这些处理之后的数据在通过芯片A/D 模块进行数字化的转换，置换之后再结合FFT运算方式，得到数据信号的采样频谱。
由于采用FFT方法进行信号的运算需要大量的数据，因此需要选择存储空间较大的处理器，TMS320F28335型 DSP 芯片内部的 RAM 与 FLASH 存储空间完全可以满足运算的要求，这样便不用再另加存储器，使得整体系统的设计过程大大简化。根据模块化的设计思路，设计的硬件系统总体结构框图如下图1所示。
图1 硬件总体结构框图
本设计基于DSP的智能化低压电器的硬件系统主要包括电源模块、信号调理模块、中心控制模块、显示模块、接口模块、复位模块等。该智能化的低压电器能够实现对电压信号的采集、预处理以及执行等功能。其中的电源模块主要是为了DSP中心控制模块、液晶显示模块等提供电源，而信号调理模块主要是为了实现对电压和电流互感器的参数进行采样，而外围电路模块则主要是为了丰富低压电器的各种功能。
其中系统的中心控制模块选择TMS320F28335型号的DSP数字信号处理器，该处理器内含有高容量的FLASH程序存储器和SRAM静态随机存储器，同时还集成了通讯总线、看门狗、转换器、异步串口等功能。
为了能够更好的控制下位机低压电器，还设计了基于LabVIEW虚拟技术的上位机控制平台，通过该上位机控制平台能够更好的保护和控制低压电器的开闭，并对低压电器的相关参数进行整定和监控，实现低压电器的智能化功能。
2.1.2核心控制模块设计
本设计选取了 TMS320F28335型 DSP芯片作为硬件系统的核心处理器，此款芯片是 TI 公司研制的一种具有较高性价比的浮点型 DSP 芯片。对比于传统的定点 DSP 芯片，浮点 DSP 芯片的运算精度高，处理速度快，耗能低，功能接口丰富，芯片内部存储空间大，A/D 转换位数高，尤其是在进行快速傅里叶变换（FFT）等复杂算法时，处理速度与计算精度都有很大提升，所以该芯片的性价比高，很适用于自动控制，尤其是需要对大批量数据进行实时运算，且对运算速度与精度有较高标准的测控场合。
TMS320F28335型 DSP 芯片结合了静态 CMOS 技术，其内部 CPU 主频可达150MHz（6.67ns 周期时间）。TMS320F28335型浮点 DSP 的功能框图如下图 2 所示。
图2 TMS320F28355芯片功能框图
2.2 智能化低压电器设备软件设计
软件系统设计主要是将事物或问题从各种不同的角度和层次中抽象出来，软件的设计包括软件的数据设计、结构设计、过程设计和接口程序设计几个要素。对智能化低压电器设备的软件设计而言主要是协调系统的硬件功能，如保护功能设计、电网电参数计算设计以及低压电器的控制功能设计。
2.2.1低压电器的保护功能设计
低压电器的智能控制器在对信号进行采样后，经过 FFT 运算分析，用所得的电流有效值来判断是否需要进入三段电流保护中断子程序，并且利用 DSP 的高性能运算特性来实现相应的保护功能。短路短延时保护与短路瞬动保护实现过程相对简单，主要是根据检测到的电流有效值的大小，直接或通过定时器延时进行保护动作。过载保护实现过程较为复杂，主要是根据累计热效应进行判定并进行相应动作。
图3 三段电流保护程序流程图
由于电网中的电流会出现波动干扰，在对系统发出热量的累加值进行运算时，首先要判断当前周期采集的电流有效值是否大于过载电流设定值。假若大于，则将该周期的电流平方和运算数值累加至总体的电流平方和中；假若不大于，则不进行累加。需要注意的是如果没有过载故障发生时，需将热效应累加值复位。过载保护程序流程如图4所示。
图4 过载保护程序流程图
2.2.2 电网电参数计算设计
电力系统正常运行时，大多应用快速傅里叶变换（FFT），它是离散傅里叶变换（DFT）的高效算法，其运算量相比于 DFT 来说要小得多，所以本设计选择了快速傅里叶变换（FFT）算法计算各种电参数。
FFT运算处理的具体实现步骤包括有以下两个方面:
（1）对数据进行奇偶分组的同时又按照码位倒置的规律将其重新排列。以N=8的数据列为参考，序列n的二进制表示为(n2，n1，n0)。首先第一次根据n0进行分组，分组后n0 = 1为奇数组，n1= 0为偶数组。第二次和第三次与第一次相同，分别根据n1和n2进行分组。当N=8时，对输入码的倒序排列进行三次分组即可实现。
（2）对数据进行分组与分级处理之后进行基2-FFT运算处理，从而得到FFT的计算结果。根据FFT运算的基本原理，整个运算分为M = loge N级，每级又分为N/2组，每组又看作为一个蝶形单元。以N=8为例，蝶形图分为三级，第一级分为4组，第二级分为2组，第三级为1组。本文FFT运算采用N=256，可分为8级。FFT程序流程如图5所示。
（a）FFT算法实现流程图
（b）码位倒置流程图
图5 FFT程序流程图
采用DSP的CCS开发环境中的仿真模块进行了相应的仿真，数据使用项目组拟定的数据，仿真结果如表1所示。允许的最终结果在1±0.05范围内，表中的数据基本符合IEC标准的要求，达到预期的效果。
表1 FFT仿真结果及误差
2.2.3 低压电器的控制功能设计
低压电器用于完成对负载的控制与系统的保护，在实际应用中经常会需要对其进行正常的分、合闸操作。根据理论研究与实际应用表明，由于分、合闸操作过程中被控制对象中的电磁能量是不断变化的，这就有可能引起电流和电压的变化，发生所谓的过流及过压现象，对电网系统各部分包括低压电器自身的可靠工作造成影响。
低压电器选取合适的分、合闸相角，可以有效地抑制由于操作过程中的暂态现象出现的浪涌电流或电压，确保了系统的安全运行，并且能够提升低压电器的电气寿命。
本文设计的选相合闸程序，主要实现方法是通过将合闸相角转换为所需的时间，并赋值给定时器，当芯片捕捉到电压过零的上升沿时，起动定时器开始计时，达到设定的时间，即所需相角时，控制器控制线圈通交流电，延时一段时间至开关稳定吸合，关断交流电并通小的直流电维持吸合状态，从而实现了低压电器的节能。选相合闸程序流程如下图6所示。选相分闸程序实现原理与选相合闸大致相同，本文不再赘述。
图6 选相合闸程序流程图
2.3 智能化低压电器设备通信设计
随着现场总线技术的发展，可通信己成为智能电器的重要特征，低压电器的智能化设计离不开通信技术的应用。
2.3.1 下位机通信软件设计
下位机通信模块主要是为了实现对智能化低压电器设备当中的数据交互，通过该模块当中的通信程序可以将系统运行的参数发送给上位机，而上位机就可以依据这些数据发送相关的指令给下位机，该通信程序主要是结合MODBUS总线通信协议进行的，下位机通信的程序流程如下图7所示：
图7 协议解析程序流程图
在下位机的通信过程当中，系统首先需要结合接受到的MODBUS总线通信数据，对其进行CRC校验，如果得到检验正确的结果就需要对数据进行解析，然后做出相应的反应，得到应答信息。否则就需要将数据丢弃。通信程序流程如图8 所示。
图8 通信程序流程图
2.3.2 上位机通信软件设计
上位机的通信模块主要实现的是与DSP中心控制模块的连接，结合上位机通信软件实现对电流、电压以及功率等数据的采集，结合上位机通信软件，系统用户能够对下位机进行控制和操作，设计一个功能齐全、界面友好以及稳定性强的上位机通信软件可以实现对低压电器设备智能化的远程控制、检测以及调节。
上位机软件系统基本由主程序、参数修改程序、信号采集程序、分/合闸控制程序构成，主程序将各个功能子VI联系在一起，且具备友好的人机交互界面，用户可以通过此程序方便的调用各个功能模块。各个功能子VI的节点属性设置为调用时弹出前面板。其程序流程如图9所示。
图9 上位机主程序流程图
上位机软件系统主界面含有三个功能按钮，即参数修改按钮、信号采集按钮以及分合闸控制按钮。
通过参数修改程序，上位机可以将相角、工作频率以及电流保护整定值发送至下位机DSP芯片的FLASH中，以便下位机程序调用，实现了参数修改功能。各个参数的发送采用条件触发结构，一旦发送按钮按下，所设参数便立即发送给下位机。其程序流程如图10所示。
图10 参数修改程序流程图
本文设计的信号采集程序采用了循环采集的方式，每次都对全部数据进行采集，在VISA读取串口模块前加入了字节属性节点，将得到的字节个数作为VISA读取串口模块输入的等待字节数。且程序中加入了布尔指示灯，用以显示通信状态，通信成功则指示灯亮，通信失败则指示灯灭。信号采集程序流程如图11所示。
图11 信号采集程序流程图
此程序的主要功能是实现对下位机分合闸操作的实时性控制，其实现原理与上述的参数修改程序基本一致，其程序流程如图12所示。
图12 分/合闸控制程序流程图
3 结论
本文主要结合当前低压电器智能化发展的趋势，研究和设计了一种基于DSP芯片的智能化低压电器设备。通过在低压电器设备当中融合DSP控制技术，实现对低压电器的集成控制，实现低压电器的智能化的发展，从而更好的保护电网，促进电网智能化的进一步发展。