CN102868221A - 一种智能抽屉开关柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能抽屉开关柜，包括多个抽屉柜和备用抽屉柜，还包括换电控制系统、转换开关和步进电机，所述换电控制系统与所述步进电机连接，用于接收上位机指令并控制所述步进电机运转，所述转换开关与所述步进电机的转子连接；所述转换开关包括内圈和外圈，所述外圈上分布有多组铜芯，所述铜芯与所述抽屉柜的出线接口一一对应连接，所述转换开关的内圈设有与所述备用抽屉柜的出线接口相连接的内圈铜芯片；通过控制步进电机的转向和转角使所述内圈铜芯片旋转至故障抽屉柜，使所述内圈铜芯片与故障抽屉的出线接口相连，通过设置换电控制系统、转换开关和步进电机，可远程实现智能电网对智能开关柜的要求，提高开关柜出现故障时的更换效率。

Description

一种智能抽屉开关柜

技术领域

本发明属于输配电及软件系统自动诊断技术领域，特别涉及一种智能抽屉开关柜。

背景技术

抽屉式开关柜由于具有操作简单、动作安全可靠、检修维护方面等优点被广泛应用于企业配电所，采用抽屉式开关柜的最大优点是一个回路的故障不会波及另一回路，一个抽屉故障可用备用抽屉随时更换，每种规格的回路都要有备用抽屉，停电时间短，连续供电效果好，布置较紧凑。一般来说，每台柜有较多的出线回路，这样所用柜子数量较少，低压配电所占地面积较小，外形美观，防护等级高，安全可靠，维护方便等优点。但当开关柜出现故障时，往往需要人员去更换备用抽屉，这样既浪费人力，而且更换过程中还存在安全隐患，人为更换过程中可能影响到其它路的停电。

发明内容

为了实现智能电网对智能开关柜的要求，提高开关柜出现故障时的更换效率，本发明提供了一种自动换电的智能抽屉开关柜。

所述技术方案如下：

一种智能抽屉开关柜，包括多个抽屉柜和备用抽屉柜，还包括换电控制系统、转换开关和步进电机，所述换电控制系统与所述步进电机连接，用于接收上位机指令并控制所述步进电机运转，所述转换开关与所述步进电机的转子连接；所述转换开关包括内圈和外圈，所述外圈上分布有多组铜芯，所述铜芯与所述抽屉柜的出线接口一一对应连接，所述转换开关的内圈设有与所述备用抽屉柜的出线接口相连接的内圈铜芯片；通过控制步进电机的转向和转角使所述内圈铜芯片旋转至故障抽屉柜，使所述内圈铜芯片与故障抽屉的出线接口相连。

所述换电控制系统包括：DSP；

RS232串口单元，与所述DSP连接，且与上位机实现双向通信，其接收上位机的控制指令；

电机控制接口，与所述DSP连接，用于输出上位机的控制脉冲信号和方向信号；

驱动模块，与所述电机控制接口连接，用于将所接收的控制脉冲和方向信号转换成各电机转角和方向控制信号；

光电编码器，与所述步进电机连接，用于测量各步进电机的转角；

I/O单元，与所述DSP连接，用于采集所述光电编码器测角信号；

光电隔离模块，对所述光电编码器测角信号与所述DSP进行光电隔离；

电源单元，为所述步进电机的驱动器以及所述光电编码器提供直流电源。

进一步地，所述的智能抽屉开关柜还包括：

机械特性在线检测单元，用于对各抽屉柜分、合闸时表征机械部分的运行状况的行程信号、分合闸线圈电流信号和传动轴振动信号进行检测和预处理；

绝缘在线检测单元，用于对表征各抽屉柜绝缘状况的漏电信号和超声波信号进行检测和预处理；

温湿度检测单元，用于对各抽屉柜内的一次设备接线端子和各抽屉柜内部进行温度检测；

智能测控单元，用于对各抽屉柜内主回路的电压、电流信号进行检测和预处理，并将检测信号送至所述智能测控单元内的模拟脱扣电路；

智能监控单元，分别与所述机械特性在线检测单元、绝缘在线检测单元、温湿度检测单元及智能测控单元的输出端连接，用于对采集来的主回路电量信息、抽屉柜内一次设备局部放电信息、开关设备机械特性信息、开关柜环境信息及智能测控单元传送的开关设备开关量信息进行信息处理；

主站监控系统，用于对所述智能监控单元传来的各抽屉柜状态参数进行处理，并给出抽屉柜状态评估，并适时修正基于风险聚类的阈值及专家系统状态数据库。

系统电源单元，用于向上述各单元及站控层监控系统提供电源。

所述智能测控单元包括电压信号调理模块、电流信号调理模块、模拟脱扣电路和分合闸模块，其中电压信号调理模块、电流信号调理模块的输入端分别接各抽屉柜一次设备的输出端，分合闸模块与各抽屉柜一次设备双向通信，电流信号调理模块的一个输出端串接模拟脱扣电路后接分合闸模块的输入端，电流信号调理模块的另一个输出端和电压信号调理模块的输出端分别接智能监控单元的输入端，分合闸模块与智能监控单元双向通信。

所述的智能抽屉开关柜还包括：

人机界面单元，与所述智能监控单元连接，用于对所述智能监控单元的参数进行查询和调整，及对抽屉柜当前状态和故障记录进行显示及故障的声光报警。

所述的智能抽屉开关柜还包括：

视频监控单元，分别与人机界面单元和各所述抽屉柜连接，用于对抽屉柜内一次设备进行视频信息采集，所述人机界面单元对所述视频监控单元所采集的视频信息进行就地显示。

所述的智能抽屉开关柜还包括：

抽屉柜柜内环境控制单元，用于对各抽屉柜内的温湿度进行控制。

所述的智能抽屉开关柜还包括：

网络通信单元，用于所述主站监控系统与上级监控系统进行信息的互联。

所述的智能抽屉开关柜还包括：

载波通信单元，用于所述人机界面单元与抽屉柜负载侧进行信息互联。

本发明所提供的技术方案带来的有益效果是：

在实现常规开关柜多抽屉结构、动作安全可靠、检修维护方面等优点的配电基础之上，增加一种自动换电装置。并且具有设备的状态评估、检修报告功能和视频监视功能，并且增加了一次设备的状态参数上传功能，能够实现远程集中实时监控、调度和分层分级管理，取代了传统配电系统人工化的工作模式，可实现远程控制、远程监视，以及故障预警、故障诊断，故障时自动恢复工作的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是智能开关柜的整体结构图；

图2是智能开关柜的硬件结构图；

图3是智能转换开关的硬件接线图；

图4是人机界面显示软件流程图；

图5是换电控制系统控制步进电机工作硬件结构图；

图6是智能转接开关软件工作流程图。

图中：1-电机转子；2-铜芯；3-内圈铜芯片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提出一种自动换电的智能开关柜，在实现常规开关柜多抽屉结构、动作安全可靠、检修维护方面等优点的配电基础之上，增加一种自动换电装置。并且具有设备的状态评估、检修报告功能和视频监视功能，并且增加了一次设备的状态参数上传功能，能够实现远程集中实时监控、调度和分层分级管理，取代了传统配电系统人工化的工作模式，可实现远程控制、远程监视，以及故障预警、故障诊断，故障时自动恢复工作的效果。

远程监视

通过总线通讯，将从站（智能控制器、智能化仪表、断路器、隔离开关、可控硅、投切电容器等）反馈到主站，主站系统根据反馈的信息，建立状态数据库，所有信息都将会存库，同时建立状态曲线图，及时的反馈设备运行状态。

故障预警

系统根据开关柜设备运行的状态曲线图走势，及时的评价设备的运行状态，当设备运行状态的走势曲线与历史曲线有偏离时，发出警告信息，并根据设备的运行曲线，评价设备的健康指数、故障次数、使用年限等信息，及时的预警设备状态，做到未雨绸缪。

故障诊断

当开关柜出现故障时，系统根据监测装置反馈的信息，快速的判断出是那个设备的故障，或者最可能是那些设备的故障，从而达到快速诊断的效果。

故障解除

当开关柜某一个抽屉柜出现故障，而导致该路停止供电时，或者该路短路导致总隔离开关断开而使其他正常抽屉柜也断电时，主站专家系统会依据故障前5秒扫描的电压、电流、功率以及温度的曲线图，来判断是哪一个抽屉柜出现故障，这时候系统会提醒控制芯片DSP发出信号，来断开故障路的断路器，合闸隔离开关，恢复其他正常抽屉柜的供电，同时CPLD接受DSP发出的命令，开始控制步进电机工作，当步进电机旋转角度到达故障抽屉柜设定的角度时，触发继电器工作，使转接开关的内圈铜芯片伸出，使备用抽屉柜的出线接口与故障柜的出线接口相连接，连接后故障抽屉柜的用电由备用抽屉柜提供，备用抽屉的电流由于专用开关的作用不会倒流到故障抽屉柜，这样整个系统能快速、准确、安全的供电。用户供电可以快速恢复，而且出现故障的抽屉柜的序号和初步诊断故障类型，将以红色警告的字体出现在控制室人机界面上和远程客户端系统界面窗口，提醒工作人员对故障抽屉柜进行维修，当维修好后，系统根据负荷量，在选择用电最少时，把备用抽屉的线路切换到修好的抽屉柜上，即系统对智能转接开关的继电器进行复位，转接开关内圈回到初始位置。完成一次对故障的解除，本发明增加智能转接开关后，系统全智能化换电，相比于传统的故障解除（故障后，工作人员需到现场更换抽屉柜，既把备用抽屉柜与故障柜更换，完成抢修）大大减少故障断电时间，避免了人员换电时触电的危险，增加了系统的可靠性。

智能抽屉开关柜包括智能开关柜控制单元、温湿度检测单元、智能测控单元、机械特性在线检测单元、局部放电在线检测单元、视频监视单元、抽屉柜柜内环境控制单元、人机界面单元、主站监控系统、系统电源单元、网络通信单元，其中一次设备的输出端分别与温湿度检测单元、机械特性在线检测单元、局部放电在线检测单元和视频监视单元的输入端连接，一次设备同时与智能控制单元和总线通讯单元双向通信，温湿度检测单元、机械特性在线监测单元和局部放电在线监测单元的输出端分别与智能开关柜监控单元的输入端相连，抽屉柜内环境控制单元的输入端和智能开关柜监控单元的输出端相连，智能测控单元、人机界面单元和主站监控系统分别与智能开关柜监控单元双向通信，视频监视单元的输出端和人机界面单元的输入端相连，载波通信单元与人机界面单元双向通信，主站监控系统与网络通信单元双向通信，系统电源单元向智能开关柜监控单元、温湿度检测单元、智能测控单元、机械特性在线监测单元、局部放电在线监测单元、视频监视单元、抽屉柜内环境控制单元、人机界面单元、主站监控系统、系统电源单元和载波通信单元提供电源。

其中的换电控制系统采用DSP控制。设备具有高效快速的处理能力和强大的实时监控功能，所述的换电模块通过接收系统命令控制电机运转，而电机的转子连接转换开关，这种转换开关分为内外两圈，外圈分为N组铜芯分别连接N个抽屉柜的出线接口，每一组铜芯有3个相互绝缘的铜芯片组成，铜芯片外端分别接抽屉柜出线接口的A、B、C三相。而内圈中心连接电机转子，内圈外延有内槽，槽内有3个内圈铜芯片，与备用抽屉柜的出线接口三相相连，内圈铜芯片之间相互绝缘。这种换电控制系统随时接受上位机及系统命令，控制抽屉柜故障时自动换电。

智能测控单元包括电压信号调理模块、电流信号调理模块、模拟脱扣电路和分合闸模块，其中电压信号调理模块、电流信号调理模块的输入端分别接一次设备的输出端，分合闸模块与一次设备双向通信，电流信号调理模块的一个输出端串接模拟脱扣电路后接分合闸模块的输入端，电流信号调理模块的另一个输出端和电压信号调理模块的输出端分别接智能开关柜监控单元的输入端，分合闸模块与智能开关柜监控单元双向通信。

智能抽屉柜的运行方法如下：

智能开关柜监控单元，用于实现对采集来的主回路电量信息、开关柜内一次设备局部放电信息、开关设备机械特性信息、开关柜环境信息及智能测控单元传送的开关设备开关量信息进行进一步信息处理以及实现对负载的保护、对开关柜的漏电保护和将相关信息上传至主站监控系统；将主站监控系统传来的开关柜状态信息及检修报告信息转发至人机界面单元并产生必要的开关设备动作信息及阈值修正；用于对从人机界面单元传送来的设定参数进行配置；用于对开关柜的控制部分、柜内环境控制单元进行符合闭锁要求的开关量控制；用于对人机界面单元和主站监控系统按指定协议进行信息通信。

温湿度检测单元，用于对必要的一次设备接线端子和开关柜内部进行温度检测，对开关柜内部进行适度检测；

智能测控单元，用于对开关柜内主回路的电压、电流信号进行检测和预处理，并将检测信号送至智能开关柜监控单元和本单元内的模拟脱扣电路，必要时模拟脱扣电路产生分闸信号作用于本单元的分合闸模块，对开关设备发出分闸操作命令，对开关柜内开关设备的分、合闸回路控制信号进行输出，对开关设备发出分、合闸操作命令，将柜内开关设备辅助触点信息传送给智能开关柜监控单元；

机械特性在线检测单元，用于对在开关设备分、合闸时表征机械部分的运行状况的行程信号、分合闸线圈电流信号和传动轴振动信号进行检测和预处理，并将检测信号送至智能开关柜监控单元；

绝缘在线检测单元，用于对表征开关柜绝缘状况的漏电信号和超声波信号进行检测和预处理，并将检测信号送至智能开关柜监控单元；

视频监控单元，用于对开关柜内一次设备进行视频信息采集；

抽屉柜柜内环境控制单元，用于对开关柜内的温湿度进行控制，通过风机与加热器来实现其功能；

人机界面单元，用于对智能开关柜监控单元设备的参数进行查询和调整，用于对开关设备当前状态和故障记录进行显示及故障的声光报警，用于对视频监视单元采集的视频信息进行就地显示，用于对载波通信单元传送来的负载端智能用电设备信息进行显示；

主站监控系统，用于对智能开关柜监控单元传来的开关柜状态参数进行处理，并给出开关柜状态评估，适时修正基于风险聚类的阈值及专家系统状态数据库；

系统电源单元，用于向系统二次回路涉及的各模块提供电源；

网络通信单元，用于主站监控系统与上级监控系统进行信息的互联；

载波通信单元，用于人机界面单元与开关柜负载侧远端智能用电负载进行信息互联。

智能柜监控单元的处理器选用高档DSP和大容量CPLD等器件，并具有CAN通信接口、RS485串行通信接口与主站监控系统互连。

主站监控系统，采用工业控制计算机加相关软件来实现，记录有开关设备状态数据库和故障诊断专家库，用于对开关设备状态信息进行处理和状态识别并产生相应的检修报告，通过RS485总线、以太网或CAN总线与智能控制单元和智能检测单元进行通信。智能开关柜整体结构图如图1所示。

图2是智能开关柜的硬件结构图，智能检测单元，用于对开关柜内主回路的电压、电流信号进行检测和预处理，并将检测信号送至智能开关柜的控制单元和本单元的模拟脱扣电路产生分闸信号作用于本单元的分合闸模块，对开关设备发出分闸操作指令，对开关柜内开关设备的分、合闸回路控制信号进行输出，对开关设备发出分、合闸操作命令，将柜内开关设备辅助触点信息传送给智能开关柜监控单元。

其中温湿度监测单元，采用无线传感器网络的方式采集数据，克服接触式温度传感器，测量主回路温度时不同电位绝缘困难的问题和红外非接触式传感器受柜内空气状况条件影响大的缺点。

局部放电监测单元采用超声波接收器布置在抽屉柜的壳体上，根据柜内超声波状况进行检测柜内放电情况。局部放电监测器采用英国HVPD公司的便携式及在线检测产品HVPDLongshotTM可对开关柜进行实时的在线局放监测，以判断高压设备的绝缘情况，有效的预防供电事故的发生。

HVPD LongshotTM配备了HFTC（高频电流）、TEV（瞬态对地电压）、和超声波（AA信号）3种传感器，可同步获取局放信号。系统具有较高的采样率和测试带宽，能够高速获取数据，并通过“响应识别”和“优先侦测”软件以及波形识别功能，有效区分并消除局放干扰。系统可对运行电缆进行局放监测并定位，根据测试结果，有针对性地对局放严重的电缆进行振荡波局放测试，大量减少停电概率，并将故障信息通过通讯接口上传到上位机显示。

如图3所示智能换电单元采用最新发明的抽屉柜智能换电开关，这种开关有多种型号，分有4路、6路、8路转接接口，根据抽屉柜的结构不同选择不同的开关类型，采用DSP与CPLD联合控制，通过步进电机旋转角度，来选择换电抽屉，从而能快速、稳定的恢复供电，大大减少用户停电时间，全智能换电提高了开关柜运行的可靠性。

抽屉柜柜内环境控制单元采用通风机和电加热器的方法来实现抽屉柜内的温度调节。

人机界面单元，采用DSP控制液晶显示屏的结构。软件流程图4所示KY系列智能液晶终端在正常运行时，轮流显示3屏巡检数据，液晶的翻屏自动进行，翻屏的时间间隔由定时器控制实现。当有故障出现时，液晶显示故障类型，为了方便维修人员进行处理故障处理，故障报警的显示直到故障解除为止，才恢复巡检数据的显示。

图5所示的是换电控制系统控制步进电机工作硬件结构图，（1）RS232串口单元：通过串行通信接口（SCI）从上位PC机读取控制指令，以及向上位PC机发送测角信号。（2）电源单元：为步进电机驱动器以及光电编码器提供直流电源。（3）I/O单元：该模块主要采集光电编码器测角信号。（4）电机控制接口：由该接口输出控制脉冲信号和方向信号给步进电机驱动模块。（5）光电隔离模块：对光电编码器测角信号与DSP进行光电隔离。（6）驱动模块：由电机驱动器组成，负责把控制脉冲和方向信号转换成各电机转角和方向控制信号。

图6是智能转接开关软件工作流程图，当某一抽屉柜出现故障时，软件系统就会根据反馈信息，让电机开始工作，切换到对应的故障抽屉柜备用接口，然后伸出内圈铜芯片，使备用柜的用电与故障抽屉的出线接口相连，完成对用户的快速恢复供电。改系统性能可靠、切换无涌流，对故障抽屉和其他抽屉无电压冲击，真正实现了快速，安全的自动换电技术，使得开关柜的智能化技术又有了新的方向。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智能抽屉开关柜，包括多个抽屉柜和备用抽屉柜，其特征在于，还包括换电控制系统、转换开关和步进电机，所述换电控制系统与所述步进电机连接，用于接收上位机指令并控制所述步进电机运转，所述转换开关与所述步进电机的转子连接；所述转换开关包括内圈和外圈，所述外圈上分布有多组铜芯，所述铜芯与所述抽屉柜的出线接口一一对应连接，所述转换开关的内圈设有与所述备用抽屉柜的出线接口相连接的内圈铜芯片；通过控制步进电机的转向和转角使所述内圈铜芯片旋转至故障抽屉柜，使所述内圈铜芯片与故障抽屉的出线接口相连。

2.根据权利要求1所述的智能抽屉开关柜，其特征在于，所述换电控制系统包括：

DSP；

RS232串口单元，与所述DSP连接，且与上位机实现双向通信，其接收上位机的控制指令；

电机控制接口，与所述DSP连接，用于输出上位机的控制脉冲信号和方向信号；

驱动模块，与所述电机控制接口连接，用于将所接收的控制脉冲和方向信号转换成各电机转角和方向控制信号；

光电编码器，与所述步进电机连接，用于测量各步进电机的转角；

I/O单元，与所述DSP连接，用于采集所述光电编码器测角信号；

光电隔离模块，对所述光电编码器测角信号与所述DSP进行光电隔离；

电源单元，为所述步进电机的驱动器以及所述光电编码器提供直流电源。

3.根据权利要求1所述的智能抽屉开关柜，其特征在于，还包括：

机械特性在线检测单元，用于对各抽屉柜分、合闸时表征机械部分的运行状况的行程信号、分合闸线圈电流信号和传动轴振动信号进行检测和预处理；

绝缘在线检测单元，用于对表征各抽屉柜绝缘状况的漏电信号和超声波信号进行检测和预处理；

温湿度检测单元，用于对各抽屉柜内的一次设备接线端子和各抽屉柜内部进行温度检测；

智能测控单元，用于对各抽屉柜内主回路的电压、电流信号进行检测和预处理，并将检测信号送至所述智能测控单元内的模拟脱扣电路；

智能监控单元，分别与所述机械特性在线检测单元、绝缘在线检测单元、温湿度检测单元及智能测控单元的输出端连接，用于对采集来的主回路电量信息、抽屉柜内一次设备局部放电信息、开关设备机械特性信息、开关柜环境信息及智能测控单元传送的开关设备开关量信息进行信息处理；

站控层监控系统，用于对所述智能监控单元传来的各抽屉柜状态参数进行处理，并给出抽屉柜状态评估，并适时修正基于风险聚类的阈值及专家系统状态数据库。

系统电源单元，用于向上述各单元及站控层监控系统提供电源。

4.根据权利要求3所述的智能抽屉开关柜，其特征在于，

所述智能测控单元包括电压信号调理模块、电流信号调理模块、模拟脱扣电路和分合闸模块，其中电压信号调理模块、电流信号调理模块的输入端分别接各抽屉柜一次设备的输出端，分合闸模块与各抽屉柜一次设备双向通信，电流信号调理模块的一个输出端串接模拟脱扣电路后接分合闸模块的输入端，电流信号调理模块的另一个输出端和电压信号调理模块的输出端分别接智能监控单元的输入端，分合闸模块与智能监控单元双向通信。

5.根据权利要求3或4所述的智能抽屉开关柜，其特征在于，还包括：

人机界面单元，与所述智能监控单元连接，用于对所述智能监控单元的参数进行查询和调整，及对抽屉柜当前状态和故障记录进行显示及故障的声光报警。

6.根据权利要求5所述的智能抽屉开关柜，其特征在于，还包括：

视频监控单元，分别与人机界面单元和各所述抽屉柜连接，用于对抽屉柜内一次设备进行视频信息采集，所述人机界面单元对所述视频监控单元所采集的视频信息进行就地显示。

7.根据权利要求3-6任一所述的智能抽屉开关柜，其特征在于，还包括：

抽屉柜柜内环境控制单元，用于对各抽屉柜内的温湿度进行控制。

8.根据权利要求3-7任一所述的智能抽屉开关柜，其特征在于，还包括：

网络通信单元，用于所述站控层监控系统与上级监控系统进行信息的互联。

9.根据权利要求2-8任一所述的智能抽屉开关柜，其特征在于，还包括：

载波通信单元，用于所述人机界面单元与抽屉柜负载侧进行信息互联。

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