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[摘 要]配电自动化的飞速发展使得智能配电网成为可能并成为目前我国配电网发展的主要趋势。在配电网中，作为主要工作形态之一的开关柜，集断路器、负荷开关、接触器、隔离开关、熔断器、互感器、避雷器、电容器、母线以及相应的量测装置、控制装置、保护装置、监测诊断装置、信号装置、连锁装置以及通信系统等于一个长方柜型的金属外壳内。出于对电力系统稳定性和智能化的要求越来越高，智能开关柜产业正在稳步快速地发展。
[关键词]开关柜；智能化；技术
中图分类号：TM591
传统的电气控制主要是通过断路器、接触器、热继电器、熔断器、控制继电器、互感器、各种电工仪表等组成低压控制开关柜，来实现配电、控制、保护、监视功能。这种开关柜操作复杂、维修不便、需要人工、没有预警等等都成为摆在眼球亟待解决的问题，随着计算机发展、数据处理技术、控制理论、传感器技术、网络通讯技术、电力电子技术等先进科学技术的高速发展推动智能开关的前进。传统的设备已经无法满足现代化智能电网发展的需求，企业亟需一种集远程监控保护、计量分析、故障排除等一体的新型智能配电柜。
2 开关柜智能化系统总体设计
2.1 智能化技术
可以从以下几个方面实现开关柜的智能化：作为对供电设备的控制和保护，开关柜要对保障其保护和控制的对象能可靠的工作在任何工作状态下；作为一种电、磁、机一体的装置，开关柜要加强控制和监测自身的工作状态，有效提高工作可靠性；作为电网的基本元件，智能开关柜是自动化系统的基础，能对系统安全可靠的运行保驾护航。开关柜的智能化需要各种先进技术的理论支持，通过学习、自适应、感知以及记忆等手段实现有效的控制和处理，确保系统各方面都能达到最优化。智能化技术主要包括现代传感器技术、微机处理技术、故障诊断技术以及状态监测技术。
2.2 硬件设计方案
在设计系统的硬件时核心是微处理器，并以相应的管理电路和外围电路相辅助来采集和控制信号；对于配电自动化产品来说，放在首位的应该是系统运行的可靠性，否则因产品故障使开关柜故障率提高就背离了配电自动化的初衷，所以要着重加强设计开关柜的电磁兼容性。在硬件设计中采用的设计思想为模块化思想，具体模块包括：判断开关柜是否正常运行并实时反应在LED显示屏上的开关量及故障监控模块；输入操控系统相关参数设置的键盘操作及LCD显示模块；能对开关柜内部环境温湿度有效调节的温湿度测量及调节模块；便于操作人员与PC机通信的人机通信模块。
2.3 软件设计方案
在开关柜智能化系统中，软件设计是其中的重要组成部分，设计的软件功能包括在线监测、数据通信、温湿度监控、报警以及人机交互等。本文选用的软件设计汇编语言为C语言，并在软件中引入了实时操作系统，实现了嵌入式操作系统。在软件实施架构的过程中，采取的设计思路为分模块、分系统，系统功能的实现分为以下三个步骤：首先是操作系统的移植，通过代码的修改保障操作系统的正常运行；其次是初始化任务，向各子任务系统通过消息队列以及共享内存等方式进行相关的参数设置；最后是功能模块设计，最终实现软件的设计功能。
3 硬件设计与实现
3.1 硬件整体框架设计
本文设计的开关柜智能化系统核心为ARM硬件平台，同时辅以外围电路，共同构成系统硬件。缺相检测和开关位置可以借由光电隔离和开关量输入经过ARM硬件平台处理，把缺相故障和开关工作位置显示在LED屏幕上，同时语音报警系统会把开关柜目前的工作情况向工作人员告知；开关柜内工作环境温湿度是由温湿度传感器采集并判断的，如果数值不在要求范围之内则使用温湿控制输出电路实施调节；温湿度上下限是通过人机接口电路设置更正的，并把目前的温湿度显示在LCD上。
3.2 电路设计
电路设计主要包括以下几个模块：需要把3路电压电源提供给系统的电源及复位电路设计、对开关柜中每一个设备开展在线监测确保设备功能可以正常运行的开关量输入电路设计、能对目前开关柜运行状态进行及时准确捕捉的动态输出显示电路设计、能测量和控制开关柜内部工作环境温湿度的温湿度控制电路设计、能对目前工作情况通过声音识别并能提示报警的语音提示报警电路设计、便于工作人员设置相关参数的人机接口电路设计、便于PC机与下位机及时进行数据交换的通信电路设计以及存储电路设计。
3.3 硬件抗干扰
一般而言，开关柜智能化系统都具有较多的端口数目，出现的电磁干扰项也较多，为了使硬件抗干扰能力得到有效提高，确保终端设备的正常运行，有必要采取相应的硬件抗干扰措施：使用COMS芯片或贴片器件来防止静电干扰；选用金属膜电阻，采用稳定频率和稳定性较好的电容器件；对输入输出信号采用滤波器等进行隔离；通过滤波器对高噪声信号和输入信号进行进一步的抗干扰；加大导线与元器件之间的距离；尽量把带有强电的元器件放在人体接触不到的地方。
4 软件设计与实现
4.1 操作系统概述
本文使用的嵌入式操作系统具有小巧的结构，是实时操作系统的一种，包含可剥夺性实时内核，内核提供的功能囊括了任务调度与管理、任务同步与通信、终端服务、时间管理以及内存管理。能满足系统的实时性需求，内核经过编译后只有6-10KB，扩展性能较理想。该系统是在1992年由美国人开发完成的，并经过了美国航空管理局认证，具有非常广泛的应用面，其代码汇编语言为C语言，篇幅较小，具有源代码公开、实时性、可裁剪性、可移植性以及可靠性等优点，便于在CPU上的移植。
4.2 系统程序与实现
在嵌入式操作系统中，共创建了五个主要任务，分别为：采集开关量信号、控制柜内工作环境温湿度、液晶显示、人机通信以及存储任务。首先，要进行初始化任务设计，以便于进一步初始化硬件和控制任务的建立；其次是采集开关量信号，通过对设备位置和状态的判断进行提示和报警；第三通过传感器信号的转换、校准和纠错，把处理后的数据进行液晶显示和报警；第四是通过LCD和键盘，把温湿状态参数实时的进行显示；最后是通过芯片的读写功能对数据进行存储。由于篇幅所限，本文涉及的程序代码就不一一列出。
4.3 界面设计
本文采用了VC++语言进行上位机界面设计，显示内容包括时间、带电显示。温湿度以及工作状态，本文在界面设计的过程中对主板传输信号进行定时采集，并将相关数据在LED上实时显示。主界面主要包括以下功能：显示时间，便于用户准确把握；显示实时采集到的温湿度数据，便于实时的了解；显示高压带电情况，对各相是否正常进行及时的反馈；开关量采集，了解和控制各个设备的工作状态；报警模块，出现异常或发现故障时，及时的向操作人员提供警示。
5 结论
為了紧跟智能化发展的需求，本文在ARM处理器技术基础上，研究了集合保护、控制、监测与报警功能的智能开关柜装置。但是本文设计实现的多为基本功能，应用到实际生产过程中还存在一些问题，需要对系统做进一步的改进和完善，依托更先进的技术使系统性能得到行之有效的提高。
参考文献
[1] 谷新梅.变电站交流不间断电源系统设计[J].广东科技，2008，（22）：125-126.
[2] 王刘杨.浅谈提高UPS运行可靠性的几种方案[J].电气应用，2008，27（2）：50-52.
[关键词]开关柜；智能化；技术
中图分类号：TM591
传统的电气控制主要是通过断路器、接触器、热继电器、熔断器、控制继电器、互感器、各种电工仪表等组成低压控制开关柜，来实现配电、控制、保护、监视功能。这种开关柜操作复杂、维修不便、需要人工、没有预警等等都成为摆在眼球亟待解决的问题，随着计算机发展、数据处理技术、控制理论、传感器技术、网络通讯技术、电力电子技术等先进科学技术的高速发展推动智能开关的前进。传统的设备已经无法满足现代化智能电网发展的需求，企业亟需一种集远程监控保护、计量分析、故障排除等一体的新型智能配电柜。
2 开关柜智能化系统总体设计
2.1 智能化技术
可以从以下几个方面实现开关柜的智能化：作为对供电设备的控制和保护，开关柜要对保障其保护和控制的对象能可靠的工作在任何工作状态下；作为一种电、磁、机一体的装置，开关柜要加强控制和监测自身的工作状态，有效提高工作可靠性；作为电网的基本元件，智能开关柜是自动化系统的基础，能对系统安全可靠的运行保驾护航。开关柜的智能化需要各种先进技术的理论支持，通过学习、自适应、感知以及记忆等手段实现有效的控制和处理，确保系统各方面都能达到最优化。智能化技术主要包括现代传感器技术、微机处理技术、故障诊断技术以及状态监测技术。
2.2 硬件设计方案
在设计系统的硬件时核心是微处理器，并以相应的管理电路和外围电路相辅助来采集和控制信号；对于配电自动化产品来说，放在首位的应该是系统运行的可靠性，否则因产品故障使开关柜故障率提高就背离了配电自动化的初衷，所以要着重加强设计开关柜的电磁兼容性。在硬件设计中采用的设计思想为模块化思想，具体模块包括：判断开关柜是否正常运行并实时反应在LED显示屏上的开关量及故障监控模块；输入操控系统相关参数设置的键盘操作及LCD显示模块；能对开关柜内部环境温湿度有效调节的温湿度测量及调节模块；便于操作人员与PC机通信的人机通信模块。
2.3 软件设计方案
在开关柜智能化系统中，软件设计是其中的重要组成部分，设计的软件功能包括在线监测、数据通信、温湿度监控、报警以及人机交互等。本文选用的软件设计汇编语言为C语言，并在软件中引入了实时操作系统，实现了嵌入式操作系统。在软件实施架构的过程中，采取的设计思路为分模块、分系统，系统功能的实现分为以下三个步骤：首先是操作系统的移植，通过代码的修改保障操作系统的正常运行；其次是初始化任务，向各子任务系统通过消息队列以及共享内存等方式进行相关的参数设置；最后是功能模块设计，最终实现软件的设计功能。
3 硬件设计与实现
3.1 硬件整体框架设计
本文设计的开关柜智能化系统核心为ARM硬件平台，同时辅以外围电路，共同构成系统硬件。缺相检测和开关位置可以借由光电隔离和开关量输入经过ARM硬件平台处理，把缺相故障和开关工作位置显示在LED屏幕上，同时语音报警系统会把开关柜目前的工作情况向工作人员告知；开关柜内工作环境温湿度是由温湿度传感器采集并判断的，如果数值不在要求范围之内则使用温湿控制输出电路实施调节；温湿度上下限是通过人机接口电路设置更正的，并把目前的温湿度显示在LCD上。
3.2 电路设计
电路设计主要包括以下几个模块：需要把3路电压电源提供给系统的电源及复位电路设计、对开关柜中每一个设备开展在线监测确保设备功能可以正常运行的开关量输入电路设计、能对目前开关柜运行状态进行及时准确捕捉的动态输出显示电路设计、能测量和控制开关柜内部工作环境温湿度的温湿度控制电路设计、能对目前工作情况通过声音识别并能提示报警的语音提示报警电路设计、便于工作人员设置相关参数的人机接口电路设计、便于PC机与下位机及时进行数据交换的通信电路设计以及存储电路设计。
3.3 硬件抗干扰
一般而言，开关柜智能化系统都具有较多的端口数目，出现的电磁干扰项也较多，为了使硬件抗干扰能力得到有效提高，确保终端设备的正常运行，有必要采取相应的硬件抗干扰措施：使用COMS芯片或贴片器件来防止静电干扰；选用金属膜电阻，采用稳定频率和稳定性较好的电容器件；对输入输出信号采用滤波器等进行隔离；通过滤波器对高噪声信号和输入信号进行进一步的抗干扰；加大导线与元器件之间的距离；尽量把带有强电的元器件放在人体接触不到的地方。
4 软件设计与实现
4.1 操作系统概述
本文使用的嵌入式操作系统具有小巧的结构，是实时操作系统的一种，包含可剥夺性实时内核，内核提供的功能囊括了任务调度与管理、任务同步与通信、终端服务、时间管理以及内存管理。能满足系统的实时性需求，内核经过编译后只有6-10KB，扩展性能较理想。该系统是在1992年由美国人开发完成的，并经过了美国航空管理局认证，具有非常广泛的应用面，其代码汇编语言为C语言，篇幅较小，具有源代码公开、实时性、可裁剪性、可移植性以及可靠性等优点，便于在CPU上的移植。
4.2 系统程序与实现
在嵌入式操作系统中，共创建了五个主要任务，分别为：采集开关量信号、控制柜内工作环境温湿度、液晶显示、人机通信以及存储任务。首先，要进行初始化任务设计，以便于进一步初始化硬件和控制任务的建立；其次是采集开关量信号，通过对设备位置和状态的判断进行提示和报警；第三通过传感器信号的转换、校准和纠错，把处理后的数据进行液晶显示和报警；第四是通过LCD和键盘，把温湿状态参数实时的进行显示；最后是通过芯片的读写功能对数据进行存储。由于篇幅所限，本文涉及的程序代码就不一一列出。
4.3 界面设计
本文采用了VC++语言进行上位机界面设计，显示内容包括时间、带电显示。温湿度以及工作状态，本文在界面设计的过程中对主板传输信号进行定时采集，并将相关数据在LED上实时显示。主界面主要包括以下功能：显示时间，便于用户准确把握；显示实时采集到的温湿度数据，便于实时的了解；显示高压带电情况，对各相是否正常进行及时的反馈；开关量采集，了解和控制各个设备的工作状态；报警模块，出现异常或发现故障时，及时的向操作人员提供警示。
5 结论
為了紧跟智能化发展的需求，本文在ARM处理器技术基础上，研究了集合保护、控制、监测与报警功能的智能开关柜装置。但是本文设计实现的多为基本功能，应用到实际生产过程中还存在一些问题，需要对系统做进一步的改进和完善，依托更先进的技术使系统性能得到行之有效的提高。
参考文献
[1] 谷新梅.变电站交流不间断电源系统设计[J].广东科技，2008，（22）：125-126.
[2] 王刘杨.浅谈提高UPS运行可靠性的几种方案[J].电气应用，2008，27（2）：50-52.