基于2.4G技术的高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置设计*

杨 志，杨 进，桂建平，贾立敬

（1.广东电网有限责任公司清远供电局，广东清远 511500；2.广州铁路职业技术学院，广东广州 510430）

1 现状分析

随着我国智能电网发展战略的提出，建设坚强、自愈型电网已成为一种趋势。由于目前配网环节早期投入的配电站不具备通讯装置，无法一步到位地实现“三遥”（即遥信、遥测、遥控）[1]功能。大部分的高压配电柜依然只能通过人工手动操作的方式完成分合闸动作。而且电网系统的改造和维护日益频繁，配电柜操作次数也在不断增多。例如，某供电局2016年公用室内10 kV配电站267个，公用中压室内负荷配电柜1 429台，2015年执行配电柜操作600多次，2016年执行配电柜操作800多次。操作配电柜的次数增加必然导致操作风险的增大，特别是人身伤害的风险。

为降低工作人员操作高压配电柜的作业风险，同时结合配网自动化建设利旧原则，本文利用新型的控制技术[2]——2.4G无线通信技术，针对高压配电柜的操作进行设备改进。实现操作人员与配电柜保持安全距离，避免了人员在操作配电柜时存在的人身安全风险。

2 高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置

本文设计的装置主要针对10 kV配电柜点触式分合闸的操作。10 kV点触式分合闸配电柜的柜体材料是普通钢板，高压开关设备都固定于配电柜内部的支架上，与操作面板还有20 cm以上的距离。在配电柜的面板上，安装有仪表和点触操作按钮。本文设计的装置必须安全可靠地固定在配电柜面板上，能产生有效的机械伸缩动作，触发配电柜的合闸、分闸控制按钮，从而完成配电柜分合闸操作。还需要实现远距离稳定的遥控操作。

2.1 机械结构

装置的执行部分称为点触装置，其机械结构如图1所示。

图1 点触装置机械结构图

点触装置的一端，内置了一圈永久性磁铁，可以将装置可靠地吸附在配电柜操作面板上。由于操作面板与高压开关元件还有较大的中空距离，可以保证磁铁不会对高压开关元件产生有效的影响。中心支架是一个带有内圆孔的结构零件，内孔的直径比配电柜操作面板的按钮外径略大。中心支架、电机支架通过螺纹连接的方式固定在外壳上，将电动机和丝杆机构牢牢固定在装置中心。电动机驱动丝杠机构，使得丝杠产生伸缩动作。端盖将本装置内部配件完全地密封起来，并在表面提供有电源开关、信号指示灯、电量显示、充电接口、特殊功能接口等功能单元。本装置采用的电动机为步进电机，并在丝杠的一端安装有接近开关，通过控制系统控制丝杠伸缩运动的有效行程。采用铁锂电池供电。铁锂电池与传统的铅酸蓄电池相比，具有安全性强、高温性能好、长循环寿命、重量轻、体积小的优点。

2.2 控制系统结构

高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置的控制系统结构如图2所示。

装置的控制系统是以微控制器为控制核心，基于2.4G无线通信技术实现远距离数据交互。其中，点触装置部分的微控制器向步进电机驱动模块电路输出方向信号和步进脉冲信号，形成对步进电机转动量的开环控制。为了保证对步进电机控制的稳定性，在系统中设计了一个零位接近开关，安装在丝杠的末端位置，系统每次开机复位都将执行一次找零位的动作。在点触装置还设计了一个LED三色灯，通过红、黄、绿三色显示装置的工作状态。遥控器部分，设计有准备键、执行键、取消键三个功能按键。

控制系统采用半双工通信方式，遥控器向点触装置下发控制指令数据，也接收点触装置返回的状态数据。遥控器的指示灯的状态实时地反映了点触装置的工作状态，二者的LED灯的显示是一致的。所以，操作者完全可根据遥控器LED灯的显示状态，判断远处的点触装置的工作状态。

图2 高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置控制系统结构图

2.3 2.4G无线通信

高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置使用了LC12S无线串口模块，从而实现2.4G无线通信功能。LC12S无线串口模块的特点，很好地满足了高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置的系统需求。该模块采用标准TTL电平标准，配有UART接口。通讯芯片采用SoC技术[4]，提供底层通讯协议，转换及射频收发切换自动完成，UART串口实现透明传输。模块使用2.4 GHz ISM频段，该频段是国际规定的免费频段[3]，传输距离远，开阔地无干扰情况下可达120米以上。模块对收发的数据没有数据包大小限制，并且数据收发延时短。

MCU程序处理好一帧数据，通过UART接口传给LC12S无线串口模块，模块再自动把这些数据组装成无线传输的格式。遥控器MCU作为通信的主机，点触装置的MCU作为从机，形成点到点的通信结构。主从机通信协议的数据结构如下：

帧头2个字节设备ID 1个字节数据1个字节CRC校验1个字节

帧头：通过帧头判断一帧数据的起始，帧头的内容是固定的2个字节，可以大大提高读取数据帧的准确性。

设备ID：该字节内容与地址拨码开关的状态对应。

数据：要发送的数据，该字节高4位为控制信息，低4位为装置运行状态的信息。

CRC校验[5]：检验数据帧的真确性。

每次按下遥控器的按键，主机下发控制指令数据帧，从机在接收到正确的数据帧后，会向主机发送响应数据帧，相应数据的内容包含点触装置的运行状态信息。主机以中断响应的方式处理从机返回的响应数据。主机主程序的流程图如图3所示。

图3 主机主程序流程图

3 操作过程

高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置操作方便快捷。首先打开无线遥控装置的电源开关，等待点触装置复位动作结束后，LED灯显示为红色。再将点触装置的中心孔对准操作对象按键，吸附高压配电柜面板上。操作人员手持遥控器远离高压配电柜，在安全距离外操作遥控器。

图4 点触动作

先按下遥控器的准备键，LED灯显示为绿色，点触装置处于待命状态，通信处于正常工作情况。再当按下执行键，装置执行点触动作（如图4所示），LED灯变为黄色，装置点触动作执行完毕，LED灯又变回红色。如果要消除装置的待命状态，则按下取消键，LED灯直接变回红色，这样可以有效避免在没有准备好的情况下产生误操作。当装置电池电压过低，则LED灯做红色闪烁的变化。操作结束后，关闭点动装置和遥控器的电源开关，并将点动装置从配电柜上取下。目前，该套装置已在广东电网有限责任公司清远清城供电局完成现场工况的应用试验，处理了某配电站的电网合环转电的任务，如图5所示。工作人员在配电房外，使用遥控器遥控点触装置，完成了10 kV配电柜的分、合闸操作。

图5 工作人员远距离无线遥控高压配电柜

4 总结

本文设计的高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置，实现了无线方式远距离发送控制指令，实现了点触式操作动作。点触动作迅速，达到高压配电柜安全点触操作的技术要求。其结构尺寸符合10 kV配电柜点触按键规格及面板布局规格，能安全可靠地固定在配电柜，安装和拆卸方便、快捷。可以广泛地应用于各级电网合环转电[6]的操作，以及在其他有安全隐患的场合完成点触式开关操作。该设计具有良好的应用前景和推广价值。