智能物联电源箱研究

谢光辉 谢 珉 李继堂 李建云 周文彬

云南电网有限责任公司大理供电局（云南 大理 671000）

0 引言

目前，在施工作业、应急抢险过程中，经常存在采用的电源箱达不到级差配合要求，无防大气过电压功能，不能远方操作电源进线空气断路器并实时监测箱体内各空气断路器分合闸状态的问题，给施工、应急抢险作业带来较大的安全风险压力及较多的人力支出。从安全作业及工作效能角度出发，现亟需一种新型电源箱，解决施工、应急抢险作业场景中使用传统电源箱时面临的问题。

1 系统研究方向选择

随着计算机自动化系统及信息技术的快速发展，在现有条件下，可以采用树莓派、单片机、PLC可编程控制器等硬件实现需求，从技术角度而言，三者均能满足功能。经综合考虑，因树莓派具有较好人机交互体验的特点，故方案选择树莓派进行系统开发[1]。

2 系统电路设计

2.1 防雷

防雷采用电源防雷器，将防雷器并联至电源箱内的电源进线母线排，并将电源防雷器的接地端接至箱体内的接地端。当施工作业现场环境遭受大气过电压时，大气过电压通过防雷器向接地体快速泄放，避免箱体内其他电气设备以及接在电源馈线回路上的其他用电设备过电压损坏，甚至造成人员触电事故，其电气连接关系如图1所示。

2.2 级差配合

为满足电源箱电源进线空气断路器与电源箱所引接的上一级电源之间的合理级差配合关系，并综合考虑安装便利性及应急电源搭接时效性要求高的特点，箱体内的电源进线空气断路器设计为可快速拆卸的安装方式。具体实现方式：箱体内电源进线空气断路器的电源输入端与上一级电源之间（电源母线），电源进线空气断路器的输出端与箱体内馈线母线铜排之间均采用航空插头方式连接。当检修电源箱电源进线空气断路器与上一级电源断路器级差不匹配时，可快速拆卸电源进线空气断路器，更换其他能与上一级电源进行级差合理匹配的断路器，大幅度缩短级差配合时间。

2.3 装置控制、监控

（1）主控系统选择。方案选择树莓派系列硬件，采用PI4系统作为主控单元。树莓派是一款微型电脑主板，以MicroSD卡为内存硬盘，主板带有USB接口、以太网接口和Wi-Fi功能模块，可连接键盘、鼠标和有线、无线网络；硬件具有HDMI高清视频输出接口，具备所有PC的基本功能；同时，树莓派设置有GPIO、UART、IC、SPI等外设、总线接口[2]。通过GPIO口及外围控制电路可对外部电气设备进行控制，使用Wi-Fi功能模块能与无线路由器及手机进行组网，可实现树莓派与手机端的通信、控制。

（2）树莓派系统电路设计。树莓派主控单元电路主要分为两个部分：进线电源状态及电源进线空气断路器、馈线回路空气断路器位置情况监测；电源进线空气断路器现地、远方控制。

第一，进线电源状态、空气断路器位置监测。输入电源、空气断路器位置监测及断路器遥控操作原理图如图2所示。综合图1、图2可知，进线电源状态监测采用一只电源监测继电器监测进线电源电压幅值、电源相序情况，电源状态正常时继电器提供一对空接点用于状态监视；当电源幅值超限、断相、相序异常时，继电器动作，并提供另外一对空接点用于树莓派系统进行异常告警。电源进线空气断路器、馈线回路断路器本身具有辅助接点，在断路器分合闸状态发生改变时，提供空接点用于树莓派监测空气断路器分合闸状态。

图1 智能物联电源箱电气元件连接图

图2 输入电源、空气断路器位置监测及断路器遥控操作原理图

第二，电源进线空气断路器现地、远方控制。电源进线空气断路器现地、远方遥控操作原理图如图3所示。综合图2、图3可知，电源进线空气断路器有现地、远方控制两个模式，其中远方控制通过使用无线路由器将树莓派、手机控制端组网在同一网段内，实现手机端与树莓派之间的通信。使用现地模式时，将现地远方切换开关QH，切换至现地，QH（2-1）、QH（2-2）接点导通，QH（1-1）、QH（1-2）断开，闭锁远方操作回路。当空气断路器合闸时，将手动合闸、跳闸操作开关KK切换至手动合闸位置，KK（1-1）闭合，SH继电器带电，SH继电器常开触点闭合，电源经SH的动作接点、QH（2-1）接点，使空气断路器合闸线圈带电，从而实现断路器合闸。当空气断路器分闸时，将手动合闸、跳闸操作开关KK切换至分闸位置，KK（2-2）闭合，ST继电器带电，ST的动作接点闭合，电源经ST接点、QH（2-2）接点，使空气断路器分闸线圈带电，从而实现断路器合闸。使用远方模式时，将现地远方切换开关QH，切换至远方，QH（1-1）、QH（1-2）接点导通，QH（2-1）、QH（2-2）断开，闭锁现地操作回路。当空气断路器远方合闸时，通过手机控制端，发出合闸信号，通过Wi-Fi连接，将信号传递至树莓派，再通过树莓派GPIO引脚[3]将5 V电平送至远方遥控合闸继电器YH，远方遥控合闸继电器YH带电后，远方遥控合闸继电器YH的动作接点闭合，远方遥控合闸继电器YH的动作接点的一端接开关电源正极，此时操作电源经远方遥控合闸继电器YH的动作接点、现地远方切换开关远方位置第一对接点QH（1-1）送至电源进线空气断路器合闸线圈HQ，实现电源进线空气断路器的合闸。当电源进线空气断路器远方分闸时，通过手机控制端发出分闸信号，通过Wi-Fi连接，将信号传递至树莓派，再通过树莓派GPIO引脚将5 V电平送至远方遥控跳闸继电器YT，远方遥控跳闸继电器YT带电后，远方遥控跳闸继电器YT的动作接点闭合，远方遥控跳闸继电器YT的动作接点的一端接开关电源正极，此时操作电源经远方遥控跳闸继电器YT的动作接点、现地远方切换开关远方位置第二对接点QH（1-2）送至电源进线空气断路器的分闸线圈，实现电源进线空气断路器的分闸[4-6]。

图3 电源进线空气断路器现地、远方遥控操作原理图

3 结语

智能物联电源箱的研究，是在现有物联技术背景条件下，对施工、应急抢险作业现场电源安全、规范使用的一种探索。新技术的运用，提升了电源箱使用全过程的人机功效特性，是传统电气设备物联化的具体体现，具有较强的实用性。