開關柜智能操控系統的研發

李歡

【摘 要】 開關柜智能操控系統是為監控開關柜而設計的，根據實際運行開關柜的內部結構和工作狀態，開發與其相匹配的智能化操控系統，實現二次回路監控的效果。本文介紹了開關柜智能操控系統的總體設計、硬件設計和軟件設計，為相關人員提供了借鑒和參考意義。

【關鍵詞】 開關柜 智能 操控 研發

開關柜是一種高壓成套配電設備，是將有關一、二次設備按特定的線路方案組裝而成，在電力系統中獲得廣泛應用。智能化控制在開關柜中的應用也成為必然的發展趨勢，發展開關柜智能操控系統的工作有著重要的學術意義和明顯的工業應用價值。開關柜智能操控系統是為監控開關柜而設計的，根據實際運行開關柜的內部結構和工作狀態，開發與其相匹配的智能化操控系統，實現二次回路監控的效果。主要內容是采集信號來源，做出迅速的反饋，及時的通報開關柜內部操控結果，實現對開關柜工作狀態的實時操控。

1 系統的總體設計

系統開發的方案是根據開關柜的組成、監控系統的特點、溫濕度的采集、故障診斷、通信技術等方面進行仔細分析的基礎上提出來的。系統不僅要達到對開關柜實現數據與操控的目的，還要符合開關柜智能化的要求，因此系統的設計需要考慮實時性、可靠性及安全性等方面的要求。在總體設計方案中，采用了核心板加外圍模塊組成完整的平臺，同時在底層硬件基礎上逐步構建系統的軟件框架，引入實時操作系統，不但能滿足目前系統的要求，同時便于系統的升級與擴展。系統總體設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

本系統針對開關柜相關參數實時監控的要求，以ARM硬件平臺為核心，配以相應的外圍電路模塊，構建了一個開關柜智能操控系統的硬件部分。

（1）開關位置和缺相檢測通過光電隔離經過ARM平臺處理，由LED顯示開關工作位置及缺相故障所在，并通過語音報警系統來告知開關柜目前工作情況；

（2）通過溫濕度傳感器采集開關柜內溫濕度，并判斷是否在要求范圍之內，如異常則通過溫濕控制輸出電路對溫濕度進行調節；

（3）通過人機接口電路對溫濕度上下限進行設置更正，并通過LCD顯示目前的溫濕度；

（4）設計電路的時候為了減少各類信號的相互干擾，采用了光電隔離技術，很大程度上提高了號傳遞的準確性。

2.1 微處理器

微處理器并不是通用的CPU，和通用的CPU有些區別，以通用計算機的CPU為基礎，具有體積小、功耗低、重量輕、成本低等特點。考慮到本設計體積較小，功能比較齊全，為滿足儀器功耗低，安裝方便等特點，硬件系統選擇了NXP半導體公司生產的一款基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM的CPU-LPC2214處理器。

2.2 電源及復位電路

在該系統中，需要提供3路電壓電源，其中，LPC2214內核電源為1.8V，LPC2214的I/O口電源電壓為3.3V，其他外圍電路部分器件需5V電源。為確保系統中電路穩定可靠工作，使用復位邏輯芯片將控制器初始化為某一確定的狀態。

2.3 開關量輸入及動態輸出顯示電路

開關量輸入及動態輸出顯示電路主要是在線監測開關柜各設備功能是否正常運行，通過模擬輸出采用高亮顯示出目前開關柜運行的狀態"開關量信號通過光電禍合，并行接口電路輸入到微機進行保護，本系統設計中需要有工作位置、試驗位置、斷路器、隔離開關狀態和儲能等信號提供給控制系統來監測開關柜的運行狀態，并進行相應的處理。由于在采集各種工作狀態的信號時，相互之間會有多個干擾，為防止各種信號的干擾，本系統利用光電禍合器TLP521-4實現現場隔離，去掉公共地線的電氣聯系，隔離效果不錯，電路中LPC2214的GPIO口負責對信號的采集做出相應的正確判斷。

為了能夠準確的及時的捕捉到目前開關柜運行的狀態，在系統中加入了動態輸出顯示電路，顯示電路采用高亮LED顯示，一目了然便于觀察。

2.4 溫濕度控制電路

由于開關柜中很多元器件的正常工作對溫度和濕度是有要求的，溫度過低元器件不能正常工作或損壞，濕度過高會在絕緣表成形成凝露，降低絕緣性能而放電，因此準確的溫濕度測量控制可以大大提高開關柜運行的安全性。

采用SHT71溫濕傳感器，每隔一定時間采集開關柜溫度與濕度信息，當溫度和濕度出現異常時，由報警模塊進行語音報警，同時啟動溫濕度調節系統和除濕降溫系統，使用風扇進行降溫除濕控制，風扇由繼電器控制，人機交換電路可設定溫濕度閡值，實現隨時有效監控和管理。

2.5 語音提示報警電路

本系統設計具有語音提示報警功能，能夠通過聲音來識別目前的工作情況，以便更好地掌控操控動向。當斷路器位于實驗位置與工作位置之間時，此時斷路器處于合閘位置時，有“請分斷路器”的語音提示；當斷路器位于實驗位置與工作位置之間或處于工作位置時，如果測到接地刀合閘，有“請分接地開關”的語音提示；當柜體主回路送電時，柜前有人停留，語音提示“本回路帶電”。

2.6 人機接口電路

本操控系統需要進行參數設置的輸入，主要有溫濕度上，下限的設置，以及參數的校準信息等，因此需要相應的信號輸入電路。

2.7 存儲電路

本操控系統在語音報警和液晶顯示的時候需要保存報警程序和上下限設置溫濕度數據，因此要求這些數據在掉電后不能丟失。

2.8 通信電路

在整個設計中，下位機需要將采集的信號及時與PC機進行相關數據交換，考慮到通信距離不遠，因此采用了RS一232方式進行串口通信。

3 系統軟件設計

在μC/OS-II操作系統中，使用任務創建OSTaskCreate定義了5個主要任務，包括開關量信號采集任務、溫濕度控制任務、液晶顯示任務、存儲任務、人機通信任務。軟件系統的運行流程圖詳見圖3。endprint

3.1 初始化任務

在系統復位，完成μC/OS-II系統初始化后，系統開始建立了初始化任務，初始化任務優先級最高，用來進一步完成硬件的初始化，然后建立控制任務，最后將自己刪除。

3.2 開關量信號采集控制程序

系統需要對工作位置、實驗位置、缺相漏電、儲能、斷路器開/合進行相關的判斷，從而在主板上相應的顯示出來當前的狀態，進行相關的提示，缺相漏電報警，這里面就要考慮到很多中斷問題。進入相應的中斷以后，系統立即會調用相關的控制程序及語音處理程序。

3.3 溫濕控制模塊軟件程序

溫濕度的采集有助于了解開關柜內部溫濕度是否正常，以便達到保護的作用。如果溫濕度超過上限溫濕設定或者低于下限設定，那么系統立即進入除濕降溫處理的程序當中，啟動加熱器或者風扇，同時會進行報警提示。

3.4 液晶顯示程序

人機交換可以實現良好的可視化界面操作，通過鍵盤和LCD，能夠實時的顯示和修改溫濕狀態參數，各界面之間通過按鍵進行切換，由于YM128*64擁有一系列操作指令，通過這些指令可以實現對顯示屏的控制。

3.5 V++界面設計

用戶的主界面由5部分組成，其功能分別如下：

（1）時間顯示。這要用于顯示當前PC機的時間，方便用戶準確把握。

（2）溫濕度采集。實時采集開關柜監測的溫濕度情況，了解溫濕度實時變化的情況。

（3）高壓帶電顯示。及時反饋各相是否正常運行。

（4）開關量采集。本系統主機工作中需要監測的開關量很多，不僅要知道其各自的工作狀態，還需要對各種狀態進行控制，如：合閘、分閘。

（5）報警模塊。當開關柜出現異常情況的時候，需要及時的反饋給操作人員。

4 結語

微機保護裝置實時控制可大大提高保護性能和可靠性，在實現開關柜保護的同時，操控系統實際上就是一臺高性能！多功能的計算機，在整個開關柜系統中起著關鍵的終端作用。它可實時準確的獲取開關柜內部運行和故障的任何信息和數據，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數據傳送給監測人員，而且在無故障正常運行情況下完成多種功能，滿足開關柜保護系統選擇性！準確性！可靠性以及實時性多任務的要求。

參考文獻：

[1]陳振生.智能化高壓電器設備狀態監測技術[J].電氣開關，2002（1）：28-29.

[2]楊新民，楊雋琳.電力系統微機保護培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2000.

[3]杜宏，邊靜.配電網自動化中的通信方案[J].電力設備.2002，3（2）；38-40.

[4]錢林.最新低壓開關柜外形與主電路方案設計選用標準圖集[M].北京：中國電力出版社.

[5]黃邵平，趙毅君.智能型高壓開關柜系統硬件設計[J].湖南工程學院學報，2002，12（2）：8-12.endprint

3.1 初始化任務

在系統復位，完成μC/OS-II系統初始化后，系統開始建立了初始化任務，初始化任務優先級最高，用來進一步完成硬件的初始化，然后建立控制任務，最后將自己刪除。

3.2 開關量信號采集控制程序

系統需要對工作位置、實驗位置、缺相漏電、儲能、斷路器開/合進行相關的判斷，從而在主板上相應的顯示出來當前的狀態，進行相關的提示，缺相漏電報警，這里面就要考慮到很多中斷問題。進入相應的中斷以后，系統立即會調用相關的控制程序及語音處理程序。

3.3 溫濕控制模塊軟件程序

溫濕度的采集有助于了解開關柜內部溫濕度是否正常，以便達到保護的作用。如果溫濕度超過上限溫濕設定或者低于下限設定，那么系統立即進入除濕降溫處理的程序當中，啟動加熱器或者風扇，同時會進行報警提示。

3.4 液晶顯示程序

人機交換可以實現良好的可視化界面操作，通過鍵盤和LCD，能夠實時的顯示和修改溫濕狀態參數，各界面之間通過按鍵進行切換，由于YM128*64擁有一系列操作指令，通過這些指令可以實現對顯示屏的控制。

3.5 V++界面設計

用戶的主界面由5部分組成，其功能分別如下：

（1）時間顯示。這要用于顯示當前PC機的時間，方便用戶準確把握。

（2）溫濕度采集。實時采集開關柜監測的溫濕度情況，了解溫濕度實時變化的情況。

（3）高壓帶電顯示。及時反饋各相是否正常運行。

（4）開關量采集。本系統主機工作中需要監測的開關量很多，不僅要知道其各自的工作狀態，還需要對各種狀態進行控制，如：合閘、分閘。

（5）報警模塊。當開關柜出現異常情況的時候，需要及時的反饋給操作人員。

4 結語

微機保護裝置實時控制可大大提高保護性能和可靠性，在實現開關柜保護的同時，操控系統實際上就是一臺高性能！多功能的計算機，在整個開關柜系統中起著關鍵的終端作用。它可實時準確的獲取開關柜內部運行和故障的任何信息和數據，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數據傳送給監測人員，而且在無故障正常運行情況下完成多種功能，滿足開關柜保護系統選擇性！準確性！可靠性以及實時性多任務的要求。

參考文獻：

[1]陳振生.智能化高壓電器設備狀態監測技術[J].電氣開關，2002（1）：28-29.

[2]楊新民，楊雋琳.電力系統微機保護培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2000.

[3]杜宏，邊靜.配電網自動化中的通信方案[J].電力設備.2002，3（2）；38-40.

[4]錢林.最新低壓開關柜外形與主電路方案設計選用標準圖集[M].北京：中國電力出版社.

[5]黃邵平，趙毅君.智能型高壓開關柜系統硬件設計[J].湖南工程學院學報，2002，12（2）：8-12.endprint

3.1 初始化任務

在系統復位，完成μC/OS-II系統初始化后，系統開始建立了初始化任務，初始化任務優先級最高，用來進一步完成硬件的初始化，然后建立控制任務，最后將自己刪除。

3.2 開關量信號采集控制程序

系統需要對工作位置、實驗位置、缺相漏電、儲能、斷路器開/合進行相關的判斷，從而在主板上相應的顯示出來當前的狀態，進行相關的提示，缺相漏電報警，這里面就要考慮到很多中斷問題。進入相應的中斷以后，系統立即會調用相關的控制程序及語音處理程序。

3.3 溫濕控制模塊軟件程序

溫濕度的采集有助于了解開關柜內部溫濕度是否正常，以便達到保護的作用。如果溫濕度超過上限溫濕設定或者低于下限設定，那么系統立即進入除濕降溫處理的程序當中，啟動加熱器或者風扇，同時會進行報警提示。

3.4 液晶顯示程序

人機交換可以實現良好的可視化界面操作，通過鍵盤和LCD，能夠實時的顯示和修改溫濕狀態參數，各界面之間通過按鍵進行切換，由于YM128*64擁有一系列操作指令，通過這些指令可以實現對顯示屏的控制。

3.5 V++界面設計

用戶的主界面由5部分組成，其功能分別如下：

（1）時間顯示。這要用于顯示當前PC機的時間，方便用戶準確把握。

（2）溫濕度采集。實時采集開關柜監測的溫濕度情況，了解溫濕度實時變化的情況。

（3）高壓帶電顯示。及時反饋各相是否正常運行。

（4）開關量采集。本系統主機工作中需要監測的開關量很多，不僅要知道其各自的工作狀態，還需要對各種狀態進行控制，如：合閘、分閘。

（5）報警模塊。當開關柜出現異常情況的時候，需要及時的反饋給操作人員。

4 結語

微機保護裝置實時控制可大大提高保護性能和可靠性，在實現開關柜保護的同時，操控系統實際上就是一臺高性能！多功能的計算機，在整個開關柜系統中起著關鍵的終端作用。它可實時準確的獲取開關柜內部運行和故障的任何信息和數據，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數據傳送給監測人員，而且在無故障正常運行情況下完成多種功能，滿足開關柜保護系統選擇性！準確性！可靠性以及實時性多任務的要求。

參考文獻：

[1]陳振生.智能化高壓電器設備狀態監測技術[J].電氣開關，2002（1）：28-29.

[2]楊新民，楊雋琳.電力系統微機保護培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2000.

[3]杜宏，邊靜.配電網自動化中的通信方案[J].電力設備.2002，3（2）；38-40.

[4]錢林.最新低壓開關柜外形與主電路方案設計選用標準圖集[M].北京：中國電力出版社.

[5]黃邵平，趙毅君.智能型高壓開關柜系統硬件設計[J].湖南工程學院學報，2002，12（2）：8-12.endprint