一種新型智能開關柜集控裝置的研發

趙建飛+侯志遠+劉俊+王躍

【摘 要】 在電力系統中，高壓開關柜一次設備工作狀態的顯示、溫濕度控制和遠方/就地等操作一般是通過信號燈和獨立的電氣元件來實現，這會造成系統集成度低、配線繁瑣、可靠性低、檢修困難等問題。針對開關柜在使用此類產品出現的問題，提出設計開發一種以MC9S08AW60為核心元件的新型智能可擴展型集控裝置。

【關鍵詞】 智能集控裝置 ?HCS08系列單片機 ?軟硬件設計

目前，電力系統中開關柜的一次系統圖動態指示、溫濕度控制、高壓帶電指示及核相驗電、防誤操作和智能化操控是由幾個獨立的裝置分別實現的。由于柜體上安裝了不同廠家的多個元件，勢必會帶來集成度低、配線復雜、可靠性差的缺點，影響了開關柜智能監測和控制功能的實現。在總結以往開關柜所存在不足的基礎上，結合國外的先進理念，研究開發一種新型開關柜智能集控裝置。該新型開關柜智能測控裝置集多種開關柜儀表、監測裝置功能于一體，整齊、簡單的屏面布置，大大減少開關面板的開孔和接線，裝置的統一和分散儀表的一體化，為維護管理提供更多便利，多種可選型號滿足不同用戶人性化的操作要求

本裝置以MC9S08AW60高性能的單片機微處理器作為核心元件設計的一種新型的開關柜智能集控裝置具備良好性能，本文將分別介紹了軟硬件電路的設計，并對智能集控裝置在未來成套電氣領域的發展趨勢和應用前景進行了展望。

1 硬件電路設計

1.1 設計平臺

中央處理器采用的是Freescale公司的一款基于S08核的高度節能、高性能單片機MC9S08AW60，該單片機可應用在家電、汽車、工業控制等場合，具有業內最佳的性能。該單片機片上資源豐富，支持 BDM（Background Debugging Mode）片上調試功能，片內集成看門狗電路，抗干擾能力突出，具有業內最佳的EMC性能;CPU總線頻率最高可達20MHz，最高運行速率可達40MHz。豐富的片上資源：60KB在線可編程FLASH存儲器，內部時鐘發生器，帶有2個可編程定時器，豐富的I/O口：雙SCI口、SPI、I2C等接口，極大的方便了硬件的擴展。

三相電能計量芯片采用高精度的ADE7758電能計量芯片。芯片帶有一個串行接口和兩路脈沖輸出功能，ADE7758 集成了二階模數轉換器、 數字積分器、基準電路和溫度傳感器，并包涵有功、無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件。

1.2 設計原理框圖

裝置硬件電路設計框圖如圖一，整個系統以MC9S08AW60為核心，按功能可劃分為中央處理單元、電源模塊、避雷器放電計數及泄露電流監視模塊、開關量控制模塊、無線測溫模塊、人機交互模塊、語音提示模塊、通訊模塊以及必要的光電隔離模塊等。

1.3 部分模塊電路

1.3.1 中央處理單元

中央處理單元（CPU）是智能集控裝置的核心，它負責統籌各個板塊電路的信息，協調各個板塊電路的動作。CPU對采樣信號進行處理計算，根據測量得到的電流、電壓、溫濕度值與預先設定的各種保護數值進行對比，由此來判斷開關柜的電壓、電流及溫濕度狀況是否正常，若不正常則發出相應的報警信號。

裝置對外通訊使用單片機的串行接口SCI1，再通過MAX485芯片組成RS485通訊電路，通訊使能控制由單片機進行控制發送和接收，并內置標準Modbus RTU協議。

1.3.2 開關量控制單元

裝置的遙信采集和遙控輸出通過開關量控制單元來實現。開關量輸入經光電耦合接入CPU;告警輸出由GPIO口經光電耦合器連接到繼電器輸出。開關量的輸入有斷路器合、斷路器分、手車工作位置、手車試驗位置、接地刀閘位置以及儲能指示。對于備用的開關量輸入，可以對應一次圖編程設置。開關量輸出有斷路器分、斷路器合、加熱器、風扇、告警、照明、高壓帶電閉鎖的控制等。

1.3.3 避雷器放電計數及泄漏電流監測單元

裝置集成避雷器放電計數及泄漏電流監測功能，實現了對避雷器的工作狀態進行實時監測，在避雷器泄漏電流超出標準或動作次數頻繁等異常工作狀態時，可主動進行遠程或就地警示，提前告知用戶進行檢查和更換，從而有效避免了因避雷器老化、受潮、絕緣降低等異常狀態引起的電網事故，真正起到了避雷器產品智能化的目的;同時因本功能是實時在線不間斷工作的，所以也免去了用戶每年對避雷器的例行檢驗，減少了維護成本。

1.3.4 無線測溫單元

本裝置提出采用無線測溫傳感器，以ZigBee雙向無線通信技術為依托，建立新型高壓開關柜無線測溫系統。無線溫度傳感器節點是該系統的基本單元，它負責獲取溫度數據和預處理，并將之傳輸到ZigBee網絡管理單元。其內部集成符合IEEE802.15.4標準的 ? ?2.4GHz射頻（RF）收發無線單片機，高性能測溫芯片DHT21直接通過單線與單片機I/O口連接，不必另外增加專門的總線控制器，在減少硬件成本的同時也減小了無線溫度傳感器節點的體積，與開關柜柜內有限的空間相適應。無線溫度采集器直接安裝在被測設備表面，負責采集監測點的溫度數據，并將數據通過ZigBee網絡發送。集中器負責收集無線傳感器節點發出的溫度數據，并把所收集的數據上傳到智能可擴展型集控裝置顯示。后臺數據管理中心通過本裝置的RS485接口實現對監測各測溫點溫度變化。

1.3.5 人機交互單元

裝置的人機交互界面采用LCD液晶顯示模塊。LCD采用128*128點陣顯示，初始界面為電參量顯示面，通過按鍵輸入進入菜單設置界面，菜單選項均采用中文顯示界面，使得操作直觀易懂。通過菜單選項可以設置如接線方式、電壓變比、電流變比、告警定值、通信地址及波特率等參數。低端產品則采用四位LED數碼管顯示溫濕度信息及各種可編程信息。用戶可根據實際需要進行設置各種告警定值參數、通信地址及波特率等。endprint

1.3.6 語音提示單元

裝置使用可一次編程的AP8921A語音芯片，采用CPU方式進行觸發選通各段。在8kHz的采樣頻率下，其選通速度可達65us;工作電源是+5V的直流模塊，其采樣頻率是由AP8921A的OSC引腳外接的振蕩電阻實現的。

在語音芯片不工作時，觸發位通過10kΩ的電阻接地，在電路中它的四個觸發位分別與單片機的P2.0～P2.3相連，由單片機進行判斷究竟是哪一段觸發工作，最后由揚聲器輸出。由于COUT引腳輸出的電流相對較小，COUT輸出端外接 NPN型晶體管進行電流放大以驅動揚聲器工作。基準電阻分別接晶體管的基極和發射極，其大小由晶體管、揚聲器和電源共同決定。

2 軟件電路設計

軟件設計主要包括主程序設計、通訊模塊設計以及溫濕度檢測電路的軟件實現等部分。

2.1 主程序設計

主程序的設計在完成CPU初始化和電能芯片初始化之后，進行溫濕度測量、電量計算、狀態顯示及報警處理，并將相關參數量以LCD屏的形式顯示。程序設計流程如圖二。

CPU初始化主要指的是對CPU的特殊狀態寄存器SFR進行配置，設置I/O口的輸入輸出狀態以及初始狀態，讀取存儲寄存器數據等;電能芯片初始化主要指對ADE7758功能寄存器的配置;而主程序其余部分則是為完成裝置功能進行的設計。中斷程序設計主要包含外部中斷和內部中斷，外部中斷主要包括鍵盤中斷、定時器中斷等，可以通過中斷控制器引腳IRQ加以屏蔽;而內部中斷則是因為裝置掉電、計數器溢出等引起的，不能加以屏蔽。當中斷發生時，CPU立即停止當前程序響應中斷，在處理完中斷后，繼續返回原中斷地址處執行原來的工作。只有合理安排程序流程來完成這些功能，裝置才能可靠工作。

2.2 RS485通訊設計

通訊模塊采用中斷程序設計方式，采用標準的Modbus-RTU規約，主要完成裝置數據接收、相關通訊協議的處理等。數據接收后發送至上位機，實現對開關柜的實時在線監控。

裝置采用主從方式收發數據，在實際使用中如果某從機站點斷開后（如故障或關機），主機端可以診斷出來，而當故障修復后，網絡又可自動接通，這種方式大大提高了通信可靠性。在Modbus總線協議里，信息開始至少需要有3.5個字符的靜止時間，依據使用的波特率，很容易計算這個靜止的時間。

連接在通訊線路上的設備連續監測通訊連路上的信息，包括靜止時間在內的信息。當接收到第一個地址數據后，每臺設備會馬上對它進行解碼，從而判斷是否是自己的地址，每當發送完最后一個字符時，需要留出3.5個字符的靜止時間，之后發送下一個新的信息。但是整個信息是必須連續發送的，如果在發送幀信息當中出現了任何大于1.5個字符的靜止時間，則接收設備會刷新不完整的信息，并且開始假設下一個地址數據，以保證數據的實時有效。在同樣一個信息后，如果沒有大于3.5個字符的靜止時間就馬上發送的一個新信息，這將導致一個錯誤的產生（CRC校驗碼無效），從而提醒監控人員進行數據傳輸問題的及時處理。

2.3 溫濕度監測電路軟件設計

溫濕度傳感器DHT21將溫濕度信息通過串行時鐘線和數據線接入CPU。硬件接入是單總線。傳感器上電后，需等待1秒，以越過不穩定狀態，在等待期間無需發送任何指令。DATA引腳用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，單總線串行數據格式，一次通訊時間5ms左右。主機（MCU）發送一次開始信號后，DHT21從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT21發送響應信號，送出相應字節的數據，并觸發一次信號采集，從而完成對溫濕度的實時檢測和傳輸。

3 結語

目前國內生產廠家都在開發各類集控裝置，許多產品集成度已有所提高、降低了操作繁瑣，滿足了部分用戶的實際需求。相信隨著科技的不斷進步和用戶需求的逐漸明朗，智能集控裝置一定會更加完善，滿足建設堅強智能電網要求，并將達到國際先進水平，本產品應用前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]孫正來，孫鳴.高壓開關柜在線監測技術研究[J].電力信息化，2008（06）.

[2]陳振生，王嘉.基于Zigbee技術的高壓開關觸點溫度在線監測技術[J].電工電氣，2010（05）.

[3]張桂，金國強，李輝.基于ARM平臺Modbus-RTU協議的研究與實現[J].電力科學與工程，2011（01）.

[4]劉世安，彭小娟.基于ZigBee協議的無線溫濕度監測系統設計[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2011（01）.

[5]邢峰，王永富，韓培君，李英俊.新型高壓開關柜智能集控裝置的應用[J].內蒙古電力技術，2012（06）.

[6]徐良鈞.高壓開關柜智能集控裝置的選用[J].港口科技，2010（05）.

[7]馬保軍，吳傳紅.高壓開關柜內接頭發熱事故的分析及解決[J].河南科技，2010（19）.

[8]潘群，王琳.RS-485串行通信接口電路的設計與應用[J].常州工學院報，2009（22）.

[9]黃彪.高壓開關柜綜合在線監測與故障診斷系統[D].西安工程大學，2012.

[10]趙立強.淺析高壓開關柜的智能控制[J].科技風，2013（12）.endprint

1.3.6 語音提示單元

裝置使用可一次編程的AP8921A語音芯片，采用CPU方式進行觸發選通各段。在8kHz的采樣頻率下，其選通速度可達65us;工作電源是+5V的直流模塊，其采樣頻率是由AP8921A的OSC引腳外接的振蕩電阻實現的。

在語音芯片不工作時，觸發位通過10kΩ的電阻接地，在電路中它的四個觸發位分別與單片機的P2.0～P2.3相連，由單片機進行判斷究竟是哪一段觸發工作，最后由揚聲器輸出。由于COUT引腳輸出的電流相對較小，COUT輸出端外接 NPN型晶體管進行電流放大以驅動揚聲器工作。基準電阻分別接晶體管的基極和發射極，其大小由晶體管、揚聲器和電源共同決定。

2 軟件電路設計

軟件設計主要包括主程序設計、通訊模塊設計以及溫濕度檢測電路的軟件實現等部分。

2.1 主程序設計

主程序的設計在完成CPU初始化和電能芯片初始化之后，進行溫濕度測量、電量計算、狀態顯示及報警處理，并將相關參數量以LCD屏的形式顯示。程序設計流程如圖二。

CPU初始化主要指的是對CPU的特殊狀態寄存器SFR進行配置，設置I/O口的輸入輸出狀態以及初始狀態，讀取存儲寄存器數據等;電能芯片初始化主要指對ADE7758功能寄存器的配置;而主程序其余部分則是為完成裝置功能進行的設計。中斷程序設計主要包含外部中斷和內部中斷，外部中斷主要包括鍵盤中斷、定時器中斷等，可以通過中斷控制器引腳IRQ加以屏蔽;而內部中斷則是因為裝置掉電、計數器溢出等引起的，不能加以屏蔽。當中斷發生時，CPU立即停止當前程序響應中斷，在處理完中斷后，繼續返回原中斷地址處執行原來的工作。只有合理安排程序流程來完成這些功能，裝置才能可靠工作。

2.2 RS485通訊設計

通訊模塊采用中斷程序設計方式，采用標準的Modbus-RTU規約，主要完成裝置數據接收、相關通訊協議的處理等。數據接收后發送至上位機，實現對開關柜的實時在線監控。

裝置采用主從方式收發數據，在實際使用中如果某從機站點斷開后（如故障或關機），主機端可以診斷出來，而當故障修復后，網絡又可自動接通，這種方式大大提高了通信可靠性。在Modbus總線協議里，信息開始至少需要有3.5個字符的靜止時間，依據使用的波特率，很容易計算這個靜止的時間。

連接在通訊線路上的設備連續監測通訊連路上的信息，包括靜止時間在內的信息。當接收到第一個地址數據后，每臺設備會馬上對它進行解碼，從而判斷是否是自己的地址，每當發送完最后一個字符時，需要留出3.5個字符的靜止時間，之后發送下一個新的信息。但是整個信息是必須連續發送的，如果在發送幀信息當中出現了任何大于1.5個字符的靜止時間，則接收設備會刷新不完整的信息，并且開始假設下一個地址數據，以保證數據的實時有效。在同樣一個信息后，如果沒有大于3.5個字符的靜止時間就馬上發送的一個新信息，這將導致一個錯誤的產生（CRC校驗碼無效），從而提醒監控人員進行數據傳輸問題的及時處理。

2.3 溫濕度監測電路軟件設計

溫濕度傳感器DHT21將溫濕度信息通過串行時鐘線和數據線接入CPU。硬件接入是單總線。傳感器上電后，需等待1秒，以越過不穩定狀態，在等待期間無需發送任何指令。DATA引腳用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，單總線串行數據格式，一次通訊時間5ms左右。主機（MCU）發送一次開始信號后，DHT21從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT21發送響應信號，送出相應字節的數據，并觸發一次信號采集，從而完成對溫濕度的實時檢測和傳輸。

3 結語

目前國內生產廠家都在開發各類集控裝置，許多產品集成度已有所提高、降低了操作繁瑣，滿足了部分用戶的實際需求。相信隨著科技的不斷進步和用戶需求的逐漸明朗，智能集控裝置一定會更加完善，滿足建設堅強智能電網要求，并將達到國際先進水平，本產品應用前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]孫正來，孫鳴.高壓開關柜在線監測技術研究[J].電力信息化，2008（06）.

[2]陳振生，王嘉.基于Zigbee技術的高壓開關觸點溫度在線監測技術[J].電工電氣，2010（05）.

[3]張桂，金國強，李輝.基于ARM平臺Modbus-RTU協議的研究與實現[J].電力科學與工程，2011（01）.

[4]劉世安，彭小娟.基于ZigBee協議的無線溫濕度監測系統設計[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2011（01）.

[5]邢峰，王永富，韓培君，李英俊.新型高壓開關柜智能集控裝置的應用[J].內蒙古電力技術，2012（06）.

[6]徐良鈞.高壓開關柜智能集控裝置的選用[J].港口科技，2010（05）.

[7]馬保軍，吳傳紅.高壓開關柜內接頭發熱事故的分析及解決[J].河南科技，2010（19）.

[8]潘群，王琳.RS-485串行通信接口電路的設計與應用[J].常州工學院報，2009（22）.

[9]黃彪.高壓開關柜綜合在線監測與故障診斷系統[D].西安工程大學，2012.

[10]趙立強.淺析高壓開關柜的智能控制[J].科技風，2013（12）.endprint

1.3.6 語音提示單元

裝置使用可一次編程的AP8921A語音芯片，采用CPU方式進行觸發選通各段。在8kHz的采樣頻率下，其選通速度可達65us;工作電源是+5V的直流模塊，其采樣頻率是由AP8921A的OSC引腳外接的振蕩電阻實現的。

在語音芯片不工作時，觸發位通過10kΩ的電阻接地，在電路中它的四個觸發位分別與單片機的P2.0～P2.3相連，由單片機進行判斷究竟是哪一段觸發工作，最后由揚聲器輸出。由于COUT引腳輸出的電流相對較小，COUT輸出端外接 NPN型晶體管進行電流放大以驅動揚聲器工作。基準電阻分別接晶體管的基極和發射極，其大小由晶體管、揚聲器和電源共同決定。

2 軟件電路設計

軟件設計主要包括主程序設計、通訊模塊設計以及溫濕度檢測電路的軟件實現等部分。

2.1 主程序設計

主程序的設計在完成CPU初始化和電能芯片初始化之后，進行溫濕度測量、電量計算、狀態顯示及報警處理，并將相關參數量以LCD屏的形式顯示。程序設計流程如圖二。

CPU初始化主要指的是對CPU的特殊狀態寄存器SFR進行配置，設置I/O口的輸入輸出狀態以及初始狀態，讀取存儲寄存器數據等;電能芯片初始化主要指對ADE7758功能寄存器的配置;而主程序其余部分則是為完成裝置功能進行的設計。中斷程序設計主要包含外部中斷和內部中斷，外部中斷主要包括鍵盤中斷、定時器中斷等，可以通過中斷控制器引腳IRQ加以屏蔽;而內部中斷則是因為裝置掉電、計數器溢出等引起的，不能加以屏蔽。當中斷發生時，CPU立即停止當前程序響應中斷，在處理完中斷后，繼續返回原中斷地址處執行原來的工作。只有合理安排程序流程來完成這些功能，裝置才能可靠工作。

2.2 RS485通訊設計

通訊模塊采用中斷程序設計方式，采用標準的Modbus-RTU規約，主要完成裝置數據接收、相關通訊協議的處理等。數據接收后發送至上位機，實現對開關柜的實時在線監控。

裝置采用主從方式收發數據，在實際使用中如果某從機站點斷開后（如故障或關機），主機端可以診斷出來，而當故障修復后，網絡又可自動接通，這種方式大大提高了通信可靠性。在Modbus總線協議里，信息開始至少需要有3.5個字符的靜止時間，依據使用的波特率，很容易計算這個靜止的時間。

連接在通訊線路上的設備連續監測通訊連路上的信息，包括靜止時間在內的信息。當接收到第一個地址數據后，每臺設備會馬上對它進行解碼，從而判斷是否是自己的地址，每當發送完最后一個字符時，需要留出3.5個字符的靜止時間，之后發送下一個新的信息。但是整個信息是必須連續發送的，如果在發送幀信息當中出現了任何大于1.5個字符的靜止時間，則接收設備會刷新不完整的信息，并且開始假設下一個地址數據，以保證數據的實時有效。在同樣一個信息后，如果沒有大于3.5個字符的靜止時間就馬上發送的一個新信息，這將導致一個錯誤的產生（CRC校驗碼無效），從而提醒監控人員進行數據傳輸問題的及時處理。

2.3 溫濕度監測電路軟件設計

溫濕度傳感器DHT21將溫濕度信息通過串行時鐘線和數據線接入CPU。硬件接入是單總線。傳感器上電后，需等待1秒，以越過不穩定狀態，在等待期間無需發送任何指令。DATA引腳用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，單總線串行數據格式，一次通訊時間5ms左右。主機（MCU）發送一次開始信號后，DHT21從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT21發送響應信號，送出相應字節的數據，并觸發一次信號采集，從而完成對溫濕度的實時檢測和傳輸。

3 結語

目前國內生產廠家都在開發各類集控裝置，許多產品集成度已有所提高、降低了操作繁瑣，滿足了部分用戶的實際需求。相信隨著科技的不斷進步和用戶需求的逐漸明朗，智能集控裝置一定會更加完善，滿足建設堅強智能電網要求，并將達到國際先進水平，本產品應用前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]孫正來，孫鳴.高壓開關柜在線監測技術研究[J].電力信息化，2008（06）.

[2]陳振生，王嘉.基于Zigbee技術的高壓開關觸點溫度在線監測技術[J].電工電氣，2010（05）.

[3]張桂，金國強，李輝.基于ARM平臺Modbus-RTU協議的研究與實現[J].電力科學與工程，2011（01）.

[4]劉世安，彭小娟.基于ZigBee協議的無線溫濕度監測系統設計[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2011（01）.

[5]邢峰，王永富，韓培君，李英俊.新型高壓開關柜智能集控裝置的應用[J].內蒙古電力技術，2012（06）.

[6]徐良鈞.高壓開關柜智能集控裝置的選用[J].港口科技，2010（05）.

[7]馬保軍，吳傳紅.高壓開關柜內接頭發熱事故的分析及解決[J].河南科技，2010（19）.

[8]潘群，王琳.RS-485串行通信接口電路的設計與應用[J].常州工學院報，2009（22）.

[9]黃彪.高壓開關柜綜合在線監測與故障診斷系統[D].西安工程大學，2012.

[10]趙立強.淺析高壓開關柜的智能控制[J].科技風，2013（12）.endprint