基于STM32的高壓開關柜帶電告警及閉鎖系統

張 震，陳冠彪，樊 榮，辛永生，張 瑩

（國網淮南供電公司，安徽 淮南 232007）

0 引言

高壓開關柜是指用于電力系統發電、輸電、配電、電能轉換和消耗中起通斷、控制或保護等作用的電氣產品。高壓開關柜是全封閉設備，檢修人員無法觀察停電設備的斷開點。目前變電站常用的開關柜主要有移開式和固定式。移開式開關柜柜內的主要電器元件（如斷路器）是安裝在可抽出手車上的，由于手車柜有很好的互換性，可以大大提高供電的可靠性。常用的手車類型有隔離手車、斷路器手車、壓變手車等，主要型號為KYN28A-12、KYN64-40.5等。固定式開關柜柜內所有的電器元件均為固定式安裝的，固定式開關柜較為簡單經濟，主要型號有XGN2-10、XGN-40.5等。無論哪種形式的開關柜，運維檢修人員無法直接觀察停電設備狀態，給運維檢修工作帶來一定的風險。近年來電力系統發生多起高壓開關柜人身傷亡事故，其原因主要是作業人員對柜內帶電情況不清楚誤入帶電間隔。

高壓開關柜的帶電顯示閉鎖功能是保證電力設備和系統安全運行、確保設備和人身安全、防止誤操作的重要技術措施。傳統的開關柜帶電顯示主要采用氖燈指示高壓是否帶電。閉鎖主要采用微機五防鎖和電磁鎖實現。氖燈容易損壞，為延長氖燈壽命需要設置直鍵開關，但存在不能全過程帶電監測的弊端，同時氖燈對工作人員的警示不夠直觀醒目；五防鎖和電磁鎖存在人為解鎖的可能，在作業人員強行打開時，無法對柜門鎖進行有效監控。

因此亟需提供一種新型的高壓開關柜感知閉鎖系統及其控制方法來解決上述問題。本文提出基于ARM微控制器STM32F，并結合高壓傳感器、LED顯示屏、語音報警模塊、柜門鎖等搭建高壓開關柜帶電告警及閉鎖系統。經過現場測試，該系統工作穩定可靠，能夠實現高壓帶電告警及閉鎖功能，具有良好的適應性和廣闊的應用前景。

1 系統總體結構

1.1 總體功能設計

高壓開關柜帶電告警及閉鎖裝置 （下文稱監控從機）由ARM微控制器STM32F103、高壓傳感器、電壓信號采集電路、LED顯示單元接口電路、柜門鎖偵測及控制電路、語音提示電路、報警電路、電源電路、數據存儲等電路組成［1］。監控主機選用帶wince系統的工控機，可以實現對若干臺監控從機的管理，主從機之間采用433M通信，從機通過撥碼開關確定通信地址。主機與云服務器通過GPRS通信，實現信息遠傳。本文主要針對監控從機和主機，對系統軟硬件進行設計分析。

STM32F103作為系統的核心，協調具體的信息采集、處理、存儲、輸出控制。高壓傳感器采集高壓母線或高壓線路的帶電信息，經電壓信號處理回路輸入微控制器STM32F103。微控制器判斷帶電則驅動LED顯示模塊顯示帶電信息、給柜門鎖輸出閉鎖信號，此時人員進入檢測區域，則驅動語音模塊發出語音提醒信息。若微控制器判斷無電，此時工作人員輸入正確的開鎖口令或按下柜門開鎖按鈕，則輸出開鎖信號，開啟柜門鎖。當處理器判斷高壓帶電而此時偵測到柜門鎖在開鎖狀態時，微處理器通過控制聲光報警器發出報警。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

1.2 高壓傳感器檢測原理

高壓傳感器主要有感應式和電容式［2］。電容式傳感器采用支柱絕緣子式結構，支柱絕緣子由環氧樹脂及填充劑加熱后澆筑而成，內部埋設高壓功能陶瓷制成的芯棒式電容，棒式電容的一端經上法蘭與高壓連接，另一端與傳感器二次輸出端連接。電容式傳感器可作為隔離開關、接地開關、母線、出線等設備的支柱絕緣子使用，具有電氣絕緣性能好、電容量大、強度高、局部放電量小等特點，在35 kV及以下電壓等級中應用廣泛。高壓開關柜內高壓母線和線路傳感器均分相安裝，單相的原理圖和等效電路圖如圖2所示［3］。圖2中，C1為絕緣子空氣隙的電容，C2為與空氣隙串聯的絕緣子介質電容，C3為芯棒式電容，Z 為二次等效輸入阻抗。 因 C3＞＞C2＞＞C1，僅以 C3作為傳感器的等效電容計算。 當 Z＜＜1／（ωC3）時，傳感器可近似認為交流恒流源

式中：I為傳感器輸出電流有效值；f為頻率，工頻取50 Hz；U為相電壓有效值，對于10 kV系統，U取5.77 kV；C3取200 pF，代入上式得出傳感器輸出電流約 0．362 mA。

圖2 高壓傳感器原理及等效電路

2 系統硬件設計

由系統組成可知，系統包含了較多的硬件單元，本文重點介紹電源電路、微控制器、電壓信號采集電路、柜門鎖偵測與控制電路、433 M通信電路、監控主機等核心單元。

2.1 電源電路

對于監控從機，微控制器、433 M通信等模塊工作電壓3.3 V，柜門鎖和驅動繼電器電壓為12V，光耦、LED顯示屏等其他模塊電壓為5 V，因此需要設計合理有效的電路為系統供電。系統采用220 V／12 V開關電源，本文選取的型號為S-60-12的模塊，將220 V市電轉換為12 V直流電，12 V直流電首先經自恢復保險絲及TVS，然后通過ASM1117模塊將12 V電壓依次降壓為5 V和3.3 V。其中保險絲采用SMD1812P200TF，起過電壓保護作用，TVS具有吸收瞬時大脈沖功率的作用，并把電位鉗制在預定水平。在各等級電源輸出端并聯一個較大的電解電容，起低頻濾波的作用，同時在每個芯片的電源引腳上并聯一個0.1 uF的電容，作為去耦電容，濾除高頻信號。

2.2 微控制器

STM32是易法半導體一款面向工業控制的低功耗內核為Cortex M3內核的ARM芯片，由于其較高的性價比、功能完善等多方面優勢得到廣泛的應用［3］。本文中STM32微控制器采用 STM32F103RCT6，其主頻為72 MHz，內置高達256 KB的閃存存儲器和64 KB的靜態SRAM。并具備豐富的外設資源，主要包括 ADC、RTC、I2C、UART、SPI等接口［4］。 圖 3 為高壓開關柜帶電告警及閉鎖的微控制器電路。

圖3 微控制器電路

2.3 電壓信號采集電路

通過高壓傳感器檢測原理可知，其輸出的電流較小，額定電壓下達不到1 mA，難以驅動光耦［5］。本文設計一種電壓信號采集電路，高壓線路A相通道如圖4所示。電壓信號首先通過整流芯片U1，轉換成直流信號，然后經過限流電阻R2驅動三極管Q1導通。此時，VDD5V電壓經過光耦U2，限流電阻R4、發光二極管D1、三極管Q1構成回路，點亮發光二極管D1，同時經光耦U2隔離后輸出信號至微控制器。三極管Q1采用8050，電流可放大100倍，在10%額定電壓下足以導通光耦。信號采集電路中電源采用隔離型電源模塊提供的VDD5V電壓，將模擬電路與數字電路電源分開，模擬地和數字地完全獨立，消除公共阻抗耦合，文中隔離電源模塊型號為B0505S-1WR2，具備1 500 V電壓隔離，抗干擾能力強，安全可靠性高。光耦器件選用TLP281，起到隔離微控制器與高壓傳感器輸入信號的作用，使各模塊間相對獨立，防止干擾通過地線或電源線竄入單片機系統。

當高壓線路A相帶電時，光耦U2導通，IN_1A端口上電壓變為3.3 V，當高壓線路A相不帶電時，光耦U2不能導通，IN_1A端口上電壓變為0 V。STM32微處理器的PC0端口上的電壓隨之改變，并經過A／D轉換判斷出高壓帶電信息。其他相別原理與此相同。

圖4 電壓信號采集電路

2.4 柜門鎖控制與偵測電路

高壓開關柜正常運行情況下，柜內高壓設備帶電，需要將柜門可靠閉鎖。出于安全性考慮，柜門鎖采用KOB公司型號為DJS02的智能電機鎖。該鎖具有自動檢鎖狀態功能、開關靈敏度高，安全可靠的優點，鎖舌長度大于20 mm，符合GA/T 73—1994標準。當誤開鎖或開鎖后未打開柜門，在智能電機鎖感應磁鐵和磁感應開關作用下，5~8 s內自動上鎖，同時具備電源反接保護、電機短路保護、霍爾元件故障后報警功能。柜門鎖電源（12 V、GND）接通后即可感應上鎖，另外通過監控從機給鎖控制端L＋、L－通12 V電壓可實現開鎖。該鎖還帶有信號反饋功能，柜門關閉上鎖后，鎖無源接點COM、NO閉合，柜門打開后該接點打開。該柜門鎖有手動緊急解鎖功能，在掉電情況下能手動上鎖或者解鎖。

由該鎖的接口特性可知，采用繼電器控制電源的通斷即可實現開鎖，通過鎖無源接點開閉情況檢測鎖狀態。柜門鎖控制電路如圖5所示，偵測電路如圖6所示。

控制電路中采用HF46-12-HS1四腳繼電器作為鎖功率驅動元件，將繼電器的輸出接點串入DJS02型電機鎖的開鎖回路中，并將電機鎖的L+端子接12 V電源。 當STM32的PA6（LOCK1_OUT）輸出高電平時，三極管Q2導通，繼電器K1勵磁，常開觸點3、4閉合，L1與NO1閉合，電機鎖開鎖回路接通解鎖；當PA6輸出低電平時，開鎖回路不能導通。圖5中，三極管由導通變為截止時繼電器線圈產生的較大的反向感應電動勢，續流二極管D7為其提供放電通道，防止損壞三極管。

偵測電路中采用5V電壓，為了匹配STM32電平，采用電阻分壓得到3.3 V。電機鎖接口NO、COM分別接L1_NC和地，上鎖后，接點閉合，L1_NC接地，電路端口LOCK1_IN輸出低電平至STM32。開鎖后，接點打開，輸出高電平至STM32的PA5。圖6中0.01 μF電容起到濾除高次諧波作用。

圖5 柜門鎖控制電路

圖6 柜門鎖狀態偵測電路

2.5 433 M通信電路

圖7 433M通信電路

監控從機與監控主機采用433 M無線通信，該無線通信方式安全可靠、穿透能力強，室內通信傳輸距離可達100 m［6］。從機433 M通信電路圖如圖7所示，監控從機433 M模塊采用廣州匯承信息科技有限公司的HC12模塊，該模塊的工作電壓為3.1~6 V，可以與STM32的串口直連，圖中與STM32的異步串行接口UART3連接。監控主機上也配置HC12模塊，實現與各從機的信息交互。主從機的HC11模塊均工作在FU3模式下，不考慮功耗。雙方模塊工作在接收狀態，當需要發射數據時，會使用自身已設置好的信道和地址將數據發射完畢后轉入接收模式。

主從機之間采用一主多從的通信方法。主機發送串口數據時，在數據前加一個從機編號的字。從機收到串口數據后，判斷數據第一個字節是不是自己的編號，是則相應并回復主機，不是則不動作。

3 軟件設計

軟件設計包含從機和主機兩部分。從機監控高壓帶電信息、監控電控鎖開關狀態、完成靠近檢測及聲光報警等功能，與主機進行433 M無線通信，上報從機狀態及告警信息。主機接收來自從機的信息，實時顯示并記錄所有從機狀態和告警事件，完成高壓開關柜帶電告警及閉鎖功能的綜合監控。

3.1 從機軟件設計

從機系統軟件在IAR平臺上開發調試，IAR Embedded Workbench是一套用于編譯和調試嵌入式系統應用程序的開發工具，支持匯編、C和C++語言并提供完整的集成開發環境，包括工程管理器、編輯器、編譯鏈接工具和C-SPY調試器。監控從機的主程序流程如圖8所示。

圖8 從機軟件流程

程序通過JLINKV8仿真器在SWD模式下調試，下載速度可以達到10 Mbit／s并保證高可靠性。

3.2 主機軟件設計

主機采用深圳揚創公司的YC-ES70T-W WINCE工業平板電腦，該主機是以TI工業級 Cortex A8 800M/1G主頻 ARM嵌入式CPU、512MB DDR3 SDRAM、基于Windows CE6.0 R3操作系統的高性能嵌入式人機界面，配備7英寸高亮度TFT真彩液晶屏，四線電阻式觸摸屏，并提供豐富的接口。其中主機的RS232標準串行通信接口通過芯片MAX3232轉換信號電平，再經過HC12模塊實現串口數據到無線數據的雙向透明傳輸，進而實現與各從機的433M無線通信。

采用基于Microsoft Visual Studio2005平臺的C++編程語言開發主機監控軟件。使用ActiveSync連通開發機與WINCE主機，并進行程序的調試和下載。主機監控軟件具有顯示各開關柜從機狀態、母線倉/出線倉柜門鎖狀態、柜內母線/出線帶電狀態，可以在主機軟件上設置從機數量和地址的功能，并且具有保存各從機歷史告警信息的功能。主界面如圖9～11所示。

圖10 監控主機程序參數設置

圖11 監控主機程序告警查詢界面

3.3 通信程序設計

主機輪流發送詢問數據包至各從機，數據包內包含從機地址。各從機處于接收狀態，主機發送完數據后，立即轉換為接收狀態，各從機同時接收到主機發來的數據，分析數據包中地址是否與自己地址相同，若不同，則不予應答，仍處于接收狀態，若相同，則從機發出應答數據包，在應答數據包中，同樣包含從機地址。主機收到應答后，根據地址信息知道這是那個從機發來的數據，完成與該從機的信息交互后，再詢問其他地址的從機，從機則一一應答。若主機超時未收到從機的反饋信息，則判斷該從機離線［7］。

當監控從機STM32監測到有高壓帶電事件、柜門鎖打開和關閉事件、柜門鎖開鎖請求事件、人體靠近告警事件等各類告警信息時，將告警信息通過串口傳給HC11模塊，HC11模將信息通過天線發出。監控主機的HC11模塊收到無線消息，還原成串口數據傳送給主機系統，并在主機的軟件上顯示。監控從機的通信流程如圖12所示。

圖12 監控從機通信流程

4 系統測試

選取額定電壓為10 kV的DXN3電容式高壓傳感器，型號 CG3－10Q／105×140，使用型號為 TQSB－5／50的高壓試驗變壓器在傳感器一次側加壓，檢測傳感器輸出特性、監控從機功能完整性以及監控主機的軟件運行情況。

4.1 感知帶電功能校驗

對監控從機的各通道分別試驗，從高壓傳感器一次側加壓，從0 V逐步升壓至線電壓10 kV。當高壓傳感器一次側不加電壓時，監控上帶電指示LED不亮，MCU檢測不到帶電信號，電壓加至500 V時帶電指示LED燈亮，MCU檢測到帶電信號，從機完全能夠滿足國家標準高壓帶電顯示裝置帶電顯示閾值要求［8］。高壓傳感器一次電壓逐步加至10 kV，感知帶電功能均正常［8］。

4.2 感知帶電聯動功能校驗

柜門關閉后，智能鎖通過自身的磁感應開關自動閉鎖，高壓傳感器一次側加500 V電壓，監控從機感知帶電后，給柜門智能鎖輸出閉鎖信號，智能鎖保持閉鎖狀態，按下開鎖按鈕不能開鎖；驅動LED顯示屏顯示醒目的高壓帶電信息；人員進入開關柜設定區域內，則驅動語音模塊發出語音提示；智能鎖被非法打開，MCU偵測到開鎖狀態，則驅動聲光報警器發出聲光報警。

高壓傳感器一次側不加電壓壓，按下開鎖按鈕，智能鎖打開；LED屏不顯示帶電信息。

4.3 監控主機測試

監控主機主界面能顯示全部從機狀態、智能鎖狀態等，并能實時顯示前述試驗的告警信息，從機與主機傳輸時間小于1 s；主機的歷史告警選項可以方便查詢歷史告警信息。

5 結語

以STM32為主控制器開發高壓開關柜帶電告警及閉鎖系統，并基于433 M通信技術實現監控主機對高壓開關柜柜門鎖的在線監控。經過現場測試，各功能完整，穩定可靠，可以有效避免工作人員誤入帶電間隔，減少開關柜事故的發生，提高變電站安全管理水平，具有實用價值。下一步著重研究云服務以及手機APP的關聯應用，進一步提高該系統的智能化、網絡化。

［1］孫振權，顧紅偉，李彥明，等.高壓帶電顯示及閉鎖裝置現狀及發展前景［J］.高壓電器，2009，45（4）：115-117，132.

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［5］任宏斌，冷建偉.基于STM32的交流電壓檢測［J］.電子設計工程，2016，24（13）：133－135.

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［7］王平，王峰，嚴冬.433 MHz物聯網開發平臺的設計與開發［J］.單片機與嵌入式系統應用，2012，12（7）：16-19.

［8］全國高壓開關設備標準化技術委員會.高壓帶電顯示裝置：GB 25081—2010［S］.北京：中國標準出版社，2011.