开关柜智能操控系统的研发

【摘 要】 开关柜智能操控系统是为监控开关柜而设计的，根据实际运行开关柜的内部结构和工作状态，开发与其相匹配的智能化操控系统，实现二次回路监控的效果。本文介绍了开关柜智能操控系统的总体设计、硬件设计和软件设计，为相关人员提供了借鉴和参考意义。

【关键词】 开关柜 智能 操控 研发

开关柜是一种高压成套配电设备，是将有关一、二次设备按特定的线路方案组装而成，在电力系统中获得广泛应用。智能化控制在开关柜中的应用也成为必然的发展趋势，发展开关柜智能操控系统的工作有着重要的学术意义和明显的工业应用价值。开关柜智能操控系统是为监控开关柜而设计的，根据实际运行开关柜的内部结构和工作状态，开发与其相匹配的智能化操控系统，实现二次回路监控的效果。主要内容是采集信号来源，做出迅速的反馈，及时的通报开关柜内部操控结果，实现对开关柜工作状态的实时操控。

1 系统的总体设计

系统开发的方案是根据开关柜的组成、监控系统的特点、温湿度的采集、故障诊断、通信技术等方面进行仔细分析的基础上提出来的。系统不仅要达到对开关柜实现数据与操控的目的，还要符合开关柜智能化的要求，因此系统的设计需要考虑实时性、可靠性及安全性等方面的要求。在总体设计方案中，采用了核心板加模块组成完整的平台，同时在底层硬件基础上逐步构建系统的软件框架，引入实时操作系统，不但能满足目前系统的要求，同时便于系统的升级与扩展。系统总体设计框图如图1所示。

2 硬件设计

本系统针对开关柜相关参数实时监控的要求，以ARM硬件平台为核心，配以相应的电路模块，构建了一个开关柜智能操控系统的硬件部分。

（1）开关位置和缺相检测通过光电隔离经过ARM平台处理，由LED显示开关工作位置及缺相故障所在，并通过语音报警系统来告知开关柜目前工作情况；

（2）通过温湿度传感器采集开关柜内温湿度，并判断是否在要求范围之内，如异常则通过温湿控制输出电路对温湿度进行调节；

（3）通过人机接口电路对温湿度上下限进行设置更正，并通过LCD显示目前的温湿度；

（4）设计电路的时候为了减少各类信号的相互干扰，采用了光电隔离技术，很大程度上提高了号传递的准确性。

2.1 微处理器

微处理器并不是通用的CPU，和通用的CPU有些区别，以通用计算机的CPU为基础，具有体积小、功耗低、重量轻、成本低等特点。考虑到本设计体积较小，功能比较齐全，为满足仪器功耗低，安装方便等特点，硬件系统选择了NXP半导体公司生产的一款基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM的CPU-LPC2214处理器。

2.2 电源及复位电路

在该系统中，需要提供3路电压电源，其中，LPC2214内核电源为1.8V，LPC2214的I/O口电源电压为3.3V，其他电路部分器件需5V电源。为确保系统中电路稳定可靠工作，使用复位逻辑芯片将控制器初始化为某一确定的状态。

2.3 开关量输入及动态输出显示电路

开关量输入及动态输出显示电路主要是在线监测开关柜各设备功能是否正常运行，通过模拟输出采用高亮显示出目前开关柜运行的状态"开关量信号通过光电祸合，并行接口电路输入到微机进行保护，本系统设计中需要有工作位置、试验位置、断路器、隔离开关状态和储能等信号提供给控制系统来监测开关柜的运行状态，并进行相应的处理。由于在采集各种工作状态的信号时，相互之间会有多个干扰，为防止各种信号的干扰，本系统利用光电祸合器TLP521-4实现现场隔离，去掉公共地线的电气联系，隔离效果不错，电路中LPC2214的GPIO口负责对信号的采集做出相应的正确判断。

为了能够准确的及时的捕捉到目前开关柜运行的状态，在系统中加入了动态输出显示电路，显示电路采用高亮LED显示，一目了然便于观察。

2.4 温湿度控制电路

由于开关柜中很多元器件的正常工作对温度和湿度是有要求的，温度过低元器件不能正常工作或损坏，湿度过高会在绝缘表成形成凝露，降低绝缘性能而放电，因此准确的温湿度测量控制可以大大提高开关柜运行的安全性。

采用SHT71温湿传感器，每隔一定时间采集开关柜温度与湿度信息，当温度和湿度出现异常时，由报警模块进行语音报警，同时启动温湿度调节系统和除湿降温系统，使用风扇进行降温除湿控制，风扇由继电器控制，人机交换电路可设定温湿度阂值，实现随时有效监控和管理。

2.5 语音提示报警电路

本系统设计具有语音提示报警功能，能够通过声音来识别目前的工作情况，以便更好地掌控操控动向。当断路器位于实验位置与工作位置之间时，此时断路器处于合闸位置时，有“请分断路器”的语音提示；当断路器位于实验位置与工作位置之间或处于工作位置时，如果测到接地刀合闸，有“请分接地开关”的语音提示；当柜体主回路送电时，柜前有人停留，语音提示“本回路带电”。

2.6 人机接口电路

本操控系统需要进行参数设置的输入，主要有温湿度上，下限的设置，以及参数的校准信息等，因此需要相应的信号输入电路。

2.7 存储电路

本操控系统在语音报警和液晶显示的时候需要保存报警程序和上下限设置温湿度数据，因此要求这些数据在掉电后不能丢失。

2.8 通信电路

在整个设计中，下位机需要将采集的信号及时与PC机进行相关数据交换，考虑到通信距离不远，因此采用了RS一232方式进行串口通信。

3 系统软件设计

在μC/OS-II操作系统中，使用任务创建OSTaskCreate定义了5个主要任务，包括开关量信号采集任务、温湿度控制任务、液晶显示任务、存储任务、人机通信任务。软件系统的运行流程图详见图3。

3.1 初始化任务

在系统复位，完成μC/OS-II系统初始化后，系统开始建立了初始化任务，初始化任务优先级最高，用来进一步完成硬件的初始化，然后建立控制任务，最后将自己删除。

3.2 开关量信号采集控制程序

系统需要对工作位置、实验位置、缺相漏电、储能、断路器开/合进行相关的判断，从而在主板上相应的显示出来当前的状态，进行相关的提示，缺相漏电报警，这里面就要考虑到很多中断问题。进入相应的中断以后，系统立即会调用相关的控制程序及语音处理程序。

3.3 温湿控制模块软件程序

温湿度的采集有助于了解开关柜内部温湿度是否正常，以便达到保护的作用。如果温湿度超过上限温湿设定或者低于下限设定，那么系统立即进入除湿降温处理的程序当中，启动加热器或者风扇，同时会进行报警提示。

3.4 液晶显示程序

人机交换可以实现良好的可视化界面操作，通过键盘和LCD，能够实时的显示和修改温湿状态参数，各界面之间通过按键进行切换，由于YM128*64拥有一系列操作指令，通过这些指令可以实现对显示屏的控制。

3.5 V++界面设计

用户的主界面由5部分组成，其功能分别如下：

（1）时间显示。这要用于显示当前PC机的时间，方便用户准确把握。

（2）温湿度采集。实时采集开关柜监测的温湿度情况，了解温湿度实时变化的情况。

（3）高压带电显示。及时反馈各相是否正常运行。

（4）开关量采集。本系统主机工作中需要监测的开关量很多，不仅要知道其各自的工作状态，还需要对各种状态进行控制，如：合闸、分闸。

（5）报警模块。当开关柜出现异常情况的时候，需要及时的反馈给操作人员。

4 结语

微机保护装置实时控制可大大提高保护性能和可靠性，在实现开关柜保护的同时，操控系统实际上就是一台高性能！多功能的计算机，在整个开关柜系统中起着关键的终端作用。它可实时准确的获取开关柜内部运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给监测人员，而且在无故障正常运行情况下完成多种功能，满足开关柜保护系统选择性！准确性！可靠性以及实时性多任务的要求。

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