智能高壓開關(guān)柜監(jiān)控保護(hù)單元的研究

石靜波

【摘要】要實現(xiàn)配電網(wǎng)電器智能化，就要首先實現(xiàn)在配電網(wǎng)中起著控制和保護(hù)等重要作用的高壓開關(guān)柜的智能化。本次設(shè)計的主要任務(wù)是對10kV高壓開關(guān)柜進(jìn)行智能化研究，對其智能監(jiān)控保護(hù)單元的硬件電路進(jìn)行研究和設(shè)計，及軟件部分提出參考設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】智能；高壓開關(guān)柜；硬件電路

【Abstract】It will be the first to achieve the distribution network control and played an important role in the protection of the Intelligent Switchgear.The main task of this design is to10kV high voltage switch cabinet intelligent study， the intelligent monitoring protection unit hardware circuit research and design， and software part puts forward reference design.

【Key words】Intelligent；Switchgear；Hardware；Circuit

高壓開關(guān)柜是配電網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，隨著變電站綜合自動化程度和供電可靠性的日益提高，對高壓開關(guān)柜性能的要求也愈來愈高。尤其是變（配）電所在逐步實現(xiàn)無人值班時，對高壓開關(guān)及高壓開關(guān)柜運行狀態(tài)的監(jiān)視提出了更高的要求。近年來，傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展及其在各工業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，使智能高壓開關(guān)柜的開發(fā)和應(yīng)用成為可能。智能高壓開關(guān)柜，即是在傳統(tǒng)高壓開關(guān)柜上配置智能型保護(hù)、控制和監(jiān)測單元，具有自檢，自控，自我診斷，自我恢復(fù)、數(shù)字顯示、高壓開關(guān)狀態(tài)顯示、對外雙向數(shù)據(jù)通信等功能。

1. 智能高壓開關(guān)柜監(jiān)測保護(hù)單元的設(shè)計方案

（1）實現(xiàn)高壓開關(guān)柜的智能化，關(guān)鍵在于智能高壓開關(guān)柜監(jiān)控保護(hù)單元的設(shè)計。智能監(jiān)控保護(hù)單元不僅要實現(xiàn)高壓開關(guān)柜在系統(tǒng)中各項監(jiān)測控制保護(hù)功能的智能化，而且還要重點實現(xiàn)對高壓開關(guān)柜本體的各項性能的在線監(jiān)測控制保護(hù)。另外為了滿足用戶和變電站整個智能監(jiān)控系統(tǒng)的需要設(shè)置了數(shù)據(jù)通信功能。

（2）智能監(jiān)控保護(hù)單元主要由電源模塊、CPU模塊、光電隔離交流采樣模塊、光電隔離開關(guān)采樣模塊、控制模塊組成。其核心部分是Intel公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)80C196KB，系統(tǒng)時鐘由專用的時鐘芯片提供。網(wǎng)絡(luò)接口采用RS-485組成的串行接口網(wǎng)絡(luò)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2. 智能監(jiān)控保護(hù)單元硬件電路設(shè)計

（1）智能高壓開關(guān)柜的智能監(jiān)控保護(hù)單元的按結(jié)構(gòu)功能可以分為輸入模塊、中央控制模塊、開關(guān)量輸出模塊、通信模塊、人機(jī)交互模塊。這些模塊在功能上和電路結(jié)構(gòu)上都相對獨立，以便針對智能高壓開關(guān)柜的具體要求，進(jìn)行靈活的配置。下面就按功能模塊的劃分為主線，進(jìn)行智能監(jiān)控保護(hù)單元的硬件設(shè)計。

（2）中央控制模塊設(shè)計：根據(jù)需要，選擇多CPU結(jié)構(gòu)，即選用三主要CPU結(jié)構(gòu)來設(shè)計中央控制模塊。CPU選用美國Intel公司生產(chǎn)的MCS系列單片機(jī)80C196KB。此系列單片機(jī)特別適用于各類自控系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電極控制系統(tǒng)等。還適用于一般的信號處理系統(tǒng)和高級智能儀器等要求實時處理、實時控制的系統(tǒng)中。MCS系列單片機(jī)屬于CHMOS工藝的第二代產(chǎn)品，數(shù)據(jù)/地址線均為16位。CHMOS芯片耗電少，除正常工作外還可處于2種節(jié)電方式：待機(jī)方式和掉電方式，進(jìn)一步減少芯片的功耗。80C196KB系列CPU具備的外圍設(shè)備除了8X86已包括的一些設(shè)備（如時鐘發(fā)生器、內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器、高速輸入/輸出、PWM等）外，還集成了先進(jìn)的外設(shè)事務(wù)服務(wù)器PTS和事件處理器陣列。PTS是一種微代碼硬件處理器，可以代替CPU高速實現(xiàn)諸如啟動A/D轉(zhuǎn)換并讀取結(jié)果、讀取HSI的FIFO、裝載HS0、串行口的發(fā)送和接受等中斷服務(wù)，從而大大減少系統(tǒng)響應(yīng)中斷的開銷。鑒于80C196KB系列單片機(jī)的上述優(yōu)點，選用它來處理本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、鍵盤和液晶顯示、微機(jī)保護(hù)、電網(wǎng)監(jiān)控等重要功能，以提高系統(tǒng)的實時性。通信任務(wù)用AT89C51這種常見的單片機(jī)來完成就可以了，既不影響系統(tǒng)的可靠性，也節(jié)省了投資。所以，本系統(tǒng)采用多CPU結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。多CPU結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

（3）多CPU中央控制模塊的工作原理：測量CPU正常情況下用于監(jiān)控 （所要測量的模擬量包括電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、母線溫度、開關(guān)位置、有功功率、無功功率、電能等），并按一定的時間與保護(hù)CPU交換信息，以便監(jiān)測保護(hù)CPU的工作狀態(tài)是否正常；而保護(hù)CPU則正常情況下用于監(jiān)測測量CPU是否正常工作外，一旦被控設(shè)備發(fā)生故障時，能夠準(zhǔn)確無誤地對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，只有當(dāng)其中的一個CPU被監(jiān)測到有錯誤后，才會立即代替其工作，同時通過通訊接口向遠(yuǎn)控主機(jī)發(fā)信號報錯，從而完成對整個系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)任務(wù)。測量CPU與保護(hù)CPU之間每隔一段時間通過雙口RAM進(jìn)行交換信息來判斷對方狀態(tài)是否正常。通信CPU主要用來完成向接受測量CPU的數(shù)據(jù)并傳給上位機(jī)和接受上位機(jī)發(fā)的信息并把信息傳遞給保護(hù)CPU，完成通信任務(wù)。

3. 開關(guān)柜智能監(jiān)控保護(hù)軟件設(shè)計

3.1 模塊化設(shè)計及任務(wù)調(diào)度分配。

（1）軟件模塊化設(shè)計對與智能高壓開關(guān)柜的軟件系統(tǒng)來說有諸多優(yōu)點，要實現(xiàn)軟件的模塊化設(shè)計就不得不提軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。軟件的總體結(jié)構(gòu)分為硬件驅(qū)動層、管理調(diào)度層、基礎(chǔ)功能層和應(yīng)用層。在智能高壓開關(guān)柜的設(shè)計中，管理調(diào)度層是實現(xiàn)軟件模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)。管理調(diào)度層是一個實時多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，負(fù)責(zé)基礎(chǔ)功能中不同任務(wù)的進(jìn)程調(diào)度，它的好壞直接影響到系統(tǒng)的軟件功能能否順利實現(xiàn)、實現(xiàn)是否高效、硬件資源是否充分利用等。一個好的調(diào)度系統(tǒng)，應(yīng)該既能保證不同的任務(wù)對實時性的要求，又能保證各個任務(wù)能夠可靠、安全地運行。

（2）實時多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的完成由于是面向配電網(wǎng)絡(luò)的50Hz諧波，主要是定間隔采樣和計算問題，本設(shè)計每周波采樣12點，即1.667ms采樣一次，因此把采樣任務(wù)作為最高級的任務(wù)，在中斷中執(zhí)行，以保證采樣時間的精確性。其余內(nèi)部任務(wù)以采樣作為基本執(zhí)行周期，分時進(jìn)行。進(jìn)入采樣中斷后，先對11個模擬量通道和地電平通道依次采樣，并計算出模擬量的平方和。然后判斷當(dāng)前是第幾點采樣，根據(jù)不同的采樣點執(zhí)行一些周期性任務(wù)，如全周富氏濾波每采樣6個點調(diào)用一次，時鐘管理每2個點執(zhí)行一次。為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，應(yīng)將這些任務(wù)分散在不同的采樣間隔中運行，從而盡可能保證每次中斷執(zhí)行時間一致，否則某次中斷時間過長，有可能導(dǎo)致下一次不能準(zhǔn)時中斷，給采樣帶來誤差。在采樣出口以后，由于距下一個采樣時刻到來還有一段時間，在這段時間內(nèi)調(diào)度外部任務(wù)，完成保護(hù)、計算、通信等任務(wù)。任務(wù)調(diào)度的總體框圖如圖3所示。

（3）為了進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，在程序中設(shè)置了的狀態(tài)字節(jié)Task Code，如圖4所示。每個任務(wù)在該字節(jié)中占有一位標(biāo)志，每位標(biāo)志對應(yīng)不同的優(yōu)先級，最低位對應(yīng)優(yōu)先級最低的任務(wù)，最高位對應(yīng)優(yōu)先級最高的任務(wù)。

要進(jìn)行任務(wù)間的切換，必須保留任務(wù)切換處原有程序的執(zhí)行環(huán)境，因此，需要在每個任務(wù)的入口保存程序指針和狀態(tài)字，這些需要保存的數(shù)據(jù)設(shè)計為結(jié)構(gòu)的形式存放。

（4）當(dāng)任務(wù)的執(zhí)行條件滿足后，任務(wù)就轉(zhuǎn)化成就緒狀態(tài)，并同時在任務(wù)狀態(tài)字節(jié)寄存器中置相應(yīng)的標(biāo)志位；當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完畢后，任務(wù)狀態(tài)字節(jié)中相應(yīng)的標(biāo)志位被清除。每次采樣中斷后開始執(zhí)行任務(wù)調(diào)度程序，調(diào)度時首先檢查具備執(zhí)行條件的任務(wù)的優(yōu)先級，從最高級的任務(wù)開始調(diào)用執(zhí)行，執(zhí)行完畢后返回中斷出口處，若此時無就緒的任務(wù)，直接退出，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完畢，清除任務(wù)狀態(tài)位。

3.2 智能監(jiān)控保護(hù)單元的軟件設(shè)計。

軟件上的模塊化設(shè)計保證了智能監(jiān)控保護(hù)單元保護(hù)任務(wù)的優(yōu)先可靠執(zhí)行，并能夠在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展許多監(jiān)控及人機(jī)界面的軟件，成為積木式的軟件模式。智能監(jiān)控保護(hù)單元的軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)，每個模塊完成不同的功能，整體結(jié)構(gòu)較為清晰，添加功能也很方便。軟件采用C語言和匯編語言混和編程方式編寫。C語言結(jié)合了高級語言的基本結(jié)構(gòu)和低級語言的高效性，很適合單片機(jī)的開發(fā)，可移植性很好：匯編語言具有高效性、直接面向硬件操作的優(yōu)點。本裝置中任務(wù)調(diào)度模塊和部分與硬件關(guān)系密切的模塊采用匯編語言開發(fā)，其他與用戶關(guān)系密切的模塊采用C語言編程。在軟件的編制過程中，始終注意軟件設(shè)計的基本要求：（1）易理解性、易維護(hù)性；（2）實時性；（3）可測試性；（4）準(zhǔn)確性；（5）可靠性。主程序通過調(diào)用各子程序模塊來實現(xiàn).其中子程序包括：運算子程序、測量CPU交流采樣子程序、保護(hù)子程序、液晶顯示子程序、通信CPU串行口中斷子程序、外部中斷服務(wù)程序、三CPU通信程序等。

4. 總結(jié)與展望

在設(shè)計中，結(jié)合高壓開關(guān)柜的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，確定了設(shè)計方案和思路。中央控制模塊采用三CPU結(jié)構(gòu)，大大提高了測量、控制和保護(hù)的準(zhǔn)確性、可靠性和實時性。在其他模塊的設(shè)計上，充分利用這個優(yōu)勢，并考慮到社會經(jīng)濟(jì)條件，在選型方面?zhèn)戎赜谛阅艿奶嵘＠矛F(xiàn)代傳感技術(shù)，智能高壓開關(guān)柜實現(xiàn)了合閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測等重要監(jiān)測功能。軟件設(shè)計在實時多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實施模塊化設(shè)計，對整體功能和局部功能的實現(xiàn)和擴(kuò)展具備了可操作性。

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[文章編號]1619-2737（2016）03-26-493