110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西 忻州 034000）

110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張志強(qiáng)

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西 忻州 034000）

智能高壓開關(guān)設(shè)備是智能電網(wǎng)與智能變電站的關(guān)鍵組成部分。本文就110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)展開研究，提出了利用高性能的ARM和CPLD微處理器作為控制核心，并配合溫濕度傳感器、角度傳感器等部件設(shè)計(jì)了110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器。

110kV；高壓隔離開關(guān)；智能控制器

選擇ARM與CPLD微處理器進(jìn)行高壓隔離開關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)，主要是由于ARM能夠較好地支持通信網(wǎng)關(guān)工作，而CPLD具備集成度高、編程靈活、開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)成本低、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得設(shè)計(jì)出的高壓隔離開關(guān)智能控制器不僅能夠具備較快的處理速度，還具備較高的抗干擾性能，這給控制器的更好工作帶來一定積極影響。

1 總體設(shè)計(jì)方案

在本文進(jìn)行的110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)中，筆者嚴(yán)格遵循了IEC61850國(guó)際平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，保證了這一控制器具備數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)化等特征，而這些特征則主要體現(xiàn)在隔離開關(guān)智能控制器的控制、數(shù)據(jù)采集、安全檢測(cè)、人機(jī)聯(lián)系等功能中。

由于這些功能組合在一起能較好實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自我檢測(cè)保護(hù)，使得該設(shè)計(jì)方案能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)和控制在線網(wǎng)絡(luò)化管理實(shí)現(xiàn)帶來較好支持。

2 硬件設(shè)計(jì)

在本文110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，這一隔離開關(guān)智能控制器的硬件部分主要包括SCM（開關(guān)控制）模塊設(shè)計(jì)、電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)、溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、角度測(cè)量設(shè)計(jì)、電機(jī)過流保護(hù)設(shè)計(jì)、通信模塊設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

（1）SCM(開關(guān)控制)模塊設(shè)計(jì)。在SCM（開關(guān)控制）模塊設(shè)計(jì)中，筆者選擇了ARM作為主控芯片，CPLD作為輔助芯片，二者通過配合能夠較好為本文研究的110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器控制、顯示、檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和通信等功能的實(shí)現(xiàn)提供支持。在主控芯片ARM的選擇中，筆者選擇了意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103型號(hào)的ARM微控制器，這一控制器具備分支預(yù)測(cè)的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)、支持位綁定操作、使中斷變成更加簡(jiǎn)便、簡(jiǎn)便的乘除法的運(yùn)算、支持串行SWD調(diào)試方式等優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使得這一微控制器的選擇能夠大大降低本文研究隔離開關(guān)智能控制器的成本，并提高其處理性能；而在CPLD的選擇中，筆者選擇了Altera公司的MAXII系列CPLD，這一CPLD具有價(jià)格較低、功耗較小、性能較高、容量較大等優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使得這一CPLD能夠較好滿足本文研究的需要。（2）電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)。在電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)中，筆者選擇了固態(tài)繼電器和普通電磁繼電器配合使用的策略，這種設(shè)計(jì)策略的應(yīng)用能夠較好避免卡死等電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)的意外情況發(fā)生；而在繼電器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，筆者選擇了應(yīng)用TLP5214器件的光電隔離技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)弱電的隔離，這樣就較好地提高了電路的防干擾能力。（3）溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。在溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中，筆者選擇了美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，這一傳感器具有SPI單總線接口、溫度有效測(cè)量范圍較廣且精度較高、連接較為簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，而為了避免影響這一設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)精度，筆者選擇了屏蔽雙絞線完成這一設(shè)計(jì)。（4）濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。在本文研究的110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中，筆者選擇了AM2301數(shù)字溫濕度傳感器完成這一設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)避免了該傳感器4號(hào)引腳在使用中的懸空，這樣就能較好避免這一設(shè)計(jì)出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，保證該部分設(shè)計(jì)較好滿足隔離開關(guān)智能控制器需求。（5）角度測(cè)量設(shè)計(jì)。在角度測(cè)量的設(shè)計(jì)中，筆者選擇了AD公司生產(chǎn)的AD2S90旋轉(zhuǎn)變壓器完成這一設(shè)計(jì)，這一變壓器具有抗震性好、耐腐蝕、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其能在高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高震等環(huán)境中較好的完成自身工作。為保證這一設(shè)計(jì)更好地完成，采用了星形連接電路。（6）電機(jī)過流保護(hù)設(shè)計(jì)。在電機(jī)過流保護(hù)設(shè)計(jì)中，這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)主要為了避免電機(jī)故障的出現(xiàn)，而為了滿足這一需求，選用了TA25P-100A傳感器完成電機(jī)過流保護(hù)的設(shè)計(jì)，而在這一設(shè)計(jì)中，通過可調(diào)電阻與電容進(jìn)行了相移的補(bǔ)償。（7）通信模塊設(shè)計(jì)。在通信模塊的設(shè)計(jì)中，筆者選擇了光纖傳輸形式，這本身與我國(guó)政府提出的智能電網(wǎng)和數(shù)字化變電站建設(shè)要求相符，輸誤碼率極低、傳輸速度快、價(jià)格低廉、能量損耗小、信息保密性好、利于施工等方面是這一光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)所在。為了盡可能發(fā)揮光線的優(yōu)勢(shì)，選擇了一對(duì)一串口光纖通信方式與總線式串口光纖多機(jī)通信方式兩種通信模塊設(shè)計(jì)。

3 軟件設(shè)計(jì)

在完成本文研究110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的硬件設(shè)計(jì)后，我們還需要完成這一隔離開關(guān)智能控制器的軟件設(shè)計(jì)，在這一設(shè)計(jì)中筆者采用了C語言在MDK環(huán)境下開發(fā)ARM控制器程序，并采用VHDL語言在QuartusII9.0環(huán)境下完成了CPLD程序的設(shè)計(jì)。

（1）開發(fā)工具選擇。在本文進(jìn)行的110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的軟件開發(fā)中，筆者主要采用了RealViewMDK與QuartusII9.0作為軟件開發(fā)的環(huán)境，二者能夠較好支持ARM控制器程序與CPLD程序的設(shè)計(jì)。（2）控制器主程序設(shè)計(jì)。在控制器主程序設(shè)計(jì)中，為了更清楚地描述這一控制器主程序設(shè)計(jì)，筆者以SCM（開關(guān)控制）模塊的動(dòng)作為例，對(duì)于SCM（開關(guān)控制）模塊來說，其本身在需要合閘時(shí)，需要得到高壓開關(guān)柜的隔離開關(guān)命令信號(hào)的支持，而在這信號(hào)的支持下剎車回路導(dǎo)通將回路中的電樞電流泄放消耗，這樣才能夠順利實(shí)現(xiàn)合閘過程。而在STM32程序的設(shè)計(jì)中，筆者為其設(shè)計(jì)了3種不同的啟動(dòng)模式和啟動(dòng)配置，從內(nèi)置的閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng)等都屬于這一配置，而這些啟動(dòng)配置通過修改BOOT0的值就能夠輕松實(shí)現(xiàn)；而在CPLD程序的設(shè)計(jì)中，首先建立了一個(gè)工程文件，增加了VHDL文本，并在完成程序設(shè)計(jì)后進(jìn)行了時(shí)序仿真和功能仿真，仿真能夠較好顯示電路的功能特性，通過這一設(shè)計(jì)形式筆者保證了該設(shè)計(jì)較好的滿足了設(shè)計(jì)需求。值得注意的是，這一設(shè)計(jì)中8路開入量模塊化是這一設(shè)計(jì)的核心，而這一設(shè)計(jì)方式也使得CPLD程序的設(shè)計(jì)更容易完成調(diào)試與仿真。對(duì)于CPLD與STM32程序來說，我們還需要完成二者的通信口設(shè)計(jì)才能夠較好滿足110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的軟件需求，在這一設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了div_par值為0x145，波特率為9600，并將其劃分為8個(gè)時(shí)隙以使通信同步。（3）各數(shù)據(jù)采集模塊軟件程序設(shè)計(jì)。在溫度采集和顯示環(huán)節(jié)的軟件程序設(shè)計(jì)中，我們需要分別為其ROM設(shè)計(jì)溫度值低位、溫度值高位、高溫限值、低溫限值、配置寄存器、保留位、CRC校驗(yàn)值等內(nèi)容的字節(jié)地址設(shè)置，這樣才能較好保證這一程序設(shè)計(jì)滿足隔離開關(guān)智能控制器的需求；而在濕度采集及通信程序的設(shè)計(jì)中，由于本文采用的AM2301數(shù)字溫濕度傳感器已經(jīng)完成了校準(zhǔn)，所以準(zhǔn)備了計(jì)算濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位的和，以此求得完整濕度的設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)能夠在獲取具體濕度信息后將信息傳送到顯示模塊，這樣就較好滿足了本文研究的需求；而在隔離開關(guān)轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)監(jiān)控的編程中，筆者將其內(nèi)部帶寬設(shè)置為1kHz，并賦予了其12位的分辨率，跟蹤速率則為375rps，最高讀取速度則設(shè)為144kbit/s；而在電機(jī)過流保護(hù)的軟件程序設(shè)計(jì)中，確定合適的反時(shí)限參數(shù)是這一設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)所在，為了較好完成這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，筆者在這一電機(jī)的電路中加入了5I的空氣開關(guān)，而當(dāng)這一控制器沒有檢測(cè)到過電流時(shí)，意味著電機(jī)堵轉(zhuǎn)的發(fā)生，這時(shí)空氣開關(guān)將在程序的控制下自動(dòng)跳閘，這就將較好地實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的保護(hù)。

4 調(diào)試

在基于本文研究的110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器硬件與軟件設(shè)計(jì)中，還對(duì)這一設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)試，在調(diào)試中完成了通訊格式設(shè)置、報(bào)文格式設(shè)置、有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置等方面的調(diào)試，并將能夠工作的保護(hù)臺(tái)加入了配置表中。由于本文研究的開關(guān)由3個(gè)單級(jí)組成，所以還對(duì)其進(jìn)行了不帶負(fù)載角度調(diào)試、帶負(fù)載調(diào)試、三極聯(lián)動(dòng)調(diào)整、隔離開關(guān)電氣回路調(diào)試、溫濕度傳感器的測(cè)試，結(jié)合這一系列調(diào)試，就能夠保證本文研究的110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器設(shè)計(jì)具備較高的實(shí)用性。

5 結(jié)語

在本文就110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)展開的研究中，詳細(xì)論述了這一110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的總體設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試等內(nèi)容，而結(jié)合這一系列內(nèi)容我們能夠發(fā)現(xiàn)，本文的研究較好實(shí)現(xiàn)了這一智能控制器的運(yùn)行控制、狀態(tài)采集、故障檢測(cè)、信息通信等功能。

[1]李中政. 110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].西安工程大學(xué)，2011.

[2]黃磊. 智能變電站智能開關(guān)設(shè)備控制器的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京理工大學(xué)，2013.

[3]董青青，李快社. 110kV高壓隔離開關(guān)智能控制器研究[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2016,09:67～68+71.

TM564.1

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1671-0711（2017）04（上）-0175-02