基于DSP的空氣開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃志強(qiáng)，蔣 偉

（揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

空氣開(kāi)關(guān)是低壓配電網(wǎng)絡(luò)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)中非常重要的電器，傳統(tǒng)的空氣開(kāi)關(guān)具有接觸、分?jǐn)嚯娐泛瓦^(guò)流保護(hù)功能。當(dāng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到流經(jīng)的電流超過(guò)額定電流時(shí)，驅(qū)動(dòng)電磁線圈斷開(kāi)開(kāi)關(guān)分?jǐn)嚯娐贰５窃谂潆娤到y(tǒng)中多個(gè)開(kāi)關(guān)無(wú)法單獨(dú)設(shè)定過(guò)流定值，且開(kāi)關(guān)動(dòng)作的精度不高，同時(shí)無(wú)法配置更加復(fù)雜的保護(hù)邏輯，選擇性不強(qiáng)。如果要配置復(fù)雜的保護(hù)邏輯，需要配置低壓保護(hù)裝置。低壓保護(hù)裝置目前已普遍應(yīng)用于工礦企業(yè)，但存在安裝困難、定值設(shè)置麻煩、調(diào)試工作復(fù)雜、維護(hù)工作量大等問(wèn)題?？諝忾_(kāi)關(guān)只有開(kāi)關(guān)分?jǐn)喙δ?，不能?jì)算流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流、電壓、功率等遙測(cè)值，需要另配計(jì)量用電表來(lái)計(jì)算及存儲(chǔ)。如果采用計(jì)量用電表采集電流、電壓、功率等遙測(cè)值時(shí)，需要人工采集一段時(shí)間的遙測(cè)值，不能把經(jīng)過(guò)單一開(kāi)關(guān)采集的實(shí)時(shí)值上傳到后臺(tái)以便分析。同樣地，電表也存在安裝困難、調(diào)試工作復(fù)雜、維護(hù)工作量大等問(wèn)題。

本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于DSPIC33FJ64GS606設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種具有保護(hù)測(cè)控、信息采集和傳輸?shù)目諝忾_(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)，方便用戶通過(guò)PC端用戶界面查看設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和實(shí)時(shí)操控。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、電纜用量少、數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)上傳、一二次設(shè)備融合、工作量少、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，空氣開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)共包括四部分：空氣開(kāi)關(guān)、主控系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和監(jiān)控軟件。系統(tǒng)的感知層由電流傳感器、電壓傳感器、溫濕度傳感器組成，另通過(guò)濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路處理底層數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控外部環(huán)境的溫濕度、配電系統(tǒng)的交流量和開(kāi)入量。將由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器與DSP組成的采集模塊獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa通信模塊傳送至監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件獲取采集的數(shù)據(jù)后，在軟件中通過(guò)一系列函數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，使其能在操作界面上顯示和操作，并根據(jù)各種配電系統(tǒng)設(shè)定變量的警報(bào)值。當(dāng)周?chē)h(huán)境參數(shù)或者交流量和開(kāi)入量超過(guò)警報(bào)值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位并發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，對(duì)相應(yīng)的空氣開(kāi)關(guān)做出重合閘的操作。此外該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與Excel的數(shù)據(jù)互傳，可手動(dòng)或者自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，便于對(duì)工況的記錄和分析，也便于后續(xù)的調(diào)用。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊以DSPIC33FJ64GS606系列處理器為核心控制器，DSPIC33FJ64GS606為16位數(shù)字信號(hào)控制器，其內(nèi)部有6個(gè)PWM發(fā)生器，每個(gè)PWM發(fā)生器有2路PWM輸出，可分別配置為獨(dú)立輸出或互補(bǔ)輸出，40 MIPS時(shí)PWM占空比、死區(qū)、頻率等的分辨率可達(dá)1.04 ns；有16路10 b的A/D通道，5個(gè)16 b時(shí)鐘模塊，同時(shí)有多種通信外設(shè)，如UART、SPI、IC等；同時(shí)中斷控制器有7個(gè)可供用戶選擇的中斷優(yōu)先級(jí)，是小型項(xiàng)目和完整平臺(tái)的理想選擇。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

（1）DHT11溫濕度傳感器負(fù)責(zé)采集周?chē)h(huán)境的空氣溫濕度，其成本低、信號(hào)采集速度快、信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、精確校準(zhǔn)，能夠在較為惡劣的環(huán)境下使用，實(shí)現(xiàn)溫度與相對(duì)濕度同時(shí)測(cè)量；濕度測(cè)量范圍為20%RH～95%RH，溫度測(cè)量范圍為0～50 ℃，基本滿足井下溫濕度測(cè)量要求，可與DSPIC33FJ64GS606微處理器實(shí)現(xiàn)單總線雙向串行傳輸。

（2）采用ACS758電流傳感器采集井下配電系統(tǒng)的電流。ACS758體積小，串聯(lián)在電流回路中，外圍電路簡(jiǎn)單，可測(cè)交直流電流，無(wú)須檢測(cè)電阻，內(nèi)置毫歐級(jí)路徑內(nèi)阻，精度在全溫度范圍時(shí)小于1.5%，同時(shí)有著非常穩(wěn)定的斬波輸出。

（3）設(shè)計(jì)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的測(cè)量，通過(guò)電壓變壓器后作為電壓采集的輸入信號(hào)；此外通過(guò)電阻對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)先處理，使得信號(hào)電壓范圍為0.1～2.2 V，滿足該控制器A/D模塊最大值為3 V的輸入要求。對(duì)信號(hào)預(yù)處理后經(jīng)過(guò)電阻限流，再通過(guò)電容濾波后傳輸?shù)教幚砥髂K的A/D引腳。電壓信號(hào)采集電路如圖2所示。

圖2 電壓信號(hào)采集電路

（4）因不同傳感器的輸出難以同時(shí)達(dá)到控制器的測(cè)量量程，故額外設(shè)計(jì)傳感器調(diào)理電路，對(duì)不同傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入；通過(guò)ADC對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并且傳輸給控制器，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。

2.3 傳輸模塊

傳輸模塊由通信管理控制芯片（DSPIC33FJ64GS606）和LoRa無(wú)線通信模塊組成。數(shù)字信號(hào)控制器計(jì)算電壓和電流有效值，通過(guò)IC通信協(xié)議將其發(fā)送到通信管理控制芯片，通信管理控制芯片計(jì)算當(dāng)前環(huán)境評(píng)分，并將電壓、電流有效值和環(huán)境評(píng)分轉(zhuǎn)換為Modbus RTU協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸給LoRa無(wú)線通信模塊。

控制器和云控制器采用LoRa無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)信息互傳，其功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，能夠在復(fù)雜工況條件下使用，且其傳輸速率高，能夠避免數(shù)據(jù)丟幀。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊

當(dāng)控制器檢測(cè)到系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時(shí)，需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)空氣開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由微型電機(jī)和警報(bào)器組成，將這些執(zhí)行器與空氣開(kāi)關(guān)的NO（常開(kāi)）和COM（公共端）相連，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)收到控制器發(fā)來(lái)的指令后，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，配置通信子程序?？刂破鲗?shí)時(shí)接收周?chē)h(huán)境的參數(shù)、線路中電壓電流的開(kāi)入量，控制相應(yīng)空氣開(kāi)關(guān)的投切。溫濕度傳感器通過(guò)通信方式與控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，電壓電流的測(cè)量值均為模擬量，通過(guò)轉(zhuǎn)化程序?qū)⒛M量轉(zhuǎn)化為百分比的形式。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判定環(huán)境是否進(jìn)行試驗(yàn)工作，最后將判定結(jié)果與電壓電流值共同傳輸?shù)酱?。此外，還需要讀取控制器發(fā)送的串口字符，判定微型電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作。程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.2 上位機(jī)組態(tài)界面設(shè)計(jì)

在云控制器中定義外部設(shè)備，確定設(shè)備名稱和通信方式。在數(shù)據(jù)詞典中定義變量，主要涉及I/O字符串、內(nèi)存字符串、內(nèi)存整數(shù)和內(nèi)存實(shí)數(shù)。創(chuàng)建并設(shè)計(jì)畫(huà)面，將相關(guān)控件與變量進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接，建立人機(jī)交互界面。

（1）配電系統(tǒng)監(jiān)控界面：以表格的形式顯示采集數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)繪制環(huán)境因素實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。

（2）歷史趨勢(shì)曲線界面：數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存，實(shí)現(xiàn)歷史曲線的繪制與分析。

（3）報(bào)警與操作界面：按照設(shè)置好的數(shù)據(jù)范圍實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)報(bào)警，并在此界面發(fā)送指令到控制微型電機(jī)，調(diào)整空氣開(kāi)關(guān)開(kāi)斷狀態(tài)。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)操作界面：實(shí)現(xiàn)串口工具與Excel數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，可隨時(shí)調(diào)用，方便查看。

4 系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)普通空氣開(kāi)關(guān)的形狀，在空氣開(kāi)關(guān)上側(cè)面另加上控制板。云控制器內(nèi)部包含一塊DSPIC33FJ64GS606板件，加上外殼后與空氣開(kāi)關(guān)側(cè)面大小相等、形狀相似，可通過(guò)螺絲直接安裝在空氣開(kāi)關(guān)上。裝置可安裝在原空氣開(kāi)關(guān)安裝的位置，無(wú)須另外設(shè)計(jì)安裝位置。系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)圖

本測(cè)控系統(tǒng)包括一個(gè)空氣開(kāi)關(guān)、DSP處理器。DSP處理器可通過(guò)螺絲直接安裝在空氣開(kāi)關(guān)側(cè)面。處理器外部設(shè)計(jì)與空氣開(kāi)關(guān)相同大小的塑料機(jī)殼，安裝后同空氣開(kāi)關(guān)形成一體。接入空氣開(kāi)關(guān)的電流電壓等通過(guò)內(nèi)部接線接入電流電壓互感器，經(jīng)濾波后接入DSP處理器的核心控制板進(jìn)行采樣。空氣開(kāi)關(guān)根據(jù)接入的電壓量轉(zhuǎn)換成開(kāi)入信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離后接入核心控制板。核心控制板根據(jù)接入的電流、電壓和開(kāi)入量可以進(jìn)行較為復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，將計(jì)算的值與設(shè)定值相比較，如果達(dá)到動(dòng)作條件即驅(qū)動(dòng)電機(jī)，把空氣開(kāi)關(guān)打開(kāi)，記錄相關(guān)報(bào)告。核心控制板根據(jù)接入的交流量計(jì)算電流、電壓、有功、無(wú)功、功率因數(shù)和電度等有效值。這些有效值和保護(hù)報(bào)告等信息可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或串口傳送到監(jiān)控系統(tǒng)以便分析。安裝在普通空氣開(kāi)關(guān)安裝的地方，不需要另外的安裝位置，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的保護(hù)測(cè)控功能及信息實(shí)時(shí)上送功能，具有節(jié)省空間、安裝方便、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)，在獲得傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)和保護(hù)測(cè)控的使用功能的同時(shí)，減少了施工工作量，提高了建設(shè)效率。

5 測(cè)試結(jié)果分析

在煤礦礦井環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，安裝部署20臺(tái)設(shè)備。所有空氣開(kāi)關(guān)均使用ABP（Activation By Personalization）入網(wǎng)模式，且工作于LoRa CLASS A模式；所有空氣開(kāi)關(guān)與網(wǎng)關(guān)間均為雙向通信，開(kāi)啟自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率功能，支持8路上行信道和1路下行通道。

經(jīng)過(guò)兩個(gè)月測(cè)試，礦井的各項(xiàng)參數(shù)性能均能在監(jiān)控畫(huà)面上顯示。在歷史趨勢(shì)曲線畫(huà)面內(nèi)，自動(dòng)完成各變量的歷史曲線的繪制，記錄一段時(shí)間內(nèi)環(huán)境變化趨勢(shì)。在報(bào)警和操作畫(huà)面內(nèi)，設(shè)定相應(yīng)的警報(bào)閾值并作出相應(yīng)的處理。在數(shù)據(jù)庫(kù)操作界面，上位機(jī)軟件與Excel數(shù)據(jù)庫(kù)連接，上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)默認(rèn)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)，方便對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢、打印報(bào)表等操作。經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試和改進(jìn)，空氣開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)的可靠性有了一定保障。

6 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)了一款新型空氣開(kāi)關(guān)，使其具備了環(huán)境溫濕度、電壓電流開(kāi)入量檢查以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，便于在復(fù)雜工況下對(duì)配線系統(tǒng)的保護(hù)。同時(shí)將控制器與上位機(jī)軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸與采集，且上位機(jī)可直接進(jìn)行反饋控制，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的二次利用。借助無(wú)線傳輸?shù)男问?，?shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的遠(yuǎn)距離管理。在實(shí)際運(yùn)用中，系統(tǒng)的硬件和軟件成熟度較高、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠穩(wěn)定，可在礦井的工況下使用，使用效果達(dá)到了預(yù)期，各方面反饋良好。