基于單片機(jī)的10kV高壓開關(guān)柜智能操控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：針對現(xiàn)有的操控系統(tǒng)響應(yīng)時間長、CPU使用程度高的問題，提出基于單片機(jī)的10kV高壓開關(guān)柜智能操控系統(tǒng)設(shè)計。在智能操控系統(tǒng)硬件設(shè)計方面，以TE215G為核心，基于不同類型的傳感器采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)控制；在智能操控系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，利用CNN卷積網(wǎng)絡(luò)算法對高壓開關(guān)柜信號時頻譜圖進(jìn)行識別，獲得不同位置的溫升數(shù)據(jù)特征，然后添加傳感器獲取溫度信息，建立溫升狀態(tài)預(yù)測模型，運(yùn)用蝙蝠優(yōu)化算法尋找GRNN的X因子最優(yōu)解，判斷溫度與閾值的大小，進(jìn)而實現(xiàn)10kV高壓開關(guān)柜智能操控。測試結(jié)果表明，經(jīng)過20次測試系統(tǒng)的響應(yīng)時間均在5s以內(nèi)，CPU使用率均在42%以內(nèi)，符合預(yù)期目標(biāo)，設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；高壓開關(guān)柜；操控系統(tǒng)

中圖分類號：TM 591" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通過添加開關(guān)柜設(shè)備，對電力系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行實時采集和監(jiān)測[1]，不僅能夠提高工作效率，還能夠?qū)ο到y(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，在系統(tǒng)運(yùn)行異常的情況下能夠及時處理，在一定程度上避免事故發(fā)生。智能操控系統(tǒng)可以將電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，有助于提高運(yùn)行效率。通過動態(tài)指示反映設(shè)備狀態(tài)，為操作人員提供保障。同時，使用智能操控系統(tǒng)可以減少資源投入，在一定程度能夠降低運(yùn)營成本，使系統(tǒng)的可靠性得到提升。由于傳統(tǒng)的智能開關(guān)柜的制造成本高，需要集成更多的電子設(shè)備和傳感器，增加了操控過程中安裝調(diào)試難度[2]。智能開關(guān)柜的電子元件較多，出現(xiàn)故障的概率不斷增加，電源的質(zhì)量和穩(wěn)定性問題得不到控制。同時，在與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接過程中，存在攻擊和信息泄露的風(fēng)險，因此這些缺陷會導(dǎo)致結(jié)果難以符合預(yù)期[3]?；谏鲜霰尘埃敬窝芯恳钥刂破骷厣鳛榕袛鄺l件，優(yōu)化10kV高壓開關(guān)柜智能操控，設(shè)計基于單片機(jī)的10kV高壓開關(guān)柜智能操控系統(tǒng)，并結(jié)合實際情況進(jìn)行試驗分析，驗證方法性能。

1 智能操控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次設(shè)計的基于單片機(jī)控制的高壓開關(guān)柜智能操控系統(tǒng)以TE215G為核心，具體如下。

1.1 單片機(jī)設(shè)計

TE215G單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功能完全符合設(shè)計要求，具有3k字節(jié)的Flash閃存，可存儲數(shù)據(jù)，128字節(jié)內(nèi)存RAM。通信接口為全雙工結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)部具有振蕩器，I/O口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和控制信號傳輸。當(dāng)單片機(jī)的吸流較小時，I/O口要上拉電阻[4]。具體的硬件系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。

本次選取的單片機(jī)具有2個數(shù)據(jù)指針，2個計數(shù)器T0、T1。T0作為時鐘信號控制智能芯片的CP口，T1與通信芯片的RT/CP連接，能夠在信號檢測過程中進(jìn)行計數(shù)。INT0為中斷單片機(jī)，通過鍵盤來中斷信號輸入。在主控系統(tǒng)中，不同端口的連接功能均不相同。P0口能夠進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，是總線路的復(fù)用口。P1口為控制信號引腳的連接口，通常為雙向的I/O口。P2口為各芯片的RD腳，RST為復(fù)位電路。同時，設(shè)計中的液晶顯示電路為并行接口，VO口能夠?qū)︼@示的對比度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其電壓的調(diào)節(jié)范圍在0V～2.5V。當(dāng)單片機(jī)將指令下達(dá)后，會驅(qū)動模塊進(jìn)行內(nèi)部中斷，并對指令操作進(jìn)行執(zhí)行，將操作結(jié)果反饋給單片機(jī)，從而能夠解析并執(zhí)行接下來的操作。由于支持1A的判斷模式，因此即使在待機(jī)狀態(tài)下，接收器也能保持運(yùn)行狀態(tài)，這樣能夠降低電路板的能耗，提升電源的使用壽命?；贏RM架構(gòu)開發(fā)通信模塊，支持全網(wǎng)通的網(wǎng)絡(luò)定制，硬件接口豐富。采用引腳的雙排接口直接與上位機(jī)相連。開發(fā)板為TRR454，可提供與單片機(jī)主控芯片相兼容的通信接口。

1.2 模擬信號輸入處理電路設(shè)計

利用傳感器完成模擬信號采集后，會將其傳輸給單片機(jī)，以便于后續(xù)控制。為了實現(xiàn)該過程，本次設(shè)計模擬信號輸入處理模塊。由于本次選用的TE215G單片機(jī)芯片具有3路A/D輸入通道，共用一個10位的ADC模塊。完成一次10位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換的最短時間為19.2μs，2次轉(zhuǎn)換間至少間隔3.2μs。TE215G可提供16種A/D輸入通道組合，可通過控制字ADCON1設(shè)置0～8個引腳作為模擬信號輸入通道。此外，TE215G還支持外接參考電壓以提高A/D轉(zhuǎn)換的分辨率。本次通過采用二階濾波電路和交-直流變換的方法對輸入的模擬信號進(jìn)行處理，從而濾除高頻干擾信號，并將正弦波信號轉(zhuǎn)換為與其幅值成正比的直流信號，以便于利用ADC模塊進(jìn)行采樣。在本次研究中，每隔1.25ms對各輸入通道進(jìn)行一次采樣，一個工頻周期對一個輸入通道采樣16點(diǎn)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以便于后續(xù)開關(guān)柜控制，其電路設(shè)計如圖2所示。

1.3 開關(guān)狀態(tài)反饋電路設(shè)計

開關(guān)狀態(tài)反饋電路也是硬件系統(tǒng)中發(fā)揮重要功能的一個模塊，本文對其進(jìn)行了設(shè)計。在本控制系統(tǒng)發(fā)出開合閘命令后，可能出現(xiàn)由高壓開關(guān)動作失靈等原因造成操作失敗的情況。如果開關(guān)不能及時恢復(fù)到理想狀態(tài)，可能會發(fā)生事故。因此，本文利用三相觸頭的常開觸點(diǎn)作為反饋信號，并通過適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐穼㈤_關(guān)狀態(tài)反饋給單片機(jī)，從而能夠根據(jù)此信號判斷開關(guān)狀態(tài)是否符合操作目的，以便及時進(jìn)行處理。具體的實現(xiàn)方法如下：當(dāng)觸頭合上時，其常開觸點(diǎn)輸出邏輯信號1；當(dāng)觸頭斷開時，其常開觸點(diǎn)輸出邏輯信號0。將三相觸頭的常開觸點(diǎn)輸出信號輸入如圖3所示的邏輯電路。

當(dāng)三相觸頭都合上時，邏輯與電路輸出信號CLOSE STATE為高電平，其他情況下CLOSE STATE為低電平；當(dāng)三相觸頭都斷開時，邏輯或電路輸出信號OPEN STATE為低電平，其他情況下OPENSTATE為高電平。開閘操作結(jié)束后，如果OPEN STATE為低電平，則說明三相觸頭均已成功斷開，否則需要再次進(jìn)行開閘操作。合閘操作結(jié)束后，如果CLOSE STATE為高電平，則說明三相觸頭均已成功閉合，否則需要再次進(jìn)行合閘操作。

2 智能操控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 高壓開關(guān)柜控制回路溫升數(shù)據(jù)特征提取

利用CNN卷積網(wǎng)絡(luò)算法對10kV高壓開關(guān)柜采集的控制回路信號時頻譜圖進(jìn)行溫升數(shù)據(jù)特征提取，即從輸入量中提取不同的關(guān)聯(lián)特征，利用卷積核對整個圖像進(jìn)行掃描，獲得不同位置的溫升特征量[5]。設(shè)置A個卷積核，對不同卷積核進(jìn)行計算，得到尺寸為w×h×k的特征圖譜。在池化層中篩選特征圖譜中的特征，提取出最具代表性的特征量。這樣能夠有效剔除冗余，降低特征矩陣維度。將多個卷積層和池化層交替組合，加入激勵函數(shù)增加網(wǎng)絡(luò)特征。選擇線性整流函數(shù)，防止模型梯度消失，其函數(shù)的表達(dá)式如公式（1）所示。

（1）

式中：x為步長。

設(shè)置2層隱藏層，并將池化結(jié)構(gòu)輸入全連接層中。為了能夠精準(zhǔn)識別開關(guān)柜局部特征量，在輸出層中運(yùn)用softmax函數(shù)進(jìn)行分類。設(shè)定模型的訓(xùn)練集為S={（x1，y1），（x2，y2），…，（xm，ym）}，類別數(shù)量為k。在每個神經(jīng)元softmax函數(shù)輸出過程中，設(shè)定輸出樣本為x，則溫升數(shù)據(jù)特征提取如公式（2）所示。

（2）

式中：θT為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

分類輸出的k=5維向量，表示識別中的不同放電類型的概率。在學(xué)習(xí)過程中，通過清除一部分神經(jīng)元參數(shù)來防止對部分特征產(chǎn)生的過擬合問題[6]。設(shè)置學(xué)習(xí)率為0.001，在卷積池化前加入批標(biāo)準(zhǔn)化，從而減少梯度消失問題，使算法收斂速度得到提升。使用adam優(yōu)化函數(shù)，判斷樣本歸屬的類別，對其器件放電過程進(jìn)行操控。使用交叉熵作為誤差函數(shù)，其計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：x為樣本的預(yù)測類別概率；yi為類別標(biāo)簽。

通過對訓(xùn)練完的模型進(jìn)行改良，經(jīng)過多次迭代后獲得最終的特征量結(jié)果，得到最終需要采集的數(shù)據(jù)。

2.2 高壓開關(guān)柜控制回路溫升操控設(shè)計

在完成高壓開關(guān)柜控制回路溫升數(shù)據(jù)特征提取后，通過單片機(jī)實現(xiàn)高壓開關(guān)柜控制回路溫升操控。本次添加紅外、溫度濕度等傳感器，能夠直觀獲取溫度信息。利用傳感器完成溫度數(shù)據(jù)采集后，使用GRNN模型對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以建立溫升狀態(tài)預(yù)測模型。在這個過程中，唯一需要設(shè)置的變量是X因子，其作用是最大限度地減少外界因素對預(yù)測結(jié)果的干擾。輸入層的神經(jīng)元數(shù)量與樣本向量的維度p相對應(yīng)，輸入樣本將直接傳遞到模式層。然后運(yùn)用蝙蝠優(yōu)化算法來尋找GRNN的X因子最優(yōu)解[7]。在種群中，蝙蝠利用回聲定位進(jìn)行移動和搜索，從而在D維空間中計算出最優(yōu)解。在搜索過程中，蝙蝠會不斷發(fā)射恒定頻率的脈沖進(jìn)行回聲定位，并根據(jù)與目標(biāo)的距離自動調(diào)整脈沖頻率，從而完成位置更新。設(shè)定種群中有c個蝙蝠，將屬性初始化，設(shè)置最大迭代次數(shù)，則在t時刻脈沖頻率的計算如公式（4）所示。

（4）

式中：fmax、fmin為頻率最值；α為隨機(jī)參數(shù)。

計算在t+1時刻的蝙蝠所處位置，獲得所有蝙蝠中的全局最優(yōu)解，并使用適應(yīng)度函數(shù)對其進(jìn)行評價。經(jīng)過全局搜索后，生成一個rand，當(dāng)rand與計算值不同時，需要圍繞當(dāng)前蝙蝠中的最優(yōu)位置進(jìn)行隨機(jī)漫步。更新位置后，將全局與局部尋優(yōu)結(jié)合起來。當(dāng)訓(xùn)練結(jié)果滿足適應(yīng)度函數(shù)的要求或達(dá)到設(shè)置的最大迭代次數(shù)時，停止迭代并輸出當(dāng)前最優(yōu)的參數(shù)值。將得到的平滑因子作為溫升操控閾值。當(dāng)實際值大于平滑因子時，說明溫度較高，需要利用高壓開關(guān)柜對其進(jìn)行降溫操控；當(dāng)實際值小于平滑因子時，說明溫度較低，不對其進(jìn)行處理?；诖?，完成基于單片機(jī)的10kV高壓開關(guān)柜智能操控系統(tǒng)設(shè)計。

3 測試與分析

3.1 測試準(zhǔn)備

高壓開關(guān)柜智能操控系統(tǒng)將所有電力信息等數(shù)據(jù)信息傳遞到變電站后臺中，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集整理。將新型智能操控裝置放置在10kV出線結(jié)構(gòu)上，高壓開關(guān)柜智能操作系統(tǒng)配置如下：操作系統(tǒng)為Ubuntu 15.3，程序語言采用Python 4.0，配備Intel i7處理器和RTX1204顯卡，內(nèi)存容量為8GB，硬盤容量達(dá)1TB。為了保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，通過湯姆貓支撐對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行搭建，并運(yùn)用cuda對圖形進(jìn)行處理，將其與GPU并行運(yùn)算。同時，運(yùn)用via對視頻幀中的開關(guān)柜圖像與元件進(jìn)行標(biāo)注。使用supervisor對開關(guān)柜的開啟狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。從高壓室監(jiān)控攝像頭抓取開關(guān)柜原始圖像，判斷操控過程中監(jiān)視部分的高壓電路是否帶電，當(dāng)線路有電時，會在顯示器屏上顯示“高溫”，同時下方的帶電指示燈呈現(xiàn)亮燈狀態(tài)；當(dāng)線路沒電時，會保持熄滅狀態(tài)。對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，以預(yù)期系統(tǒng)的響應(yīng)時間為5s以內(nèi)、CPU使用率為42%以內(nèi)為目標(biāo)。

3.2 測試結(jié)果分析

分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，經(jīng)過20次試驗，系統(tǒng)的響應(yīng)時間結(jié)果具體如圖4所示。

由圖4數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的響應(yīng)時間均保持在5s以內(nèi)，說明本文設(shè)計系統(tǒng)具有較好的反映速度，通過系統(tǒng)響應(yīng)時間測試能夠確定操控系統(tǒng)的應(yīng)用性能，并能在短時內(nèi)查看到操控結(jié)果，順利完成關(guān)于開關(guān)柜的控制流程，取得了良好的應(yīng)用效果。同時，使用本文設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行操控后，其系統(tǒng)中CPU使用程度見表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，在20次測試中，系統(tǒng)的CPU使用率均較低，小于預(yù)期目標(biāo)的42%，說明本文設(shè)計的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，滿足設(shè)計需求。綜上所述，本文設(shè)計的智能操控系統(tǒng)具有接地開關(guān)狀態(tài)指示燈帶電顯示的綜合性優(yōu)勢，能夠通過動態(tài)指示過程準(zhǔn)確反映實際運(yùn)行狀態(tài)，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)信息，還可以通過傳感器設(shè)備實現(xiàn)控制回路溫度采集，基于單片機(jī)可以實現(xiàn)控制回路的合理控溫。

4 結(jié)語

本文從單片機(jī)入手，結(jié)合智能操控方法，探究了基于單片機(jī)的10kV高壓開關(guān)柜智能操控系統(tǒng)設(shè)計。明確系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，選擇一個適合的單片機(jī)作為主控制器。在單片機(jī)上編寫控制程序，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷等多種功能。但本文方法中還存在一些不足之處，例如控制程序的實時性問題、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測問題和操作設(shè)備優(yōu)化問題等。在完成硬件電路和軟件控制程序后，根據(jù)測試和調(diào)試結(jié)果，使操控步驟在實時性問題上有了突破，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善，滿足算法對系統(tǒng)維護(hù)的需求。通過不斷優(yōu)化算法，在設(shè)計和實現(xiàn)過程中，使基于單片機(jī)的10kV高壓開關(guān)柜能夠高安全性運(yùn)行。

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