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      基于STM32的高壓開關(guān)柜帶電告警及閉鎖系統(tǒng)

      2018-03-14 03:40:42陳冠彪辛永生
      山東電力技術(shù) 2018年2期
      關(guān)鍵詞:柜門微控制器開關(guān)柜

      張 震,陳冠彪,樊 榮,辛永生,張 瑩

      (國(guó)網(wǎng)淮南供電公司,安徽 淮南 232007)

      0 引言

      高壓開關(guān)柜是指用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護(hù)等作用的電氣產(chǎn)品。高壓開關(guān)柜是全封閉設(shè)備,檢修人員無法觀察停電設(shè)備的斷開點(diǎn)。目前變電站常用的開關(guān)柜主要有移開式和固定式。移開式開關(guān)柜柜內(nèi)的主要電器元件(如斷路器)是安裝在可抽出手車上的,由于手車柜有很好的互換性,可以大大提高供電的可靠性。常用的手車類型有隔離手車、斷路器手車、壓變手車等,主要型號(hào)為KYN28A-12、KYN64-40.5等。固定式開關(guān)柜柜內(nèi)所有的電器元件均為固定式安裝的,固定式開關(guān)柜較為簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì),主要型號(hào)有XGN2-10、XGN-40.5等。無論哪種形式的開關(guān)柜,運(yùn)維檢修人員無法直接觀察停電設(shè)備狀態(tài),給運(yùn)維檢修工作帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。近年來電力系統(tǒng)發(fā)生多起高壓開關(guān)柜人身傷亡事故,其原因主要是作業(yè)人員對(duì)柜內(nèi)帶電情況不清楚誤入帶電間隔。

      高壓開關(guān)柜的帶電顯示閉鎖功能是保證電力設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行、確保設(shè)備和人身安全、防止誤操作的重要技術(shù)措施。傳統(tǒng)的開關(guān)柜帶電顯示主要采用氖燈指示高壓是否帶電。閉鎖主要采用微機(jī)五防鎖和電磁鎖實(shí)現(xiàn)。氖燈容易損壞,為延長(zhǎng)氖燈壽命需要設(shè)置直鍵開關(guān),但存在不能全過程帶電監(jiān)測(cè)的弊端,同時(shí)氖燈對(duì)工作人員的警示不夠直觀醒目;五防鎖和電磁鎖存在人為解鎖的可能,在作業(yè)人員強(qiáng)行打開時(shí),無法對(duì)柜門鎖進(jìn)行有效監(jiān)控。

      因此亟需提供一種新型的高壓開關(guān)柜感知閉鎖系統(tǒng)及其控制方法來解決上述問題。本文提出基于ARM微控制器STM32F,并結(jié)合高壓傳感器、LED顯示屏、語音報(bào)警模塊、柜門鎖等搭建高壓開關(guān)柜帶電告警及閉鎖系統(tǒng)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,能夠?qū)崿F(xiàn)高壓帶電告警及閉鎖功能,具有良好的適應(yīng)性和廣闊的應(yīng)用前景。

      1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

      1.1 總體功能設(shè)計(jì)

      高壓開關(guān)柜帶電告警及閉鎖裝置 (下文稱監(jiān)控從機(jī))由ARM微控制器STM32F103、高壓傳感器、電壓信號(hào)采集電路、LED顯示單元接口電路、柜門鎖偵測(cè)及控制電路、語音提示電路、報(bào)警電路、電源電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等電路組成[1]。監(jiān)控主機(jī)選用帶wince系統(tǒng)的工控機(jī),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)若干臺(tái)監(jiān)控從機(jī)的管理,主從機(jī)之間采用433M通信,從機(jī)通過撥碼開關(guān)確定通信地址。主機(jī)與云服務(wù)器通過GPRS通信,實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)傳。本文主要針對(duì)監(jiān)控從機(jī)和主機(jī),對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

      STM32F103作為系統(tǒng)的核心,協(xié)調(diào)具體的信息采集、處理、存儲(chǔ)、輸出控制。高壓傳感器采集高壓母線或高壓線路的帶電信息,經(jīng)電壓信號(hào)處理回路輸入微控制器STM32F103。微控制器判斷帶電則驅(qū)動(dòng)LED顯示模塊顯示帶電信息、給柜門鎖輸出閉鎖信號(hào),此時(shí)人員進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域,則驅(qū)動(dòng)語音模塊發(fā)出語音提醒信息。若微控制器判斷無電,此時(shí)工作人員輸入正確的開鎖口令或按下柜門開鎖按鈕,則輸出開鎖信號(hào),開啟柜門鎖。當(dāng)處理器判斷高壓帶電而此時(shí)偵測(cè)到柜門鎖在開鎖狀態(tài)時(shí),微處理器通過控制聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

      圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

      1.2 高壓傳感器檢測(cè)原理

      高壓傳感器主要有感應(yīng)式和電容式[2]。電容式傳感器采用支柱絕緣子式結(jié)構(gòu),支柱絕緣子由環(huán)氧樹脂及填充劑加熱后澆筑而成,內(nèi)部埋設(shè)高壓功能陶瓷制成的芯棒式電容,棒式電容的一端經(jīng)上法蘭與高壓連接,另一端與傳感器二次輸出端連接。電容式傳感器可作為隔離開關(guān)、接地開關(guān)、母線、出線等設(shè)備的支柱絕緣子使用,具有電氣絕緣性能好、電容量大、強(qiáng)度高、局部放電量小等特點(diǎn),在35 kV及以下電壓等級(jí)中應(yīng)用廣泛。高壓開關(guān)柜內(nèi)高壓母線和線路傳感器均分相安裝,單相的原理圖和等效電路圖如圖2所示[3]。圖2中,C1為絕緣子空氣隙的電容,C2為與空氣隙串聯(lián)的絕緣子介質(zhì)電容,C3為芯棒式電容,Z 為二次等效輸入阻抗。 因 C3>>C2>>C1,僅以 C3作為傳感器的等效電容計(jì)算。 當(dāng) Z<<1/(ωC3)時(shí),傳感器可近似認(rèn)為交流恒流源

      式中:I為傳感器輸出電流有效值;f為頻率,工頻取50 Hz;U為相電壓有效值,對(duì)于10 kV系統(tǒng),U取5.77 kV;C3取200 pF,代入上式得出傳感器輸出電流約 0.362 mA。

      圖2 高壓傳感器原理及等效電路

      2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      由系統(tǒng)組成可知,系統(tǒng)包含了較多的硬件單元,本文重點(diǎn)介紹電源電路、微控制器、電壓信號(hào)采集電路、柜門鎖偵測(cè)與控制電路、433 M通信電路、監(jiān)控主機(jī)等核心單元。

      2.1 電源電路

      對(duì)于監(jiān)控從機(jī),微控制器、433 M通信等模塊工作電壓3.3 V,柜門鎖和驅(qū)動(dòng)繼電器電壓為12V,光耦、LED顯示屏等其他模塊電壓為5 V,因此需要設(shè)計(jì)合理有效的電路為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)采用220 V/12 V開關(guān)電源,本文選取的型號(hào)為S-60-12的模塊,將220 V市電轉(zhuǎn)換為12 V直流電,12 V直流電首先經(jīng)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲及TVS,然后通過ASM1117模塊將12 V電壓依次降壓為5 V和3.3 V。其中保險(xiǎn)絲采用SMD1812P200TF,起過電壓保護(hù)作用,TVS具有吸收瞬時(shí)大脈沖功率的作用,并把電位鉗制在預(yù)定水平。在各等級(jí)電源輸出端并聯(lián)一個(gè)較大的電解電容,起低頻濾波的作用,同時(shí)在每個(gè)芯片的電源引腳上并聯(lián)一個(gè)0.1 uF的電容,作為去耦電容,濾除高頻信號(hào)。

      2.2 微控制器

      STM32是易法半導(dǎo)體一款面向工業(yè)控制的低功耗內(nèi)核為Cortex M3內(nèi)核的ARM芯片,由于其較高的性價(jià)比、功能完善等多方面優(yōu)勢(shì)得到廣泛的應(yīng)用[3]。本文中STM32微控制器采用 STM32F103RCT6,其主頻為72 MHz,內(nèi)置高達(dá)256 KB的閃存存儲(chǔ)器和64 KB的靜態(tài)SRAM。并具備豐富的外設(shè)資源,主要包括 ADC、RTC、I2C、UART、SPI等接口[4]。 圖 3 為高壓開關(guān)柜帶電告警及閉鎖的微控制器電路。

      圖3 微控制器電路

      2.3 電壓信號(hào)采集電路

      通過高壓傳感器檢測(cè)原理可知,其輸出的電流較小,額定電壓下達(dá)不到1 mA,難以驅(qū)動(dòng)光耦[5]。本文設(shè)計(jì)一種電壓信號(hào)采集電路,高壓線路A相通道如圖4所示。電壓信號(hào)首先通過整流芯片U1,轉(zhuǎn)換成直流信號(hào),然后經(jīng)過限流電阻R2驅(qū)動(dòng)三極管Q1導(dǎo)通。此時(shí),VDD5V電壓經(jīng)過光耦U2,限流電阻R4、發(fā)光二極管D1、三極管Q1構(gòu)成回路,點(diǎn)亮發(fā)光二極管D1,同時(shí)經(jīng)光耦U2隔離后輸出信號(hào)至微控制器。三極管Q1采用8050,電流可放大100倍,在10%額定電壓下足以導(dǎo)通光耦。信號(hào)采集電路中電源采用隔離型電源模塊提供的VDD5V電壓,將模擬電路與數(shù)字電路電源分開,模擬地和數(shù)字地完全獨(dú)立,消除公共阻抗耦合,文中隔離電源模塊型號(hào)為B0505S-1WR2,具備1 500 V電壓隔離,抗干擾能力強(qiáng),安全可靠性高。光耦器件選用TLP281,起到隔離微控制器與高壓傳感器輸入信號(hào)的作用,使各模塊間相對(duì)獨(dú)立,防止干擾通過地線或電源線竄入單片機(jī)系統(tǒng)。

      當(dāng)高壓線路A相帶電時(shí),光耦U2導(dǎo)通,IN_1A端口上電壓變?yōu)?.3 V,當(dāng)高壓線路A相不帶電時(shí),光耦U2不能導(dǎo)通,IN_1A端口上電壓變?yōu)? V。STM32微處理器的PC0端口上的電壓隨之改變,并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換判斷出高壓帶電信息。其他相別原理與此相同。

      圖4 電壓信號(hào)采集電路

      2.4 柜門鎖控制與偵測(cè)電路

      高壓開關(guān)柜正常運(yùn)行情況下,柜內(nèi)高壓設(shè)備帶電,需要將柜門可靠閉鎖。出于安全性考慮,柜門鎖采用KOB公司型號(hào)為DJS02的智能電機(jī)鎖。該鎖具有自動(dòng)檢鎖狀態(tài)功能、開關(guān)靈敏度高,安全可靠的優(yōu)點(diǎn),鎖舌長(zhǎng)度大于20 mm,符合GA/T 73—1994標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)誤開鎖或開鎖后未打開柜門,在智能電機(jī)鎖感應(yīng)磁鐵和磁感應(yīng)開關(guān)作用下,5~8 s內(nèi)自動(dòng)上鎖,同時(shí)具備電源反接保護(hù)、電機(jī)短路保護(hù)、霍爾元件故障后報(bào)警功能。柜門鎖電源(12 V、GND)接通后即可感應(yīng)上鎖,另外通過監(jiān)控從機(jī)給鎖控制端L+、L-通12 V電壓可實(shí)現(xiàn)開鎖。該鎖還帶有信號(hào)反饋功能,柜門關(guān)閉上鎖后,鎖無源接點(diǎn)COM、NO閉合,柜門打開后該接點(diǎn)打開。該柜門鎖有手動(dòng)緊急解鎖功能,在掉電情況下能手動(dòng)上鎖或者解鎖。

      由該鎖的接口特性可知,采用繼電器控制電源的通斷即可實(shí)現(xiàn)開鎖,通過鎖無源接點(diǎn)開閉情況檢測(cè)鎖狀態(tài)。柜門鎖控制電路如圖5所示,偵測(cè)電路如圖6所示。

      控制電路中采用HF46-12-HS1四腳繼電器作為鎖功率驅(qū)動(dòng)元件,將繼電器的輸出接點(diǎn)串入DJS02型電機(jī)鎖的開鎖回路中,并將電機(jī)鎖的L+端子接12 V電源。 當(dāng)STM32的PA6(LOCK1_OUT)輸出高電平時(shí),三極管Q2導(dǎo)通,繼電器K1勵(lì)磁,常開觸點(diǎn)3、4閉合,L1與NO1閉合,電機(jī)鎖開鎖回路接通解鎖;當(dāng)PA6輸出低電平時(shí),開鎖回路不能導(dǎo)通。圖5中,三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)繼電器線圈產(chǎn)生的較大的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),續(xù)流二極管D7為其提供放電通道,防止損壞三極管。

      偵測(cè)電路中采用5V電壓,為了匹配STM32電平,采用電阻分壓得到3.3 V。電機(jī)鎖接口NO、COM分別接L1_NC和地,上鎖后,接點(diǎn)閉合,L1_NC接地,電路端口LOCK1_IN輸出低電平至STM32。開鎖后,接點(diǎn)打開,輸出高電平至STM32的PA5。圖6中0.01 μF電容起到濾除高次諧波作用。

      圖5 柜門鎖控制電路

      圖6 柜門鎖狀態(tài)偵測(cè)電路

      2.5 433 M通信電路

      圖7 433M通信電路

      監(jiān)控從機(jī)與監(jiān)控主機(jī)采用433 M無線通信,該無線通信方式安全可靠、穿透能力強(qiáng),室內(nèi)通信傳輸距離可達(dá)100 m[6]。從機(jī)433 M通信電路圖如圖7所示,監(jiān)控從機(jī)433 M模塊采用廣州匯承信息科技有限公司的HC12模塊,該模塊的工作電壓為3.1~6 V,可以與STM32的串口直連,圖中與STM32的異步串行接口UART3連接。監(jiān)控主機(jī)上也配置HC12模塊,實(shí)現(xiàn)與各從機(jī)的信息交互。主從機(jī)的HC11模塊均工作在FU3模式下,不考慮功耗。雙方模塊工作在接收狀態(tài),當(dāng)需要發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)使用自身已設(shè)置好的信道和地址將數(shù)據(jù)發(fā)射完畢后轉(zhuǎn)入接收模式。

      主從機(jī)之間采用一主多從的通信方法。主機(jī)發(fā)送串口數(shù)據(jù)時(shí),在數(shù)據(jù)前加一個(gè)從機(jī)編號(hào)的字。從機(jī)收到串口數(shù)據(jù)后,判斷數(shù)據(jù)第一個(gè)字節(jié)是不是自己的編號(hào),是則相應(yīng)并回復(fù)主機(jī),不是則不動(dòng)作。

      3 軟件設(shè)計(jì)

      軟件設(shè)計(jì)包含從機(jī)和主機(jī)兩部分。從機(jī)監(jiān)控高壓帶電信息、監(jiān)控電控鎖開關(guān)狀態(tài)、完成靠近檢測(cè)及聲光報(bào)警等功能,與主機(jī)進(jìn)行433 M無線通信,上報(bào)從機(jī)狀態(tài)及告警信息。主機(jī)接收來自從機(jī)的信息,實(shí)時(shí)顯示并記錄所有從機(jī)狀態(tài)和告警事件,完成高壓開關(guān)柜帶電告警及閉鎖功能的綜合監(jiān)控。

      3.1 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

      從機(jī)系統(tǒng)軟件在IAR平臺(tái)上開發(fā)調(diào)試,IAR Embedded Workbench是一套用于編譯和調(diào)試嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)工具,支持匯編、C和C++語言并提供完整的集成開發(fā)環(huán)境,包括工程管理器、編輯器、編譯鏈接工具和C-SPY調(diào)試器。監(jiān)控從機(jī)的主程序流程如圖8所示。

      圖8 從機(jī)軟件流程

      程序通過JLINKV8仿真器在SWD模式下調(diào)試,下載速度可以達(dá)到10 Mbit/s并保證高可靠性。

      3.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

      主機(jī)采用深圳揚(yáng)創(chuàng)公司的YC-ES70T-W WINCE工業(yè)平板電腦,該主機(jī)是以TI工業(yè)級(jí) Cortex A8 800M/1G主頻 ARM嵌入式CPU、512MB DDR3 SDRAM、基于Windows CE6.0 R3操作系統(tǒng)的高性能嵌入式人機(jī)界面,配備7英寸高亮度TFT真彩液晶屏,四線電阻式觸摸屏,并提供豐富的接口。其中主機(jī)的RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口通過芯片MAX3232轉(zhuǎn)換信號(hào)電平,再經(jīng)過HC12模塊實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)到無線數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與各從機(jī)的433M無線通信。

      采用基于Microsoft Visual Studio2005平臺(tái)的C++編程語言開發(fā)主機(jī)監(jiān)控軟件。使用ActiveSync連通開發(fā)機(jī)與WINCE主機(jī),并進(jìn)行程序的調(diào)試和下載。主機(jī)監(jiān)控軟件具有顯示各開關(guān)柜從機(jī)狀態(tài)、母線倉(cāng)/出線倉(cāng)柜門鎖狀態(tài)、柜內(nèi)母線/出線帶電狀態(tài),可以在主機(jī)軟件上設(shè)置從機(jī)數(shù)量和地址的功能,并且具有保存各從機(jī)歷史告警信息的功能。主界面如圖9~11所示。

      圖10 監(jiān)控主機(jī)程序參數(shù)設(shè)置

      圖11 監(jiān)控主機(jī)程序告警查詢界面

      3.3 通信程序設(shè)計(jì)

      主機(jī)輪流發(fā)送詢問數(shù)據(jù)包至各從機(jī),數(shù)據(jù)包內(nèi)包含從機(jī)地址。各從機(jī)處于接收狀態(tài),主機(jī)發(fā)送完數(shù)據(jù)后,立即轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài),各從機(jī)同時(shí)接收到主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)包中地址是否與自己地址相同,若不同,則不予應(yīng)答,仍處于接收狀態(tài),若相同,則從機(jī)發(fā)出應(yīng)答數(shù)據(jù)包,在應(yīng)答數(shù)據(jù)包中,同樣包含從機(jī)地址。主機(jī)收到應(yīng)答后,根據(jù)地址信息知道這是那個(gè)從機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù),完成與該從機(jī)的信息交互后,再詢問其他地址的從機(jī),從機(jī)則一一應(yīng)答。若主機(jī)超時(shí)未收到從機(jī)的反饋信息,則判斷該從機(jī)離線[7]。

      當(dāng)監(jiān)控從機(jī)STM32監(jiān)測(cè)到有高壓帶電事件、柜門鎖打開和關(guān)閉事件、柜門鎖開鎖請(qǐng)求事件、人體靠近告警事件等各類告警信息時(shí),將告警信息通過串口傳給HC11模塊,HC11模將信息通過天線發(fā)出。監(jiān)控主機(jī)的HC11模塊收到無線消息,還原成串口數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)系統(tǒng),并在主機(jī)的軟件上顯示。監(jiān)控從機(jī)的通信流程如圖12所示。

      圖12 監(jiān)控從機(jī)通信流程

      4 系統(tǒng)測(cè)試

      選取額定電壓為10 kV的DXN3電容式高壓傳感器,型號(hào) CG3-10Q/105×140,使用型號(hào)為 TQSB-5/50的高壓試驗(yàn)變壓器在傳感器一次側(cè)加壓,檢測(cè)傳感器輸出特性、監(jiān)控從機(jī)功能完整性以及監(jiān)控主機(jī)的軟件運(yùn)行情況。

      4.1 感知帶電功能校驗(yàn)

      對(duì)監(jiān)控從機(jī)的各通道分別試驗(yàn),從高壓傳感器一次側(cè)加壓,從0 V逐步升壓至線電壓10 kV。當(dāng)高壓傳感器一次側(cè)不加電壓時(shí),監(jiān)控上帶電指示LED不亮,MCU檢測(cè)不到帶電信號(hào),電壓加至500 V時(shí)帶電指示LED燈亮,MCU檢測(cè)到帶電信號(hào),從機(jī)完全能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高壓帶電顯示裝置帶電顯示閾值要求[8]。高壓傳感器一次電壓逐步加至10 kV,感知帶電功能均正常[8]。

      4.2 感知帶電聯(lián)動(dòng)功能校驗(yàn)

      柜門關(guān)閉后,智能鎖通過自身的磁感應(yīng)開關(guān)自動(dòng)閉鎖,高壓傳感器一次側(cè)加500 V電壓,監(jiān)控從機(jī)感知帶電后,給柜門智能鎖輸出閉鎖信號(hào),智能鎖保持閉鎖狀態(tài),按下開鎖按鈕不能開鎖;驅(qū)動(dòng)LED顯示屏顯示醒目的高壓帶電信息;人員進(jìn)入開關(guān)柜設(shè)定區(qū)域內(nèi),則驅(qū)動(dòng)語音模塊發(fā)出語音提示;智能鎖被非法打開,MCU偵測(cè)到開鎖狀態(tài),則驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警。

      高壓傳感器一次側(cè)不加電壓壓,按下開鎖按鈕,智能鎖打開;LED屏不顯示帶電信息。

      4.3 監(jiān)控主機(jī)測(cè)試

      監(jiān)控主機(jī)主界面能顯示全部從機(jī)狀態(tài)、智能鎖狀態(tài)等,并能實(shí)時(shí)顯示前述試驗(yàn)的告警信息,從機(jī)與主機(jī)傳輸時(shí)間小于1 s;主機(jī)的歷史告警選項(xiàng)可以方便查詢歷史告警信息。

      5 結(jié)語

      以STM32為主控制器開發(fā)高壓開關(guān)柜帶電告警及閉鎖系統(tǒng),并基于433 M通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主機(jī)對(duì)高壓開關(guān)柜柜門鎖的在線監(jiān)控。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,各功能完整,穩(wěn)定可靠,可以有效避免工作人員誤入帶電間隔,減少開關(guān)柜事故的發(fā)生,提高變電站安全管理水平,具有實(shí)用價(jià)值。下一步著重研究云服務(wù)以及手機(jī)APP的關(guān)聯(lián)應(yīng)用,進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

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