开关柜的智能化技术研究

开关柜的智能化技术研究李快社，等　开关柜的智能化技术研究　李快社，董青青　（陕西能源职业技术学院陕西咸阳，７１２０００）　摘要：随着科学技术的不断发展和进步，电力系统逐渐趋向信息化、自动化以及可靠化发展，国内外越来越重视对电网的　监控问题，尤其是着重研究开关柜的监控问题，以期达到控制和保护电力系统的目的。本文把控制对象设定为开关柜，设计并　实现了智能操控系统，与开关柜的发展指标和监控现状相结合，实时监测了开关柜设备的工作环境温湿度和开关状态位置等，　并研究了智能化的管控技术。在硬件设计和实现过程中，通过高性能微处理器以及外围管理电路和驱动电路的使用，使工作量　得到减轻。电力系统多具有较复杂的工作环境，干扰源教多，所以在系统设计中添加了相应的抗干扰措施，确保系统的正常运　行。中断资源的合理分配，不仅便于软件的调试，而且使软件具有清晰的结构，界面的编辑过程中采用了Ｖｃ＋＋语言，能实时监　控下位机。设计出更具人性化的系统。　关键词：温湿度传感器；开关柜；ＡＲＭ；智能化　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ编码：１０．１４０１６／ｊ．ｃｎｋｉ．１００１－９２２７．２０１６．１０．０５４　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｉｎｃｌｉｎｅ　ｔｏ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｐａｙ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｃａｂｉｎｅｔ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｂｊｅｃｔ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｓｔａｔｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｅｔｃ．，ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ａｎｄ　ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｄｒｉｖｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｏｒｔ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｒｅｌｉｅｆ．Ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ａ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｗｏｒｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｔｅａｃｈ　ｍｏｒｅ，　ＳＯ　Ｉ　ａｄｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｆｏｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｃｌｅａｒ，ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｅｄｉｔｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｕｓｅｄ　ＶＣ＋＋ｌａｎｇｕａｇｅ，ｃａｎ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｏｒｅ　ｈｕｍａｎｉｚｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ；ｓｗｉｔｃｈ　ｃａｂｉｎｅｔ．ＡＲＭ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　０　引言　伴随日益提高的供电可靠性需求以及迅速发展的配电网　自动化技术，电力系统有了越来越高的安全性要求，这种要求　尤其体现在配电设备和输变电方面，其中开关柜因其控制和　保护作用而首当其冲，越来越表现为智能化控制的趋势…。　开关柜在线监测技术的核心是嵌入式技术，具有便于安装和　通的作用　。在开关柜中，柜内的主控机关对外连接着电路　线路中的外线，对内连接着各个分控开关，按需对各分路进行　设置。　１．２特征介绍　在开关柜中，必须要做到五个防护：防止带负荷合闸、防　止带接地线合闸、防止误人带电间隔、防止带电挂接地线、防　止带负荷拉刀闸。主要特征如下：首先开关柜具体的功能标　志为有一次回路和二次回路方案，包括电能的汇集、计量、分　配以及对功能电气线路的保护。开关柜的两次方案分别为确　定的主回路和辅助回路方案，当不能实现主回路方案时可以　维护、成本低廉以及抗干扰性好等优点，但是随着不断增加的　监测参数和监测对象，对智能化系统有了越来越高的要求　。　智能化的开关柜能带来明显的社会和经济效益，不仅能把设　备目前的状态显示出来，而且能在线监测设备，对存在的故障　进行识别，提供开关柜状态维修的依据，提高开关柜的利用　率，减少不必要的维护费用。　组合几个单元方案实现开关柜的设计；其次，开关柜要具有电　气（机械）连锁机构和一定的操作程序；最后，开关柜要具有　对内部故障抑制的功能，一旦有内部故障发生要把故障隐患　抑制在隔室内。　１．３研究现状　１　开关柜概述　１．１基本概念　配电智能化在一些国外工业发达国家较受重视，已经发　在输配电系统中，开关柜作为其中的重要电气设备，是生　产厂家以断路器为核心，依据电气一次主接线图，在敞开或者　展达到智能化综合管理的程度，设计的开关柜智能操控系统　多具有以下功能：监测脱口回路断线；检测开关柜环境温湿　度；监测防误操作系统。在国内，不管是通信技术的研究还是　电器元件的开发与国外相比都有不小的差距，对配电系统智　能化发展都起到了一定的制约作用，在开关柜智能化方面研　究的多为报警和监控，在系统的可靠性以及环境的复杂性等　方面还存在一定的研究困难　。纵观国内外发展，配电智能　化正在趋向集成化、一体化以及开放式发展，操作人员劳动强　度得到一定程度上的降低，电器设备的能力得到了充分的利　用，社会和经济效益都较为可观。　封闭的金属柜体中装配相关的母线、绝缘子、载流导体以及高　低压电器等设备，其中高低压电器包括测量、保护以及控制电　器三种类型。在电力系统中，开关柜作为一种装置，主要是对　电能进行接受和分配，承担着故障保护、电力线路断开或者接　收稿日期：２０１６—０３—２０　作者简介：李快社（１９６４一），男，汉族，陕西咸阳人，本科，副教授，主要研　究方向为机电一体化技术。　・５４・　《自动化与仪器仪表）２０１６年第１０期（总第２０４期）　２　开关柜智能化系统总体设计　２．１智能化技术　开关量输入经过ＡＲＭ硬件平台处理，把缺相敞障和开关Ｔ作　位置显示在ＬＥＤ屏幕上，同时语音报警系统会把开关柜目前　的工作情况向工作人员告知；开关柜内工作环境温湿度是由　温湿度传感器采集并判断的，如果数值不在要求范围之内则　使用温湿控制输出电路实施调节；温湿度上下限是通过人机　接口电路设置更正的，并把目前的温湿度显示在ＬＣＤ上。　３．２电路设计　可以从以下几个方面实现开关柜的智能化：作为对供电　设备的控制和保护，开关柜要对保障其保护和控制的对象能　可靠的工作在任何上作状态下；作为一种电、磁、机一体的装　置，开关柜要加强控制和监测自身的工作状态，有效提高工作　可靠性　’；作为电网的基本元件，智能开关柜是自动化系统的　基础，能对系统安伞可靠的运行保驾护航。开关柜的智能化　需要各种先进技术的理论支持，通过学习、自适应、感知以及　电路设计主要包括以下几个模块：需要把３路电压电源　提供给系统的电源及复位电路设计、对开关柜中每一个设备　开展在线监测确保设备功能可以正常运行的开关量输入电路　设计、能对目前开关柜运行状态进行及时准确捕捉的动态输　记忆等手段实现有效的控制和处理，确保系统各方面都能达　到最优化。智能化技术主要包括现代传感器技术、微机处理　技术、故障诊断技术以及状态监测技术。　２．２硬件设计方案　在设计系统的硬件时核　ｔｋ，是微处理器，并以相应的管理　电路和外围电路相辅助来采集和控制信号；对于配电自动化　产品来说，放在首位的应该是系统运行的可靠性，否则因产品　故障使开关柜故障率提高就背离了配电自动化的初衷，所以　要着重加强设计开关柜的电磁兼容性。在硬件设计中采用的　没计思想为模块化思想，具体模块包括：判断开关柜是否正常　运行并实时反应在ＬＥＤ显示屏上的开关量及故障监控模块；　输入操控系统相关参数没置的键盘操作及ＬＣＤ显示模块；能　对开关柜内部环境温湿度有效调节的温湿度测量及调节模　块　；便于操作人员与Ｐｃ机通信的人机通信模块。　２．３软件设计方案　在开关柜智能化系统中，软件设计是其中的重要组成部　分，没计的软件功能包括在线监测、数据通信、温湿度监控、报　警以及人机交互等。本文选用的软件设计汇编语言为Ｃ语　言，并在软件中引入了实时操作系统，实现ｒ嵌入式操作系　统。在软件实施架构的过程中，采取的设计思路为分模块、分　系统，系统功能的实现分为以下二个步骤：首先是操作系统的　移植，通过代码的修改保障操作系统的正常运行；其次是初始　化任务，向各子任务系统通过消息队列以及共享内存等方式　进行相关的参数设置；最后是功能模块设计，最终实现软件的　设计功能　３　硬件设计与实现　３．１硬件整体框架设计　本文设计的开关柜智能化系统核心为ＡＲＭ硬件平台，同　时辅以外围电路，共同构成系统硬件，具体框架示意图如图ｌ　所示。　图１　系统硬件整体框架示意图　由图ｌ可知，缺相检测和开关位置可以借由光电隔离和　出显示电路没计、能测量和控制开关柜内部工作环境温湿度　的温湿度控制电路设计、能对目前工作情况通过声音识别并　能提示报警的语音提示报警电路设计、便于丁作人员设置相　关参数的人机接口电路设计、便于Ｐｃ机与下位机及时进行　数据交换的通信电路设计以及存储电路设计。　３．３硬件抗干扰　一般而言，开关柜智能化系统都具有较多的端口数目，出　现的电磁干扰项也较多，为了使硬件抗干扰能力得到有效提　高，确保终端设备的正常运行，有必要采取相应的硬件抗干扰　措施：使用ＣＯＭＳ芯片或贴片器件来防止静电干扰；选用金属　膜电阻，采用稳定频率和稳定性较好的电容器件；对输入输出　信号采用滤波器等进行隔离；通过滤波器对高噪声信号和输　入信号进行进一步的抗干扰；加大导线与元器件之间的距离；　尽量把带有强电的元器件放在人体接触不到的地方。　４　软件设计与实现　４．１操作系统概述　本文使用的嵌入式操作系统具有小巧的结构，是实时操　作系统的一种，包含可剥夺性实时内核，内核提供的功能囊括　了任务调度与管理、任务同步与通信、终端服务、时间管理以　及内存管理　。能满足系统的实时性需求，内核经过编译后　只有６—１０ＫＢ，扩展性能较理想。该系统是在１９９２年由美国　人开发完成的，并经过了美国航空管理局认证，具有非常广泛　的应用面，其代码汇编语言为Ｃ语言，篇幅较小，具有源代码　公开、实时性、可裁剪性、可移植性以及可靠性等优点，便于在　ＣＰＵ上的移植。本文在该嵌入式操作系统基础上设计的软件　系统结构示意图如图２所示。　………属勘檀障　…　一一　嵌入式撩作系统　系统服务骓动程序　任务管理　Ｈ｛钟　忤务阗＿鹰　０蘸线　讣韶存储器　胡蛄化　渣摄屏　任势润道信机制　信峙氍艇　内存分ｌ　管理　＾＃ｔ通信　啦鼬代鹕中斯址理　●＿－＿＿…●●■■●…●■＿＿■一●■■■●一　图２　系统软件结构示意图　４．２系统程序与实现　在以上分析的基础上，本文在图３中给出了系统程序流　程图。在嵌入式操作系统中，共创建了五个主要任务，分别　为：采集歼关量信号、控制柜内工作环境温湿度、液晶显示、人　机通信以及存储任务。首先，要进行仞始化任务设计，以便于　进一步初始化硬件和控制任务的建立；其次是采集开关量信　（下转第５８页）　・５５・　基于ＣＡＮ总线技术的机械臂自动控制系统设计赵小刚　动控制系统的动态性能更加优化，后期还要加深模糊神经网　络算法的研究。　４．２主从时钟同步分析　在ＣＡＮ总线实验网络中，主计算机选定时钟同步周期把　报文发送至关节控制器纠正主从时钟偏差，共得到六组实验　结果，在时钟同步周期不同的情况下得到了主从时钟变化情　产程度，导致了综合布线复杂化问题的出现。本文在ＣＡＮ总　线技术基础上设计的机械臂自动控制系统从总体设计、硬件　设计以及软件实现上都进行了详细的说明，实验结果表明，机　械臂运动控制系统在ＣＡＮ总线技术的支持先能较好的满足　实时响应的要求，扩展性能较好。　参考文献　况：经过主从时钟同步算法纠正之后，偏差变化趋于稳定；时　钟同步周期不同时，偏差也有所不同，周期较长时，累计偏差　一圆　壹　齑化一　面一　一　张红亮，吴秋云，景宁．网络时间协议实现分布式系统内时钟同步　较大，主计算机滞后于关节控制器的时钟偏移率，周期较短　时，报文延时能对主从时钟偏差产生影响；主从时钟同步周期　过短时（≤ｌＯＯｍｓ），频繁的时钟同步报文会加重总线负载，会　造成偏差跳跃变化。　的原理分析［Ｊ］．小型微型计算机系统，２００３（５）：８３１－８３４．　［Ｊ］．电气传动，２００２（２）：４４—４５．　学学报，２００５（２４）：４３—４６．　龙志强，刘曙生，曹承侃．基于总线的磁悬浮列车通信网络研究　亨窜章　王毅，龙志强．ＣＡＮ网络信息传输的实时性分析［Ｊ］．天津工业大　吴军，李晓龙，龙志强．ＣＡＮ控制网络实时性能分析与测量［Ｊ］．工　业控制计算机，２００４（１Ｏ）：２１—２３．　刘鲁源，王晓欣，刘昆．分布式系统高精度时钟同步算法及其实现　［Ｊ］．天津大学学报，２００６（８）：７０－７５．　熊慧．ＣＡＮ总线分布式系统高精度时钟同步技术的研究［Ｄ］．武　汉：华中科技大学硕士论文．２００７：７—９．　４．３机电捕获结果分析　本文针对机械臂上的多关节开展了机电捕获实验，机械　臂在视觉系统引导之下，能够实现搜索、接近、跟踪既定目标，　最终抓获目标，结果表明，在ＣＡＮ总线技术基础上设计的机　械臂自动控制系统不仅加快了响应速度，而且有较为平滑稳　定的运动过程，基本没有出现震荡现象，同时采用的ＣＡＮ网　络表现出了较好的通信过程，在主计算机控制时没有发生传　感器采空数据情况的发生，而且通过机械臂上的末端捕获目　二Ｊ　标的成功率较高，整个系统表现出了较好的工程可行性。　１ｊ　１ｊ　１Ｊ　１　殷志良，刘万顺．基于ＩＥＥＥ　１５８８实现变电站过程总线采样值同步　新技术．电力系统自动化，２００５（１３）：６０—６４．　曾岩．二自由度机械臂控制系统的设计与实现［Ｄ］．厦门大　学，２００８．　５　结论　电子技术在不断发展，随着其在工业领域的广泛应用有　］　李宏庆．基于视觉的六自由度机械臂控制技术研究［Ｄ］．南京理工　大学，２００９．　［１Ｏ］介党阳，刘敬明，梁晓峰，等．机械臂技术在舰艇发射装置领域的　应用［Ｊ］．四川兵工学报，２０１５（５）：２０—２３．　了越来越高的自动化程度，工业生产也随之提高了自动化生　（上接第５５页）　号，通过对设备位置和状态的判断进行提示和报警；第三通过　传感器信号的转换、校准和纠错，把处理后的数据进行液晶显　示和报警；第四是通过ＬＣＤ和键盘，把温湿状态参数实时的　进行显示；最后是通过芯片的读写功能对数据进行存储。由　于篇幅所限，本文涉及的程序代码就不一一列出。　进行保护和监控。为了紧跟智能化发展的需求，本文在ＡＲＭ　处理器技术基础上，研究了集合保护、控制、监测与报警功能　的智能开关柜装置。但是本文设计实现的多为基本功能，应　用到实际生产过程中还存在一些问题，需要对系统做进一步　的改进和完善，依托更先进的技术使系统性能得到行之有效　的提高。　参考文献　［１］　黄邵平，赵毅君．智能型高压开关柜系统硬件设计［Ｊ］．湖南工程学　院学报，２００２，１２（２）：８—１２．　［２］许大宇．高压断路器状态在线监测系统研究［Ｊ］．南京工程学院学　报（自然科学版），２００６，６（３）：４Ｏ一４４．　［３］杜宏，边静．配电网自动化中的通信方案【Ｊ］．电力设备，２００２，３　图３　系统程序流程示意图　（２）；３８—４０．　４．３界面设计　［４１陈振生．智能化高压电器设备状态监测技术［Ｊ］．电气开关，２００２，　１：２８—２９．　本文采用了ＶＣ＋＋语言进行上位机界面设计，显示内容　包括时间、带电显示。温湿度以及工作状态，本文在界面设计　的过程中对主板传输信号进行定时采集，并将相关数据在　ＬＥＤ上实时显示。主界面主要包括以下功能：显示时间，便于　用户准确把握；显示实时采集到的温湿度数据，便于实时的了　解；显示高压带电情况，对各相是否正常进行及时的反馈；开　关量采集，了解和控制各个设备的工作状态；报警模块，出现　异常或发现故障时，及时的向操作人员提供警示。　［５］姚刚．电力系统自动化装备的电磁兼容技术［Ｊ］．电力系统及其自　动化学报，２０００，Ｈ（４）：３３—３５．　［６］李开青．电气设备温度在线监测系统［Ｊ］．电网技术，２００６，２６（３）：　１３—１６．　［７］Ｊｅａｒｋ１．Ｌａｂｒｏｓｓｅ著邵贝贝等译嵌入式实时操作系统林Ｃ／Ｏｓ—ｎ（第　二版）［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．　［８］谭琼．低压电器开关柜定制设计系统的研究与应用［Ｄ］．重庆大　学，２００９．　［９］王铮．ＰＬＣ在中压负荷开关柜自动控制中的应用［Ｊ］．自动化应用，　５　结论　作为电网系统中的重要节点之一，开关柜能对电力系统　２０１　１．Ｏ４：４９—５Ｏ．　・５８・