智能型高压开关柜硬件系统设计

第１２卷第２期２００２　　　Ｗ－　６月湖两工程字院宇报　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．　１２．Ｎ０．２Ｊｕｎｅ．　　２００２Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ智能型高压开关柜硬件系统设计黄绍平，赵毅君〔湖南工程学院电气工程系，湖南湘潭４１１１０１）摘要：智能化是开关设备的一个重要发展方向。探讨了智能化电器应具有的功能及实现方法，设计了智能型高压开关柜硬件系统，介绍了其总体结构和数据采集系统，开关量输入／输出电路、串行通信电路、硬件时钟与自复位电路等主要功能电路的具体设计方案。关健词：智能化电器；高压开关拒；微机保护；在线监测；串行通信中图分类号：ＴＭ５０２文献标示码；Ａ文章编号：１６７１一１１９Ｘ（２００２）０２一０００８一０４取代传统的测量和计量仪表。采用单片机对交流电流和电压进行检测，然后通过一定的算法，就可以实现对电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率等电参数的测量和电能计量。（　　　　２）微机保护微机保护不仅可以完全代替传统的继电保护装置，而且可以在不增加硬件的情况下，实现各种性能更好的保护功能。对于３５ＫＶ及以下系统，最基本的保护是电流保护只要检测出故障电流，根据相应的算法就可以实现高性能的电流保护。０前言　　　　随着电站自动化、变电站综合自动化和配电自动化的迅速发展，电力系统自动化程度越来越高，相应地对各种输变电和配电设备提出了更高的要求，在电力系统中起着控制和保护等重要作用的开关设备首当其冲，智能化成为开关设备的必然发展趋势。智能化电器就是指在传统开关设备中引人计算　　　　机技术、数字处理技术、网络通信技术和现代传感器技术而发展起来的新一代开关设备，它具有微机测量、微机保护、通信和在线监测等功能。以下以智能型高压开关柜为例，　　　　探讨智能化电器功能的实现方法，介绍其硬件系统主要功能电路的设计方案。１智能化电器的功能实现　　　　智能电器是在传统开关设备的本体上安装一个以单片机为核心的智能单元。这一单元集测量、保护、控制、通信和电器本身状态的在线监测功能于一体。由于智能单元是安装在开关设备本体的小间隔内或开关柜的仪表门上，要求体积比较小。另外，智能单元处于强电磁干扰和强振动的运行条件下，其工作的可靠性至关重要。（１）微机测量智能电器应具有各电量的测量　　　　　　　　（３）在线监测开关设备的状态监测项目较多，如机械性能、温度、凝露、电气绝缘性能等等。对于高压开关柜，其状态监测可考虑以下几项：①断路器操作次数统计一一监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行维修的次数；②开断电流加权值—间接监测断路器触头的电磨损；③母线连接处温度。前两项根据电流采样值和软件处理就可做到，母线温度监测采用数字温度传感器不难实现。（　　　　４）通信通信功能用于电器与电力自动化系统的微机（系统机）之间进行双向信息传输。一方面智能电器向系统机传送运行参数、保护整定值、故障信息以及电器本身的状态信息；另一方面系统机向智能电器发出操作指令，改变和调节整定值。通信功能可利用单片机的串行通信接口实现。如果电力自动化系统采用现场总线，则智能电器也应相应地采用现场总线技术。以及电能计量功能，并能通过ＬＣＤ显示出来，完全ＷＡ　１３期：２００２一０４一ｏｆ作名简介：黄绍平（１９６４－　）．男副教授．湖南大学控制工程专业在读硕士．研究方向：智能电器、配电白动化‘第２期黄绍平等：智能型高压开关柜硬件系统设计２硬件系统设计硬件系统总体结构２２１２　　：　　　　智能单元由单片机系统、模拟量数据采集系统、开关量输人／输出、串行通信接口、硬件时钟与自复位、人机对话及电源等模块组成，其原理框图如图１所示。私ＴＶ＊繁图１智能电器硬件原理框图单片机系统开关柜仪表门上和开关设备小间隔内的智能单元来　　　　　　　　　　　　　　　　　　单片微机系统是智能单元的核心，它由ＣＰＵ和ＲＡＭ，ＥＰＲＯＭ，　ＥＺ　ＰＲＯＭ等扩展芯片构成。对于智能型高压开关柜，可采用ｓ位或１６位的单ＣＰＵ结构。由于测量和保护的数值计算量大，并要记录故障发生前后的波形，所以外扩一片ＲＡＭ　６２６４０说，显然体积太大。本设计方案采用一种微型互感器。对于电流量的隔离变换与电压形成采用ＧＹＡ一７型微型电流互感器，它小巧轻便，能直接焊接在印刷电路板上；全树脂密封，隔离度高；输人电流范围为０　－　６０Ａ，输出电流范围为０　－－　６０ｍＡ。与常见Ｅ＝ＰＲＯＭ用于存放保护定值和装置运行控制字等信息，可在线就地或远方调整修改。２．３数据采集系统智能单元要采集的信息包括交流模拟量和开关　　　　量。模拟信号来自电流互感器（ＴＡ）和电压互感器（ＴＶ），但这些互感器的二次侧电流和电压量不能适应模数变换器（ＡＤＣ）的输人范围要求，故需对它们进行变换。同时，智能单元还要与强电系统隔离。模拟量采集系统原理框图如图２所示Ｃ的方式不同，这里不是在电流互感器的二次侧直接并联一个电阻来实现电流量到电压量的变换，而是在电流互感器的二次侧加一级运算放大器（ＯＰ０７型）来将电流量变换成电压量，可以通过调节运算放大器的反馈电阻的值在输出端得到所要求的电压输出，其原理电路如图３所示Ｃ拍人图２模拟址输入电路原理框图　　　　　　　　　　　　图３电流量隔离变换与电压形成电路　　　　　　　　　　隔离变换和电压形成一般采用各种中间变换器来实现：但是，常规的变换器体积较大，智能电器的智能单元通常要使用多个这类变换器，这对于要安装在模拟量输人电路的采样保持、多路开关和模数　　　　转换环节采用一块Ｍａｘｉｎ、公司的ＭＡＸ１９７芯片，它是单电源、多量程、８路输人带内部采样２保持和湖南工程学院学报２００２年多路开关、时钟、基准电压的数据采集系统，转换时间为６．Ｏｐｓ。采用这种芯片能大大简化电路。２．４开关ＩＭ入／１４出电路开关量输人包括两类。一类是断路器、隔离开　　　　电器与系统机之间的串行通信标准。ＲＳ一４８５为半双工通信，其最大通信距离为１２００ｍ，此时的数据传输速率为１００ｋｂｐｓ；如果通信距离为１２０ｍ，则数据传输速率可达到１　Ｍｂｐｓｚ关等设备的辅助触点和有关继电器的接点，以检测这些设备的工作状态（开还是合）；另一类是智能电器的智能单元装置本身的一些接点，例如开关量输出回路的继电器的接点和装置面板上的切换开关。开关量输出包括断路器跳闸出口以及就地和中央信号出口。　　　　跳闸出口回路设计的关键是如何防止误动作。如图４所示，并行输出端口８２５５Ａ经过光电隔离控制有触点的继电器ＫＣＯ。为了防止误动，在出口跳闸时，８２５５的二个并行口ＰＢＯ和ＰＢ１安排不同的电平输出，ＰＢＯ输出“０＂；　ＰＢ．　１输出“１＂，使与非门＆输出“’，０驱动发光二极管。这样做可防止在拉合直流电源过程中继电器的短时误动。因为在拉合直流电源时，形同上电复位，ＰＢＯ和Ｐｉｌｌ都是相同电平输出，不可能驱动发光二极管，从而防止了误动。图４跳闸出口电路　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　为了简化通信机制，智能电器与系统机之问的通信采用只有２条信号线的最简型连接。系统机（ＰＣ机）一方只使用标准ＲＳ　－　２３２Ｃ接口上的４个引脚：串行输人ＲＸＤ、串行输出丁ＸＤ，数据终端准备２．５串行通信接口电路智能电器与系统机之间的通信一般采用串行通　　　　信方式。在变电站内，开关设备与主控室连接的二次电缆实际配线距离通常为几十米到上百米，但只需要采用半双工通信。因而，ＲＳ一４８５适用于智能ｖｃｃ好〔汀Ｒ和请求发送信号Ｒ比。系统接口电路如图５所示。整个通信系统由单片机部分、ＲＳ一２３２／ＲＳ－４８５接口转换部分和系统ＰＣ机构成。单片机输出的ＴＴＬ逻辑电平通过光电隔离后，由ＭＡＸ４８５芯片转换为ＲＳ一４８５电平，再由ＲＳ一２３２／ＲＳ一４８５光电隔离接口转换器转换为ＲＳ一２３２电平，输人系统ＰＣ机的ＲＳ－２３２接口。反之亦然。ＰＣ机图５串行通信系统接口电路　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２．６硬件时钟与自复位电路智能电器等电力自动装置需要实时时钟功能，　　　　用于日历、计时和事件记录，并要求智能单元不工作成。ＭＣ１４６８１８芯片由电子时钟和存储器两部分组成，可计年、月、日、时、分、秒、星期；能处理闰月闰年；可将当前时问实时存储，以便ＣＰＵ随时读取。时（停电）也能继续计时。为此，设置了一个硬件时钟电路。它采用一片专用时钟芯片ＭＣ１４６８１８构ＭＣ１４６８１８芯片可方便地与ＣＰＵ接口。智能电器处于强电磁干扰的运行环境，必须采第２期黄绍平等：智能型高压开关柜硬件系统设计取各种抗干扰技术和可靠性技术。为了防止运行时程序死循环，设计了一个硬件自复位电路，它由ＭＣ１４６８１８，７４１Ｓ３９３计数器和８０３１　ＣＰＵ组成，如图６所示。出，将通过其２ＱＤ端向８０３１发复位信号，使智能单元重新投人正常工作。３结语智能电器的研究开发一是应与电力系统自动化　　　　ＭＣ１４Ｍ１８ＳＯＷ　　　　　　的发展相适应；二是在功能方面要避免“大而全”的倾向，应以应用为本。本文介绍的智能型高压开关柜硬件系统设计方　　　　案具有易于实现、成本低等特点。参考文献　　　　　　　　　　　　　　　　图６硬件自复位电路　　　　　　　　　　　　　　　　［Ｊ：匡匡川　　　　图６中，ＭＣ１４６８１８的ＳＱＷ端每隔５００。发送一标准脉冲给７４ＬＳ３９３计数器的输人端ＩＡ，　８０３１单片机程序中安排每隔一定时间通过Ｐ１．１端定时对７４１５３９３计数器２ＱＬ检测是否计数已满，并通过陈振生。徐娅萍等．高压电器产品的机电一体化【ｌ７高压电器，１９９６，３２（３）杨武，丁丹等．高压开关柜的在线监测和故障诊断【Ｊｌ电工技术杂志，２００１，（３）．Ｐ１．７端对计数器（ＣＩ．Ｐ　）清零。如果接口插件由于程序出格，ＣＰＵ就不能对计数器进行正常检测并清零，那么经过一定的时间，７４１５３９３计数器因计数溢黄益庄变电站综合自动化技术〔Ｍ］北京：中国电力出版社，２０００．杨新民杨隽琳电力系统微机保护培训教材北京：中国电力出版社，２０００．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ＩｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄＨｉ　　　　　　　　　　ｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　ＳｗｉｔｃｈｂｏａｒｄＨＵＡＮＧ　　　　　　　　　　　Ｓｈａｏ一ｐｉｎｇ，　ＺＨＡＯ　Ｙｉ一Ｊｎｕ（　　Ｄｅｐｔ．　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔ．Ｅｎｇ．，　Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１１０１，Ｃｈｉｍ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｐｐａｒａｔｕｓ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚｅｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｄａｔａ　ｐｉｃｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｓｗｉｔｃｈ一ｑｕａｎｔｉｔｙ，　ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ，　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｌｏｃｋ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｅｌｆ一ｒｅｐｏｓｉｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔＫｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　　　ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ；　　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｂｏａｒｄ；　　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；　ｏｎ一ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；　ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ