智能高壓開關(guān)柜監(jiān)控保護(hù)單元的研究

1、智能高壓開關(guān)柜監(jiān)控保護(hù)單元的研究 【摘 要】要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電器智能化，就要首先實(shí)現(xiàn)在配電網(wǎng)中起著控制和保護(hù)等重要作用的高壓開關(guān)柜的智能化。本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)10kv高壓開關(guān)柜進(jìn)行智能化研究，對(duì)其智能監(jiān)控保護(hù)單元的硬件電路進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，及軟件部分提出參考設(shè)計(jì)方案。 【關(guān)鍵詞】智能；高壓開關(guān)柜；硬件電路 高壓開關(guān)柜是配電網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，隨著變電站綜合自動(dòng)化程度和供電可靠性的日益提高，對(duì)高壓開關(guān)柜性能的要求也愈來愈高。尤其是變（配）電所在逐步實(shí)現(xiàn)無人值班時(shí)，對(duì)高壓開關(guān)及高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視提出了更高的要求。近年來，傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)

2、展及其在各工業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，使智能高壓開關(guān)柜的開發(fā)和應(yīng)用成為可能。智能高壓開關(guān)柜，即是在傳統(tǒng)高壓開關(guān)柜上配置智能型保護(hù)、控制和監(jiān)測(cè)單元，具有自檢，自控，自我診斷，自我恢復(fù)、數(shù)字顯示、高壓開關(guān)狀態(tài)顯示、對(duì)外雙向數(shù)據(jù)通信等功能。 1. 智能高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)保護(hù)單元的設(shè)計(jì)方案 （1）實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜的智能化，關(guān)鍵在于智能高壓開關(guān)柜監(jiān)控保護(hù)單元的設(shè)計(jì)。智能監(jiān)控保護(hù)單元不僅要實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜在系統(tǒng)中各項(xiàng)監(jiān)測(cè)控制保護(hù)功能的智能化，而且還要重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)柜本體的各項(xiàng)性能的在線監(jiān)測(cè)控制保護(hù)。另外為了滿足用戶和變電站整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的需要設(shè)置了數(shù)據(jù)通信功能。 （2）智能監(jiān)控保護(hù)單元主要由電源模塊、cpu模塊、光

3、電隔離交流采樣模塊、光電隔離開關(guān)采樣模塊、控制模塊組成。其核心部分是intel公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)80c196kb，系統(tǒng)時(shí)鐘由專用的時(shí)鐘芯片提供。網(wǎng)絡(luò)接口采用rs-485組成的串行接口網(wǎng)絡(luò)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 2. 智能監(jiān)控保護(hù)單元硬件電路設(shè)計(jì) （1）智能高壓開關(guān)柜的智能監(jiān)控保護(hù)單元的按結(jié)構(gòu)功能可以分為輸入模塊、中央控制模塊、開關(guān)量輸出模塊、通信模塊、人機(jī)交互模塊。這些模塊在功能上和電路結(jié)構(gòu)上都相對(duì)獨(dú)立，以便針對(duì)智能高壓開關(guān)柜的具體要求，進(jìn)行靈活的配置。下面就按功能模塊的劃分為主線，進(jìn)行智能監(jiān)控保護(hù)單元的硬件設(shè)計(jì)。 （2）中央控制模塊設(shè)計(jì)：根據(jù)需要，選擇多cpu結(jié)構(gòu)，即選用三主要cp

4、u結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)中央控制模塊。cpu選用美國(guó)intel公司生產(chǎn)的mcs系列單片機(jī)80c196kb。此系列單片機(jī)特別適用于各類自控系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電極控制系統(tǒng)等。還適用于一般的信號(hào)處理系統(tǒng)和高級(jí)智能儀器等要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)中。mcs系列單片機(jī)屬于chmos工藝的第二代產(chǎn)品，數(shù)據(jù)/地址線均為16位。chmos芯片耗電少，除正常工作外還可處于2種節(jié)電方式：待機(jī)方式和掉電方式，進(jìn)一步減少芯片的功耗。80c196kb系列cpu具備的外圍設(shè)備除了8x86已包括的一些設(shè)備（如時(shí)鐘發(fā)生器、內(nèi)部a/d轉(zhuǎn)換器、高速輸入/輸出、pwm等）外，還集成了先進(jìn)的外設(shè)事務(wù)服

5、務(wù)器pts和事件處理器陣列。pts是一種微代碼硬件處理器，可以代替cpu高速實(shí)現(xiàn)諸如啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換并讀取結(jié)果、讀取hsi的fifo、裝載hs0、串行口的發(fā)送和接受等中斷服務(wù)，從而大大減少系統(tǒng)響應(yīng)中斷的開銷。鑒于80c196kb系列單片機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，選用它來處理本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、鍵盤和液晶顯示、微機(jī)保護(hù)、電網(wǎng)監(jiān)控等重要功能，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。通信任務(wù)用at89c51這種常見的單片機(jī)來完成就可以了，既不影響系統(tǒng)的可靠性，也節(jié)省了投資。所以，本系統(tǒng)采用多cpu結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。多cpu結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 圖2 多cpu結(jié)構(gòu)框圖（3）多cpu中央控制模塊的工作原理：測(cè)量cpu正

6、常情況下用于監(jiān)控 （所要測(cè)量的模擬量包括電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、母線溫度、開關(guān)位置、有功功率、無功功率、電能等），并按一定的時(shí)間與保護(hù)cpu交換信息，以便監(jiān)測(cè)保護(hù)cpu的工作狀態(tài)是否正常；而保護(hù)cpu則正常情況下用于監(jiān)測(cè)測(cè)量cpu是否正常工作外，一旦被控設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能夠準(zhǔn)確無誤地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，只有當(dāng)其中的一個(gè)cpu被監(jiān)測(cè)到有錯(cuò)誤后，才會(huì)立即代替其工作，同時(shí)通過通訊接口向遠(yuǎn)控主機(jī)發(fā)信號(hào)報(bào)錯(cuò)，從而完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)任務(wù)。測(cè)量cpu與保護(hù)cpu之間每隔一段時(shí)間通過雙口ram進(jìn)行交換信息來判斷對(duì)方狀態(tài)是否正常。通信cpu主要用來完成向接受測(cè)量cpu的數(shù)據(jù)并傳給上位機(jī)和接受上位機(jī)發(fā)的信

7、息并把信息傳遞給保護(hù)cpu，完成通信任務(wù)。 3. 開關(guān)柜智能監(jiān)控保護(hù)軟件設(shè)計(jì) 3.1 模塊化設(shè)計(jì)及任務(wù)調(diào)度分配。 （1）軟件模塊化設(shè)計(jì)對(duì)與智能高壓開關(guān)柜的軟件系統(tǒng)來說有諸多優(yōu)點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)軟件的模塊化設(shè)計(jì)就不得不提軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軟件的總體結(jié)構(gòu)分為硬件驅(qū)動(dòng)層、管理調(diào)度層、基礎(chǔ)功能層和應(yīng)用層。在智能高壓開關(guān)柜的設(shè)計(jì)中，管理調(diào)度層是實(shí)現(xiàn)軟件模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。管理調(diào)度層是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，負(fù)責(zé)基礎(chǔ)功能中不同任務(wù)的進(jìn)程調(diào)度，它的好壞直接影響到系統(tǒng)的軟件功能能否順利實(shí)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)是否高效、硬件資源是否充分利用等。一個(gè)好的調(diào)度系統(tǒng)，應(yīng)該既能保證不同的任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，又能保證各個(gè)任務(wù)能夠可靠、安全地運(yùn)行。

8、 （2）實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的完成由于是面向配電網(wǎng)絡(luò)的50hz諧波，主要是定間隔采樣和計(jì)算問題，本設(shè)計(jì)每周波采樣12點(diǎn)，即1.667ms采樣一次，因此把采樣任務(wù)作為最高級(jí)的任務(wù)，在中斷中執(zhí)行，以保證采樣時(shí)間的精確性。其余內(nèi)部任務(wù)以采樣作為基本執(zhí)行周期，分時(shí)進(jìn)行。進(jìn)入采樣中斷后，先對(duì)11個(gè)模擬量通道和地電平通道依次采樣，并計(jì)算出模擬量的平方和。然后判斷當(dāng)前是第幾點(diǎn)采樣，根據(jù)不同的采樣點(diǎn)執(zhí)行一些周期性任務(wù)，如全周富氏濾波每采樣6個(gè)點(diǎn)調(diào)用一次，時(shí)鐘管理每2個(gè)點(diǎn)執(zhí)行一次。為了減輕cpu的負(fù)擔(dān)，應(yīng)將這些任務(wù)分散在不同的采樣間隔中運(yùn)行，從而盡可能保證每次中斷執(zhí)行時(shí)間一致，否則某次中斷時(shí)間過長(zhǎng)，有可能導(dǎo)致下一

9、次不能準(zhǔn)時(shí)中斷，給采樣帶來誤差。在采樣出口以后，由于距下一個(gè)采樣時(shí)刻到來還有一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)調(diào)度外部任務(wù)，完成保護(hù)、計(jì)算、通信等任務(wù)。任務(wù)調(diào)度的總體框圖如圖3所示。 圖3 任務(wù)調(diào)度框圖（3）為了進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，在程序中設(shè)置了的狀態(tài)字節(jié)task code，如圖4所示。每個(gè)任務(wù)在該字節(jié)中占有一位標(biāo)志，每位標(biāo)志對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)先級(jí)，最低位對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)，最高位對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。 要進(jìn)行任務(wù)間的切換，必須保留任務(wù)切換處原有程序的執(zhí)行環(huán)境，因此，需要在每個(gè)任務(wù)的入口保存程序指針和狀態(tài)字，這些需要保存的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)的形式存放。 （4）當(dāng)任務(wù)的執(zhí)行條件滿足后，任務(wù)就轉(zhuǎn)化成就緒狀態(tài)，并同時(shí)在任務(wù)

10、狀態(tài)字節(jié)寄存器中置相應(yīng)的標(biāo)志位；當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完畢后，任務(wù)狀態(tài)字節(jié)中相應(yīng)的標(biāo)志位被清除。每次采樣中斷后開始執(zhí)行任務(wù)調(diào)度程序，調(diào)度時(shí)首先檢查具備執(zhí)行條件的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，從最高級(jí)的任務(wù)開始調(diào)用執(zhí)行，執(zhí)行完畢后返回中斷出口處，若此時(shí)無就緒的任務(wù)，直接退出，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完畢，清除任務(wù)狀態(tài)位。 圖4 任務(wù)狀態(tài)字節(jié)3.2 智能監(jiān)控保護(hù)單元的軟件設(shè)計(jì)。軟件上的模塊化設(shè)計(jì)保證了智能監(jiān)控保護(hù)單元保護(hù)任務(wù)的優(yōu)先可靠執(zhí)行，并能夠在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展許多監(jiān)控及人機(jī)界面的軟件，成為積木式的軟件模式。智能監(jiān)控保護(hù)單元的軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊完成不同的功能，整體結(jié)構(gòu)較為清晰，添加功能也很方便。軟件采用c語言和匯編語言混和編程方

11、式編寫。c語言結(jié)合了高級(jí)語言的基本結(jié)構(gòu)和低級(jí)語言的高效性，很適合單片機(jī)的開發(fā)，可移植性很好：匯編語言具有高效性、直接面向硬件操作的優(yōu)點(diǎn)。本裝置中任務(wù)調(diào)度模塊和部分與硬件關(guān)系密切的模塊采用匯編語言開發(fā)，其他與用戶關(guān)系密切的模塊采用c語言編程。在軟件的編制過程中，始終注意軟件設(shè)計(jì)的基本要求：（1）易理解性、易維護(hù)性；（2）實(shí)時(shí)性；（3）可測(cè)試性；（4）準(zhǔn)確性；（5）可靠性。主程序通過調(diào)用各子程序模塊來實(shí)現(xiàn).其中子程序包括：運(yùn)算子程序、測(cè)量cpu交流采樣子程序、保護(hù)子程序、液晶顯示子程序、通信cpu串行口中斷子程序、外部中斷服務(wù)程序、三cpu通信程序等。 4. 總結(jié)與展望 在設(shè)計(jì)中，結(jié)合高壓開關(guān)柜的

12、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，確定了設(shè)計(jì)方案和思路。中央控制模塊采用三cpu結(jié)構(gòu)，大大提高了測(cè)量、控制和保護(hù)的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時(shí)性。在其他模塊的設(shè)計(jì)上，充分利用這個(gè)優(yōu)勢(shì)，并考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，在選型方面?zhèn)戎赜谛阅艿奶嵘?。利用現(xiàn)代傳感技術(shù)，智能高壓開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)了合閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測(cè)等重要監(jiān)測(cè)功能。軟件設(shè)計(jì)在實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)整體功能和局部功能的實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展具備了可操作性。 參考文獻(xiàn) 1 尤龍.智能化電器和智能化開關(guān)柜現(xiàn)狀與發(fā)展j，西北電力技術(shù)，2003.4. 2 黃紹平等.智能化電器的設(shè)計(jì)j，電力系統(tǒng)自動(dòng)化j，2002.12，第26卷23期. 3 金立軍等.高壓開關(guān)設(shè)備智能化發(fā)展綜述j，電網(wǎng)技術(shù)，2002.1，26卷1期. 4 黃紹平等.智能型高壓開關(guān)柜硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)j，湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.6，第12卷第2期. 5 閆鈿等.高壓開關(guān)柜微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)j，電力自動(dòng)化