110kV高壓隔離開關智能控制器的設計與開發

（朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西 忻州 034000）

110kV高壓隔離開關智能控制器的設計與開發

張志強

（朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西 忻州 034000）

智能高壓開關設備是智能電網與智能變電站的關鍵組成部分。本文就110kV高壓隔離開關智能控制器的設計與開發展開研究，提出了利用高性能的ARM和CPLD微處理器作為控制核心，并配合溫濕度傳感器、角度傳感器等部件設計了110kV高壓隔離開關智能控制器。

110kV；高壓隔離開關；智能控制器

選擇ARM與CPLD微處理器進行高壓隔離開關智能控制器的設計與開發，主要是由于ARM能夠較好地支持通信網關工作，而CPLD具備集成度高、編程靈活、開發周期短、設計成本低、保密性強等特點，這些特點使得設計出的高壓隔離開關智能控制器不僅能夠具備較快的處理速度，還具備較高的抗干擾性能，這給控制器的更好工作帶來一定積極影響。

1 總體設計方案

在本文進行的110kV高壓隔離開關智能控制器的設計中，筆者嚴格遵循了IEC61850國際平臺標準，保證了這一控制器具備數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化和信息互動化等特征，而這些特征則主要體現在隔離開關智能控制器的控制、數據采集、安全檢測、人機聯系等功能中。

由于這些功能組合在一起能較好實現整個系統的自我檢測保護，使得該設計方案能夠為電力系統繼電保護和控制在線網絡化管理實現帶來較好支持。

2 硬件設計

在本文110kV高壓隔離開關智能控制器的設計與開發中，這一隔離開關智能控制器的硬件部分主要包括SCM（開關控制）模塊設計、電機控制電路設計、溫度檢測電路設計、濕度檢測電路設計、角度測量設計、電機過流保護設計、通信模塊設計等內容。

（1）SCM(開關控制)模塊設計。在SCM（開關控制）模塊設計中，筆者選擇了ARM作為主控芯片，CPLD作為輔助芯片，二者通過配合能夠較好為本文研究的110kV高壓隔離開關智能控制器控制、顯示、檢測、數據傳輸和通信等功能的實現提供支持。在主控芯片ARM的選擇中，筆者選擇了意法半導體（ST）公司的STM32F103型號的ARM微控制器，這一控制器具備分支預測的三級流水線結構、支持位綁定操作、使中斷變成更加簡便、簡便的乘除法的運算、支持串行SWD調試方式等優勢，這些優勢使得這一微控制器的選擇能夠大大降低本文研究隔離開關智能控制器的成本，并提高其處理性能；而在CPLD的選擇中，筆者選擇了Altera公司的MAXII系列CPLD，這一CPLD具有價格較低、功耗較小、性能較高、容量較大等優勢，這些優勢使得這一CPLD能夠較好滿足本文研究的需要。（2）電機控制電路設計。在電機控制電路的設計中，筆者選擇了固態繼電器和普通電磁繼電器配合使用的策略，這種設計策略的應用能夠較好避免卡死等電動機堵轉的意外情況發生；而在繼電器的驅動電路設計中，筆者選擇了應用TLP5214器件的光電隔離技術進行強弱電的隔離，這樣就較好地提高了電路的防干擾能力。（3）溫度檢測電路設計。在溫度檢測電路設計中，筆者選擇了美國DALLAS公司生產的DS18B20數字溫度傳感器，這一傳感器具有SPI單總線接口、溫度有效測量范圍較廣且精度較高、連接較為簡便等優點，而為了避免影響這一設計的溫度檢測精度，筆者選擇了屏蔽雙絞線完成這一設計。（4）濕度檢測電路設計。在本文研究的110kV高壓隔離開關智能控制器的濕度檢測電路設計中，筆者選擇了AM2301數字溫濕度傳感器完成這一設計，這一設計避免了該傳感器4號引腳在使用中的懸空，這樣就能較好避免這一設計出現不穩定問題，保證該部分設計較好滿足隔離開關智能控制器需求。（5）角度測量設計。在角度測量的設計中，筆者選擇了AD公司生產的AD2S90旋轉變壓器完成這一設計，這一變壓器具有抗震性好、耐腐蝕、工作溫度范圍寬等優點，這些優點使其能在高溫、嚴寒、潮濕、高震等環境中較好的完成自身工作。為保證這一設計更好地完成，采用了星形連接電路。（6）電機過流保護設計。在電機過流保護設計中，這一環節的設計主要為了避免電機故障的出現，而為了滿足這一需求，選用了TA25P-100A傳感器完成電機過流保護的設計，而在這一設計中，通過可調電阻與電容進行了相移的補償。（7）通信模塊設計。在通信模塊的設計中，筆者選擇了光纖傳輸形式，這本身與我國政府提出的智能電網和數字化變電站建設要求相符，輸誤碼率極低、傳輸速度快、價格低廉、能量損耗小、信息保密性好、利于施工等方面是這一光纖傳輸的優點所在。為了盡可能發揮光線的優勢，選擇了一對一串口光纖通信方式與總線式串口光纖多機通信方式兩種通信模塊設計。

3 軟件設計

在完成本文研究110kV高壓隔離開關智能控制器的硬件設計后，我們還需要完成這一隔離開關智能控制器的軟件設計，在這一設計中筆者采用了C語言在MDK環境下開發ARM控制器程序，并采用VHDL語言在QuartusII9.0環境下完成了CPLD程序的設計。

（1）開發工具選擇。在本文進行的110kV高壓隔離開關智能控制器的軟件開發中，筆者主要采用了RealViewMDK與QuartusII9.0作為軟件開發的環境，二者能夠較好支持ARM控制器程序與CPLD程序的設計。（2）控制器主程序設計。在控制器主程序設計中，為了更清楚地描述這一控制器主程序設計，筆者以SCM（開關控制）模塊的動作為例，對于SCM（開關控制）模塊來說，其本身在需要合閘時，需要得到高壓開關柜的隔離開關命令信號的支持，而在這信號的支持下剎車回路導通將回路中的電樞電流泄放消耗，這樣才能夠順利實現合閘過程。而在STM32程序的設計中，筆者為其設計了3種不同的啟動模式和啟動配置，從內置的閃存存儲器啟動等都屬于這一配置，而這些啟動配置通過修改BOOT0的值就能夠輕松實現；而在CPLD程序的設計中，首先建立了一個工程文件，增加了VHDL文本，并在完成程序設計后進行了時序仿真和功能仿真，仿真能夠較好顯示電路的功能特性，通過這一設計形式筆者保證了該設計較好的滿足了設計需求。值得注意的是，這一設計中8路開入量模塊化是這一設計的核心，而這一設計方式也使得CPLD程序的設計更容易完成調試與仿真。對于CPLD與STM32程序來說，我們還需要完成二者的通信口設計才能夠較好滿足110kV高壓隔離開關智能控制器的軟件需求，在這一設計中設計了div_par值為0x145，波特率為9600，并將其劃分為8個時隙以使通信同步。（3）各數據采集模塊軟件程序設計。在溫度采集和顯示環節的軟件程序設計中，我們需要分別為其ROM設計溫度值低位、溫度值高位、高溫限值、低溫限值、配置寄存器、保留位、CRC校驗值等內容的字節地址設置，這樣才能較好保證這一程序設計滿足隔離開關智能控制器的需求；而在濕度采集及通信程序的設計中，由于本文采用的AM2301數字溫濕度傳感器已經完成了校準，所以準備了計算濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位的和，以此求得完整濕度的設計，這一設計能夠在獲取具體濕度信息后將信息傳送到顯示模塊，這樣就較好滿足了本文研究的需求；而在隔離開關轉角實時監控的編程中，筆者將其內部帶寬設置為1kHz，并賦予了其12位的分辨率，跟蹤速率則為375rps，最高讀取速度則設為144kbit/s；而在電機過流保護的軟件程序設計中，確定合適的反時限參數是這一設計的關鍵點所在，為了較好完成這一環節的設計，筆者在這一電機的電路中加入了5I的空氣開關，而當這一控制器沒有檢測到過電流時，意味著電機堵轉的發生，這時空氣開關將在程序的控制下自動跳閘，這就將較好地實現了電機的保護。

4 調試

在基于本文研究的110kV高壓隔離開關智能控制器硬件與軟件設計中，還對這一設計進行了調試，在調試中完成了通訊格式設置、報文格式設置、有效數據長度設置等方面的調試，并將能夠工作的保護臺加入了配置表中。由于本文研究的開關由3個單級組成，所以還對其進行了不帶負載角度調試、帶負載調試、三極聯動調整、隔離開關電氣回路調試、溫濕度傳感器的測試，結合這一系列調試，就能夠保證本文研究的110kV高壓隔離開關智能控制器設計具備較高的實用性。

5 結語

在本文就110kV高壓隔離開關智能控制器的設計與開發展開的研究中，詳細論述了這一110kV高壓隔離開關智能控制器的總體設計方案、硬件設計、軟件設計、調試等內容，而結合這一系列內容我們能夠發現，本文的研究較好實現了這一智能控制器的運行控制、狀態采集、故障檢測、信息通信等功能。

[1]李中政. 110kV高壓隔離開關智能控制器的設計與開發[D].西安工程大學，2011.

[2]黃磊. 智能變電站智能開關設備控制器的研究與實現[D]. 南京理工大學，2013.

[3]董青青，李快社. 110kV高壓隔離開關智能控制器研究[J]. 自動化與儀器儀表，2016,09:67～68+71.

TM564.1

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1671-0711（2017）04（上）-0175-02