基于STM32的高壓開關(guān)柜帶電告警及閉鎖系統(tǒng)

張 震，陳冠彪，樊 榮，辛永生，張 瑩

（國網(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。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)柜較為簡單經(jīng)濟，主要型號有XGN2-10、XGN-40.5等。無論哪種形式的開關(guān)柜，運維檢修人員無法直接觀察停電設(shè)備狀態(tài)，給運維檢修工作帶來一定的風險。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。閉鎖主要采用微機五防鎖和電磁鎖實現(xiàn)。氖燈容易損壞，為延長氖燈壽命需要設(shè)置直鍵開關(guān)，但存在不能全過程帶電監(jiān)測的弊端，同時氖燈對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)人員強行打開時，無法對柜門鎖進行有效監(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)場測試，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

高壓開關(guān)柜帶電告警及閉鎖裝置 （下文稱監(jiān)控從機）由ARM微控制器STM32F103、高壓傳感器、電壓信號采集電路、LED顯示單元接口電路、柜門鎖偵測及控制電路、語音提示電路、報警電路、電源電路、數(shù)據(jù)存儲等電路組成［1］。監(jiān)控主機選用帶wince系統(tǒng)的工控機，可以實現(xiàn)對若干臺監(jiān)控從機的管理，主從機之間采用433M通信，從機通過撥碼開關(guān)確定通信地址。主機與云服務(wù)器通過GPRS通信，實現(xiàn)信息遠傳。本文主要針對監(jiān)控從機和主機，對系統(tǒng)軟硬件進行設(shè)計分析。

STM32F103作為系統(tǒng)的核心，協(xié)調(diào)具體的信息采集、處理、存儲、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)電壓信號處理回路輸入微控制器STM32F103。微控制器判斷帶電則驅(qū)動LED顯示模塊顯示帶電信息、給柜門鎖輸出閉鎖信號，此時人員進入檢測區(qū)域，則驅(qū)動語音模塊發(fā)出語音提醒信息。若微控制器判斷無電，此時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，開啟柜門鎖。當處理器判斷高壓帶電而此時偵測到柜門鎖在開鎖狀態(tài)時，微處理器通過控制聲光報警器發(fā)出報警。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.2 高壓傳感器檢測原理

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、強度高、局部放電量小等特點，在35 kV及以下電壓等級中應(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算。 當 Z＜＜1／（ωC3）時，傳感器可近似認為交流恒流源

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

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

2.1 電源電路

對于監(jiān)控從機，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。其中保險絲采用SMD1812P200TF，起過電壓保護作用，TVS具有吸收瞬時大脈沖功率的作用，并把電位鉗制在預(yù)定水平。在各等級電源輸出端并聯(lián)一個較大的電解電容，起低頻濾波的作用，同時在每個芯片的電源引腳上并聯(lián)一個0.1 uF的電容，作為去耦電容，濾除高頻信號。

2.2 微控制器

STM32是易法半導體一款面向工業(yè)控制的低功耗內(nèi)核為Cortex M3內(nèi)核的ARM芯片，由于其較高的性價比、功能完善等多方面優(yōu)勢得到廣泛的應(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256 KB的閃存存儲器和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 電壓信號采集電路

通過高壓傳感器檢測原理可知，其輸出的電流較小，額定電壓下達不到1 mA，難以驅(qū)動光耦［5］。本文設(shè)計一種電壓信號采集電路，高壓線路A相通道如圖4所示。電壓信號首先通過整流芯片U1，轉(zhuǎn)換成直流信號，然后經(jīng)過限流電阻R2驅(qū)動三極管Q1導通。此時，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，點亮發(fā)光二極管D1，同時經(jīng)光耦U2隔離后輸出信號至微控制器。三極管Q1采用8050，電流可放大100倍，在10%額定電壓下足以導通光耦。信號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)字地完全獨立，消除公共阻抗耦合，文中隔離電源模塊型號為B0505S-1WR2，具備1 500 V電壓隔離，抗干擾能力強，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的作用，使各模塊間相對獨立，防止干擾通過地線或電源線竄入單片機系統(tǒng)。

當高壓線路A相帶電時，光耦U2導通，IN_1A端口上電壓變?yōu)?.3 V，當高壓線路A相不帶電時，光耦U2不能導通，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 電壓信號采集電路

2.4 柜門鎖控制與偵測電路

高壓開關(guān)柜正常運行情況下，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公司型號為DJS02的智能電機鎖。該鎖具有自動檢鎖狀態(tài)功能、開關(guān)靈敏度高，安全可靠的優(yōu)點，鎖舌長度大于20 mm，符合GA/T 73—1994標準。當誤開鎖或開鎖后未打開柜門，在智能電機鎖感應(yīng)磁鐵和磁感應(yīng)開關(guān)作用下，5~8 s內(nèi)自動上鎖，同時具備電源反接保護、電機短路保護、霍爾元件故障后報警功能。柜門鎖電源（12 V、GND）接通后即可感應(yīng)上鎖，另外通過監(jiān)控從機給鎖控制端L＋、L－通12 V電壓可實現(xiàn)開鎖。該鎖還帶有信號反饋功能，柜門關(guān)閉上鎖后，鎖無源接點COM、NO閉合，柜門打開后該接點打開。該柜門鎖有手動緊急解鎖功能，在掉電情況下能手動上鎖或者解鎖。

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現(xiàn)開鎖，通過鎖無源接點開閉情況檢測鎖狀態(tài)。柜門鎖控制電路如圖5所示，偵測電路如圖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)動元件，將繼電器的輸出接點串入DJS02型電機鎖的開鎖回路中，并將電機鎖的L+端子接12 V電源。 當STM32的PA6（LOCK1_OUT）輸出高電平時，三極管Q2導通，繼電器K1勵磁，常開觸點3、4閉合，L1與NO1閉合，電機鎖開鎖回路接通解鎖；當PA6輸出低電平時，開鎖回路不能導通。圖5中，三極管由導通變?yōu)榻刂箷r繼電器線圈產(chǎn)生的較大的反向感應(yīng)電動勢，續(xù)流二極管D7為其提供放電通道，防止損壞三極管。

偵測電路中采用5V電壓，為了匹配STM32電平，采用電阻分壓得到3.3 V。電機鎖接口NO、COM分別接L1_NC和地，上鎖后，接點閉合，L1_NC接地，電路端口LOCK1_IN輸出低電平至STM32。開鎖后，接點打開，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)偵測電路

2.5 433 M通信電路

圖7 433M通信電路

監(jiān)控從機與監(jiān)控主機采用433 M無線通信，該無線通信方式安全可靠、穿透能力強，室內(nèi)通信傳輸距離可達100 m［6］。從機433 M通信電路圖如圖7所示，監(jiān)控從機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)控主機上也配置HC12模塊，實現(xiàn)與各從機的信息交互。主從機的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)，當需要發(fā)射數(shù)據(jù)時，會使用自身已設(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。

主從機之間采用一主多從的通信方法。主機發(fā)送串口數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)前加一個從機編號的字。從機收到串口數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)第一個字節(jié)是不是自己的編號，是則相應(yīng)并回復(fù)主機，不是則不動作。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包含從機和主機兩部分。從機監(jiān)控高壓帶電信息、監(jiān)控電控鎖開關(guān)狀態(tài)、完成靠近檢測及聲光報警等功能，與主機進行433 M無線通信，上報從機狀態(tài)及告警信息。主機接收來自從機的信息，實時顯示并記錄所有從機狀態(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 從機軟件設(shè)計

從機系統(tǒng)軟件在IAR平臺上開發(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)控從機的主程序流程如圖8所示。

圖8 從機軟件流程

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

3.2 主機軟件設(shè)計

主機采用深圳揚創(chuàng)公司的YC-ES70T-W WINCE工業(yè)平板電腦，該主機是以TI工業(yè)級 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。其中主機的RS232標準串行通信接口通過芯片MAX3232轉(zhuǎn)換信號電平，再經(jīng)過HC12模塊實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)到無線數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸，進而實現(xiàn)與各從機的433M無線通信。

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

圖10 監(jiān)控主機程序參數(shù)設(shè)置

圖11 監(jiān)控主機程序告警查詢界面

3.3 通信程序設(shè)計

主機輪流發(fā)送詢問數(shù)據(jù)包至各從機，數(shù)據(jù)包內(nèi)包含從機地址。各從機處于接收狀態(tài)，主機發(fā)送完數(shù)據(jù)后，立即轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，各從機同時接收到主機發(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，同樣包含從機地址。主機收到應(yīng)答后，根據(jù)地址信息知道這是那個從機發(fā)來的數(shù)據(jù)，完成與該從機的信息交互后，再詢問其他地址的從機，從機則一一應(yīng)答。若主機超時未收到從機的反饋信息，則判斷該從機離線［7］。

當監(jiān)控從機STM32監(jiān)測到有高壓帶電事件、柜門鎖打開和關(guān)閉事件、柜門鎖開鎖請求事件、人體靠近告警事件等各類告警信息時，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)控主機的HC11模塊收到無線消息，還原成串口數(shù)據(jù)傳送給主機系統(tǒng)，并在主機的軟件上顯示。監(jiān)控從機的通信流程如圖12所示。

圖12 監(jiān)控從機通信流程

4 系統(tǒng)測試

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

4.1 感知帶電功能校驗

對監(jiān)控從機的各通道分別試驗，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。當高壓傳感器一次側(cè)不加電壓時，監(jiān)控上帶電指示LED不亮，MCU檢測不到帶電信號，電壓加至500 V時帶電指示LED燈亮，MCU檢測到帶電信號，從機完全能夠滿足國家標準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)動功能校驗

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

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)控主機測試

監(jiān)控主機主界面能顯示全部從機狀態(tài)、智能鎖狀態(tài)等，并能實時顯示前述試驗的告警信息，從機與主機傳輸時間小于1 s；主機的歷史告警選項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)實現(xiàn)監(jiān)控主機對高壓開關(guān)柜柜門鎖的在線監(jiān)控。經(jīng)過現(xiàn)場測試，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，具有實用價值。下一步著重研究云服務(wù)以及手機APP的關(guān)聯(lián)應(yīng)用，進一步提高該系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

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