基于單片機的10kV高壓開關柜智能操控系統設計

摘 要：針對現有的操控系統響應時間長、CPU使用程度高的問題，提出基于單片機的10kV高壓開關柜智能操控系統設計。在智能操控系統硬件設計方面，以TE215G為核心，基于不同類型的傳感器采集的數據實現控制；在智能操控系統軟件設計方面，利用CNN卷積網絡算法對高壓開關柜信號時頻譜圖進行識別，獲得不同位置的溫升數據特征，然后添加傳感器獲取溫度信息，建立溫升狀態預測模型，運用蝙蝠優化算法尋找GRNN的X因子最優解，判斷溫度與閾值的大小，進而實現10kV高壓開關柜智能操控。測試結果表明，經過20次測試系統的響應時間均在5s以內，CPU使用率均在42%以內，符合預期目標，設計系統的應用效果良好。

關鍵詞：單片機；高壓開關柜；操控系統

中圖分類號：TM 591" " " 文獻標志碼：A

通過添加開關柜設備，對電力系統的各種參數進行實時采集和監測[1]，不僅能夠提高工作效率，還能夠對系統的運行狀態進行分析，在系統運行異常的情況下能夠及時處理，在一定程度上避免事故發生。智能操控系統可以將電力系統的運行數據進行集中管理，有助于提高運行效率。通過動態指示反映設備狀態，為操作人員提供保障。同時，使用智能操控系統可以減少資源投入，在一定程度能夠降低運營成本，使系統的可靠性得到提升。由于傳統的智能開關柜的制造成本高，需要集成更多的電子設備和傳感器，增加了操控過程中安裝調試難度[2]。智能開關柜的電子元件較多，出現故障的概率不斷增加，電源的質量和穩定性問題得不到控制。同時，在與外部網絡進行連接過程中，存在攻擊和信息泄露的風險，因此這些缺陷會導致結果難以符合預期[3]。基于上述背景，本次研究以控制器件溫升作為判斷條件，優化10kV高壓開關柜智能操控，設計基于單片機的10kV高壓開關柜智能操控系統，并結合實際情況進行試驗分析，驗證方法性能。

1 智能操控系統硬件設計

本次設計的基于單片機控制的高壓開關柜智能操控系統以TE215G為核心，具體如下。

1.1 單片機設計

TE215G單片機的標準功能完全符合設計要求，具有3k字節的Flash閃存，可存儲數據，128字節內存RAM。通信接口為全雙工結構，系統內部具有振蕩器，I/O口負責數據和控制信號傳輸。當單片機的吸流較小時，I/O口要上拉電阻[4]。具體的硬件系統設計圖如圖1所示。

本次選取的單片機具有2個數據指針，2個計數器T0、T1。T0作為時鐘信號控制智能芯片的CP口，T1與通信芯片的RT/CP連接，能夠在信號檢測過程中進行計數。INT0為中斷單片機，通過鍵盤來中斷信號輸入。在主控系統中，不同端口的連接功能均不相同。P0口能夠進行A/D數據轉換，是總線路的復用口。P1口為控制信號引腳的連接口，通常為雙向的I/O口。P2口為各芯片的RD腳，RST為復位電路。同時，設計中的液晶顯示電路為并行接口，VO口能夠對顯示的對比度進行調節，其電壓的調節范圍在0V～2.5V。當單片機將指令下達后，會驅動模塊進行內部中斷，并對指令操作進行執行，將操作結果反饋給單片機，從而能夠解析并執行接下來的操作。由于支持1A的判斷模式，因此即使在待機狀態下，接收器也能保持運行狀態，這樣能夠降低電路板的能耗，提升電源的使用壽命。基于ARM架構開發通信模塊，支持全網通的網絡定制，硬件接口豐富。采用引腳的雙排接口直接與上位機相連。開發板為TRR454，可提供與單片機主控芯片相兼容的通信接口。

1.2 模擬信號輸入處理電路設計

利用傳感器完成模擬信號采集后，會將其傳輸給單片機，以便于后續控制。為了實現該過程，本次設計模擬信號輸入處理模塊。由于本次選用的TE215G單片機芯片具有3路A/D輸入通道，共用一個10位的ADC模塊。完成一次10位數據的轉換的最短時間為19.2μs，2次轉換間至少間隔3.2μs。TE215G可提供16種A/D輸入通道組合，可通過控制字ADCON1設置0～8個引腳作為模擬信號輸入通道。此外，TE215G還支持外接參考電壓以提高A/D轉換的分辨率。本次通過采用二階濾波電路和交-直流變換的方法對輸入的模擬信號進行處理，從而濾除高頻干擾信號，并將正弦波信號轉換為與其幅值成正比的直流信號，以便于利用ADC模塊進行采樣。在本次研究中，每隔1.25ms對各輸入通道進行一次采樣，一個工頻周期對一個輸入通道采樣16點，然后進行數據處理，以便于后續開關柜控制，其電路設計如圖2所示。

1.3 開關狀態反饋電路設計

開關狀態反饋電路也是硬件系統中發揮重要功能的一個模塊，本文對其進行了設計。在本控制系統發出開合閘命令后，可能出現由高壓開關動作失靈等原因造成操作失敗的情況。如果開關不能及時恢復到理想狀態，可能會發生事故。因此，本文利用三相觸頭的常開觸點作為反饋信號，并通過適當的邏輯電路將開關狀態反饋給單片機，從而能夠根據此信號判斷開關狀態是否符合操作目的，以便及時進行處理。具體的實現方法如下：當觸頭合上時，其常開觸點輸出邏輯信號1；當觸頭斷開時，其常開觸點輸出邏輯信號0。將三相觸頭的常開觸點輸出信號輸入如圖3所示的邏輯電路。

當三相觸頭都合上時，邏輯與電路輸出信號CLOSE STATE為高電平，其他情況下CLOSE STATE為低電平；當三相觸頭都斷開時，邏輯或電路輸出信號OPEN STATE為低電平，其他情況下OPENSTATE為高電平。開閘操作結束后，如果OPEN STATE為低電平，則說明三相觸頭均已成功斷開，否則需要再次進行開閘操作。合閘操作結束后，如果CLOSE STATE為高電平，則說明三相觸頭均已成功閉合，否則需要再次進行合閘操作。

2 智能操控系統軟件設計

2.1 高壓開關柜控制回路溫升數據特征提取

利用CNN卷積網絡算法對10kV高壓開關柜采集的控制回路信號時頻譜圖進行溫升數據特征提取，即從輸入量中提取不同的關聯特征，利用卷積核對整個圖像進行掃描，獲得不同位置的溫升特征量[5]。設置A個卷積核，對不同卷積核進行計算，得到尺寸為w×h×k的特征圖譜。在池化層中篩選特征圖譜中的特征，提取出最具代表性的特征量。這樣能夠有效剔除冗余，降低特征矩陣維度。將多個卷積層和池化層交替組合，加入激勵函數增加網絡特征。選擇線性整流函數，防止模型梯度消失，其函數的表達式如公式（1）所示。

（1）

式中：x為步長。

設置2層隱藏層，并將池化結構輸入全連接層中。為了能夠精準識別開關柜局部特征量，在輸出層中運用softmax函數進行分類。設定模型的訓練集為S={（x1，y1），（x2，y2），…，（xm，ym）}，類別數量為k。在每個神經元softmax函數輸出過程中，設定輸出樣本為x，則溫升數據特征提取如公式（2）所示。

（2）

式中：θT為卷積神經網絡參數。

分類輸出的k=5維向量，表示識別中的不同放電類型的概率。在學習過程中，通過清除一部分神經元參數來防止對部分特征產生的過擬合問題[6]。設置學習率為0.001，在卷積池化前加入批標準化，從而減少梯度消失問題，使算法收斂速度得到提升。使用adam優化函數，判斷樣本歸屬的類別，對其器件放電過程進行操控。使用交叉熵作為誤差函數，其計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：x為樣本的預測類別概率；yi為類別標簽。

通過對訓練完的模型進行改良，經過多次迭代后獲得最終的特征量結果，得到最終需要采集的數據。

2.2 高壓開關柜控制回路溫升操控設計

在完成高壓開關柜控制回路溫升數據特征提取后，通過單片機實現高壓開關柜控制回路溫升操控。本次添加紅外、溫度濕度等傳感器，能夠直觀獲取溫度信息。利用傳感器完成溫度數據采集后，使用GRNN模型對樣本數據進行處理，以建立溫升狀態預測模型。在這個過程中，唯一需要設置的變量是X因子，其作用是最大限度地減少外界因素對預測結果的干擾。輸入層的神經元數量與樣本向量的維度p相對應，輸入樣本將直接傳遞到模式層。然后運用蝙蝠優化算法來尋找GRNN的X因子最優解[7]。在種群中，蝙蝠利用回聲定位進行移動和搜索，從而在D維空間中計算出最優解。在搜索過程中，蝙蝠會不斷發射恒定頻率的脈沖進行回聲定位，并根據與目標的距離自動調整脈沖頻率，從而完成位置更新。設定種群中有c個蝙蝠，將屬性初始化，設置最大迭代次數，則在t時刻脈沖頻率的計算如公式（4）所示。

（4）

式中：fmax、fmin為頻率最值；α為隨機參數。

計算在t+1時刻的蝙蝠所處位置，獲得所有蝙蝠中的全局最優解，并使用適應度函數對其進行評價。經過全局搜索后，生成一個rand，當rand與計算值不同時，需要圍繞當前蝙蝠中的最優位置進行隨機漫步。更新位置后，將全局與局部尋優結合起來。當訓練結果滿足適應度函數的要求或達到設置的最大迭代次數時，停止迭代并輸出當前最優的參數值。將得到的平滑因子作為溫升操控閾值。當實際值大于平滑因子時，說明溫度較高，需要利用高壓開關柜對其進行降溫操控；當實際值小于平滑因子時，說明溫度較低，不對其進行處理。基于此，完成基于單片機的10kV高壓開關柜智能操控系統設計。

3 測試與分析

3.1 測試準備

高壓開關柜智能操控系統將所有電力信息等數據信息傳遞到變電站后臺中，對數據信息進行采集整理。將新型智能操控裝置放置在10kV出線結構上，高壓開關柜智能操作系統配置如下：操作系統為Ubuntu 15.3，程序語言采用Python 4.0，配備Intel i7處理器和RTX1204顯卡，內存容量為8GB，硬盤容量達1TB。為了保證系統能夠正常運行，通過湯姆貓支撐對神經網絡模型進行搭建，并運用cuda對圖形進行處理，將其與GPU并行運算。同時，運用via對視頻幀中的開關柜圖像與元件進行標注。使用supervisor對開關柜的開啟狀態進行監控。從高壓室監控攝像頭抓取開關柜原始圖像，判斷操控過程中監視部分的高壓電路是否帶電，當線路有電時，會在顯示器屏上顯示“高溫”，同時下方的帶電指示燈呈現亮燈狀態；當線路沒電時，會保持熄滅狀態。對系統的穩定性進行測試，以預期系統的響應時間為5s以內、CPU使用率為42%以內為目標。

3.2 測試結果分析

分析系統的穩定性能，經過20次試驗，系統的響應時間結果具體如圖4所示。

由圖4數據可知，系統的響應時間均保持在5s以內，說明本文設計系統具有較好的反映速度，通過系統響應時間測試能夠確定操控系統的應用性能，并能在短時內查看到操控結果，順利完成關于開關柜的控制流程，取得了良好的應用效果。同時，使用本文設計系統進行操控后，其系統中CPU使用程度見表1。

由表1數據可知，在20次測試中，系統的CPU使用率均較低，小于預期目標的42%，說明本文設計的系統具有較強的穩定性，滿足設計需求。綜上所述，本文設計的智能操控系統具有接地開關狀態指示燈帶電顯示的綜合性優勢，能夠通過動態指示過程準確反映實際運行狀態，獲得相關數據信息，還可以通過傳感器設備實現控制回路溫度采集，基于單片機可以實現控制回路的合理控溫。

4 結語

本文從單片機入手，結合智能操控方法，探究了基于單片機的10kV高壓開關柜智能操控系統設計。明確系統需要實現的功能，選擇一個適合的單片機作為主控制器。在單片機上編寫控制程序，實現遠程監控與診斷等多種功能。但本文方法中還存在一些不足之處，例如控制程序的實時性問題、系統狀態監測問題和操作設備優化問題等。在完成硬件電路和軟件控制程序后，根據測試和調試結果，使操控步驟在實時性問題上有了突破，對系統進行優化和完善，滿足算法對系統維護的需求。通過不斷優化算法，在設計和實現過程中，使基于單片機的10kV高壓開關柜能夠高安全性運行。

參考文獻

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