葛銀紅1 方嚴(yán)2 張曉忠2
（1蘇州市市政工程設(shè)計(jì)院，蘇州 ； 2上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）
摘 要：電力系統(tǒng)中高壓開關(guān)柜的一次開關(guān)設(shè)備工作狀態(tài)、溫濕度控制、高壓帶電指示等功能一般是由信號(hào)燈和獨(dú)立的電氣元件實(shí)現(xiàn)的，這勢必會(huì)帶來集成度低、配線復(fù)雜、可靠性差的缺點(diǎn)。本文介紹了一種開關(guān)柜智能測控裝置，適用于3～35kV戶內(nèi)高壓開關(guān)柜，用于一次開關(guān)設(shè)備狀態(tài)模擬顯示、高壓帶電指示、防凝露溫濕度控制、電參數(shù)測量等，大大提高了開關(guān)柜操控和測顯的集成度和智能化程度。
關(guān)鍵詞：MC9S08AW32；開關(guān)柜；一次系統(tǒng)圖；智能測控裝置
Design and application of the Intelligent Monitoring and Control Device for Switchboard based on the Chip of MC9S08AW32
Fang yan1, Zhang Xiao-zhong1
(1,Shanghai Acrel Co. , Ltd. , Shanghai 201801, China;)
Abstract: According to the survey, working state of the switching device, control of temperature and humidity and high-voltage live instruction are usually achieved by some signal lamps and several independent electronic devices in a high-voltage switchboard of power system, which will inevitably bring about the shortcomings of low integration, complex wiring, and lower reliability. An intelligent monitoring and control device for switchboard named ASD is introduced in this paper, which is used in 3 ~ 35kV indoor high voltage switchboard. The device is used for the indicate of switching device status, high-voltage live instructions, anti-condensing temperature and humidity control, electrical parameter measurement and so on, which is highly increased the integration and intelligence of manipulation and measurement of the switchboard.
Key words: MC9S08AW32; switchboard ; primary system diagram; intelligent monitoring and control device
0 引言
開關(guān)柜一般有斷路器（負(fù)荷開關(guān)）、隔離刀閘、接地刀閘等一次開關(guān)設(shè)備。在運(yùn)行或調(diào)試中，監(jiān)測這些一次開關(guān)設(shè)備狀態(tài)是至關(guān)重要的。在傳統(tǒng)的開關(guān)柜上，一般使用信號(hào)燈來指示這些狀態(tài)的，這樣做顯示不直觀，且接線不方便。開關(guān)柜智能測控裝置將一次設(shè)備狀態(tài)顯示與開關(guān)柜的一次方案圖相結(jié)合，LED顯示器件置于一次方案圖中設(shè)備符號(hào)所處位置，電路狀態(tài)一目了然，生動(dòng)直觀，如圖1所示。
圖1 ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置產(chǎn)品示意圖
同時(shí)集成的高壓帶電顯示、自動(dòng)溫濕度控制、電參數(shù)測量功能使開關(guān)柜盤面簡潔大方，降低二次接線工作量。
1 硬件設(shè)計(jì)方法
1.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)
中央處理器采用Freescale公司的第一款基于高度節(jié)能型S08核的器件MC9S08AW32高性能單片機(jī)，該單片機(jī)片上資源豐富，支持BDM片上調(diào)試功能，片內(nèi)集成看門狗電路，抗干擾能力突出，具有業(yè)內(nèi)最佳的EMC性能。CPU總線頻率最高可達(dá)20MHz，最高運(yùn)行速率可達(dá)40MHz。豐富的片上資源：32KB在線可編程FLASH存儲(chǔ)器，內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，帶有2個(gè)可編程定時(shí)器，豐富的I/O口：雙SCI口，SPI、I2C等接口，極大的方便了硬件的擴(kuò)展。
電能計(jì)量芯片采用美國ADI公司的高精確度三相電能測量芯片ADE7758。該芯片的測量精度高，功能強(qiáng)大。該IC內(nèi)嵌高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和固定模式的數(shù)字處理信號(hào)處理器( DSP)，具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波、實(shí)用電能監(jiān)測、計(jì)量功能。芯片帶有一個(gè)SPI串行口、有功電能脈沖輸出、無功電能脈沖輸出，可用于各種三相系統(tǒng)中有功功率、無功功率、電能、電壓電流有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差所必須的信號(hào)處理電路。
ADE7758為各相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，包括有效值偏移校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)。
1.2 設(shè)計(jì)框圖
裝置硬件電路設(shè)計(jì)框圖如下，整個(gè)系統(tǒng)以MC9S08AW32為核心，按功能可劃分為中央處理單元、電源模塊、電壓電流采樣及運(yùn)算、開關(guān)量控制模塊、溫濕度采集模塊、人機(jī)交互模塊、通訊模塊等。
圖2 硬件電路設(shè)計(jì)框圖
1.3 部分電路
1.3.1 中央處理單元
中央處理單元電路圖如圖3所示，CPU對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，根據(jù)測量得到的電流、電壓、溫濕度值與預(yù)先設(shè)定的各種保護(hù)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，由此來判斷開關(guān)柜的電壓電流是否正常、溫濕度狀況是否正常，若不正常則輸出相應(yīng)的告警信息。外部擴(kuò)展了鐵電存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)一些重要的參數(shù)，即使以后升級(jí)程序也不會(huì)丟失先前的重要數(shù)據(jù)。
圖3 中央處理單元電路圖
1.3.2 開關(guān)量控制模塊
開關(guān)量控制模塊包括開關(guān)量輸入和告警輸出，其電路圖如圖4所示。開關(guān)量輸入經(jīng)光電耦合接入CPU；告警由GPIO口經(jīng)光電耦合器連接到繼電器輸出。開關(guān)量輸入設(shè)有8路，依次對(duì)應(yīng)一次圖中的斷路器合、斷路器分、手車工作位置、手車試驗(yàn)位置、接地刀位置以及彈簧儲(chǔ)能指示，其余預(yù)留。開關(guān)量輸入對(duì)應(yīng)一次圖可編程設(shè)置。開關(guān)量輸出設(shè)有6路，依次輸出加熱器1、加熱器2、風(fēng)扇、告警、照明、閉鎖的狀態(tài)。
圖4 開關(guān)量控制模塊電路圖
1.3.3 人機(jī)交互單元
本裝置高端產(chǎn)品的人機(jī)交互界面采用LCD液晶顯示模塊。LCD采用128*128點(diǎn)陣顯示，初始界面為電參量顯示界面，通過按鍵輸入進(jìn)入菜單設(shè)置界面，菜單選項(xiàng)均采用中文顯示界面，使得操作直觀易懂。通過菜單選項(xiàng)可以設(shè)置諸如接線方式、電壓變比、電流變比、告警定值、通信地址波特率等參數(shù)。低端產(chǎn)品則采用雙排四位LED數(shù)碼管顯示來溫濕度信息及各種可編程信息。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置各種告警定值參數(shù)、通信地址波特率等。
1.4 評(píng)述
本裝置采用的電源模塊為開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC90～285V或DC100～300V，輸入頻率45～60Hz，輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波＜1％，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
溫濕度傳感器采用SHT10，該系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。CPU與SHT10采用串行接口，在傳感器信號(hào)的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理。
高壓帶電顯示模塊由高壓帶電傳感器輸入電信號(hào)，由此判斷此高壓柜是否帶電。由于母線電壓較高，所以高壓帶電顯示電路采用了各種過壓保護(hù)、隔離保護(hù)器件來確保裝置內(nèi)部電路的正常工作。
此外，本裝置還集成有操控功能、人體感應(yīng)功能、語音防誤提示功能等。
2 軟件設(shè)計(jì)流程
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、通訊模塊2個(gè)部分。
主程序完成上電或復(fù)位初始化，電能芯片初始化，其他外設(shè)初始化，溫濕度測量，讀取電參數(shù)，電量計(jì)算，狀態(tài)顯示及報(bào)警處理，LCD顯示刷新及按鍵處理等功能，程序設(shè)計(jì)流程如圖5。
CPU初始化主要指對(duì)CPU的特殊狀態(tài)寄存器SFR進(jìn)行配置，設(shè)置I/O口的輸入輸出狀態(tài)及初始狀態(tài)，讀取鐵電寄存器數(shù)據(jù)等；電能芯片初始化主要指對(duì)ADE7758功能寄存器的配置；主程序其余部分則是對(duì)各項(xiàng)功能的完成，只有合理安排程序流程來完成這些功能，裝置才能可靠工作。
通訊模塊以中斷方式實(shí)現(xiàn)，主要完成接收數(shù)據(jù)，協(xié)議處理等功能。通訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機(jī)的通訊，與其他網(wǎng)絡(luò)儀表組網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖
3 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)及性能
ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置的技術(shù)指標(biāo)見表1。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)采用優(yōu)異的電磁干擾PCB設(shè)計(jì)技術(shù)，生產(chǎn)時(shí)經(jīng)過整機(jī)帶電老化與出廠檢驗(yàn)測試，確保了產(chǎn)品的長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。
表1 ASD裝置技術(shù)指標(biāo)
技術(shù)參數(shù)指標(biāo)輸入網(wǎng)絡(luò)三相三線、三線四線頻率45～60 Hz電壓/電流額定值：AC 100V/5A過負(fù)荷：1.2倍額定值（持續(xù)）；2倍額定值持續(xù)1秒功耗：電壓回路小于 0.5VA；電流回路小于1VA輸出電能輸出方式：集電極開路的光耦脈沖脈沖常數(shù)：32000imp/kWh通訊RS485接口，MODBUS-RTU協(xié)議精度電參量頻率0.05Hz、無功電能1級(jí)，其余0.5級(jí)溫濕度溫度：±1℃；濕度：±4%開關(guān)量輸入8路干接點(diǎn)輸入，內(nèi)置+12V電源開關(guān)量輸出輸出方式：6路繼電器輸出觸點(diǎn)容量：AC250V/5A電源AC90-285V，DC100-300，功耗≤8VA安全性工頻耐壓：AC2kV/1min；絕緣電阻：＞100MΩ電磁兼容性靜電測試：3級(jí)；脈沖群測試：4級(jí)；浪涌測試：4級(jí)環(huán)境工作溫度：-10～55℃；存儲(chǔ)溫度-20～70℃；相對(duì)濕度：5%～95%不結(jié)露；海拔高度：小于2500米
4 應(yīng)用案例
圖5 典型應(yīng)用接線圖
在某水泥廠高壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)中，全部采用了ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置。應(yīng)用方案見圖5。圖中信號(hào)指示回路通過開關(guān)量輸入采集來實(shí)現(xiàn)一次原理圖指示；帶電顯示回路通過高壓傳感器輸入來指示母線是否帶電；溫濕度控制回路通過溫濕度傳感器輸入來實(shí)現(xiàn)溫濕度控制。并帶有Modbus通訊輸出, 供用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。一改以往每個(gè)開關(guān)柜需配備不同廠家的多種產(chǎn)品，既減少了工程量節(jié)約了成本，又提高了系統(tǒng)的可靠性。投入試用的開關(guān)柜智能測控裝置以其良好的穩(wěn)定性和可靠性能保證了對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的一次設(shè)備的保護(hù)，并且保證了對(duì)于電壓、電流、功率等參數(shù)的準(zhǔn)確測量和對(duì)電能的準(zhǔn)確計(jì)量，同時(shí)方便了用戶對(duì)開關(guān)柜的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
5 結(jié)語
開關(guān)柜智能測控裝置針對(duì)電力開關(guān)柜的控制要求設(shè)計(jì)，適用于中置柜、手車柜、固定柜、環(huán)網(wǎng)柜等多種開關(guān)柜。該產(chǎn)品已經(jīng)系列化，集操作、顯示于一體，滿足多種客戶的需求，具有功能齊全、運(yùn)行可靠、抗干擾性能優(yōu)越等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。
