基于ARM微处理器的电力开关柜智能操控装置设计.pdf

铷I 匐 似 基于A R M微处理器的电力开关柜智能操控装置设计 Desi gn o f i n t el l i gent oper a t i on and cont r ol devi ce b ased on ARM m i cr ocont r ol l er f or s w i t chgear 钟旭 ，李飞燕 ZHONG Xu L l F e i y a n ( 广东技术师范学院 电子与信息学院，广州 5 1 0 6 6 5 ) 摘要；利用3 2 位A R M微处理器AT 9 1 S AM7 A3 及多功能电能计量专用芯片AD E 7 7 5 8 设计了一种电力开 关柜操控装置。该装置不仅能够准确采集电流、电压等参数 ，还能模拟显示一次接线图，指 示断路器、手车、接地开关的位置以及联锁的状态；对柜内温湿度可自行调节；具有语音防 误操作提示及远方 本地操作功能。手车进出操作采用了模糊PID 控制。应用结果显示了该方 案的有效性和实用性。 关键词：A R M微处理器A T 9 1 S AM7 A3 ；AD E 7 7 5 8 ；智能操控装置 ；开关柜；手车；模糊P I O 控制 中图分类号：T M7 6 2 ；T P 2 7 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 9 -0 1 9 4 ( 2 0 1 2 ) 0 7 ( 上) - o l 3 5 - 0 3 D o i ： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 7 ( 上 ) 4 1 0 引言 近年来 ，随着我国输配电行业向着数字化、智 能化、集成化、网络化方向的快速发展，对电力开 关设备的操作与控制 ，也提出了许多新的、更高的 要求。目前 ，市场上所用开关柜智能操控装置存在 以下缺点：1 )采用 8 位或 1 6位单片机设计 ，外围 器件多 ，可靠性及安全性较低。2 )多功能电力仪 表与操控装置各 自独立安装使用 ，造成 系统功能重 叠，接线 复杂，成本高。3 )手车 自动进出易出现 堵转现象 ，调节效果难以满足现场要求。 针 对 以上 问题 ，本 文 利 用 3 2位 AR M 微 控 制 器 A T 9 1 S AM7 A3及 三 相 电 能 专 用 计 量 芯 片 ADE 7 7 5 8设计 了一种智能操控装置 。在不额外增 加 成本的基础上 ，大大改善了系统性能，扩充 了 功能 ，有效弥补了以往 同类产品的不足。 1 对操控装置功能要求 开关柜是一种根据不同用途配 电接线方案 ， 将 一 、二次设 备组装在 柜 中的高压成 套配 电装置。 为满 足配 电要求，操控装置需要根据开关柜接线 方案 完成如下功能 ： 1 )能够动态模拟 出一次 系统 图； 2 )根据工作情况实时显示断路器 、手车及接 地 开关位置、联 锁状态 ； 3 )动态显示 电压 、电流 等 电力参数值 ； 4 )断路器手车进出控制准确平稳 ； 5 )能够进行断路器分合 闸、接地开关分合闸、紧 急分 闸、解锁操作及 柜内照 明； 6 )能够对柜 内温 湿度进行 自动调节 ； 7 ) 能够进行就地 远程操控开 关设备 。此外 ，装 置在操作上应 直观 明了，简单 方便 ，如采用液晶显示器和菜单提示等。 2 操控装置的设计 2 1 装置整体结构及工作原理 根据上述要求 ，设计 了结构如 图 1 所 示操控 系统 。 丽磊 露尔 电 流 传 藤 器 ARM 处理器 包流输 图 1 系统 结构框 图 为充分发挥硬件功能 ，节 约成本，又减少开 关柜 接线，本装置将多功能电力仪 表与操控装置 设 计为一体 。系统 主控芯 片采用 由 A T ME L公 司 开 发 的 内 嵌 AR M7 T DMI 的 3 2位 A R M 微 控 制 器 A T 9 1 S A M7 A3 。其 片 内 除 具 有 A R M7内核 的 ARM 7 T D MI 外 ， 还 集 成 了 2 5 6 K B F l a s h R OM、 3 2 K B S R AM，另有 6 2个 多功能复用的 I O端 口， 9个 1 6位 可 独 立 编 程 的定 时 计 数 器 通 道，多 个 中断源 ( 8个 中断优先级 ) ，3个增强型全双工 US AR T，2个支持 C A N2 0 B的 C A N控制器 ，2个 高速 S P I 串口，带 I 2 C和 US B 2 0接 口，片 内有振 荡器 和看 门狗 电路。由于片 内资源丰富且存储容 量大 ，因而不需要再扩展存储 器等外围电路 ，极 收稿日期：2 0 1 2 - 0 1 -1 2 作者简介：钟旭 ( 1 9 6 4 一)，男，副教授，研究方向为检测及智能控制、数控机床改造及故障诊断。 第3 4 卷第7 期2 0 1 2 7 ( 上 ) 1 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 lI5 化 大简化了硬件。 电力信号检测选用 A DI 公 司开发的 A DE 7 7 5 8 。 它是一款内嵌 DS P的三相 电能专用计量芯片 ，内 部集成 了 6路 2阶- A A D转换器 ，带有一个 S P I 串行通讯接 口，两路脉冲输出。采用数字校准 技术 ，可通 过 S P I 接 口完成对芯 片的设 置、电量 数据的传输及校准。内有温度传感器 ，单 5 V供电， 低功耗 ，适用于三相三线和三相四线电力系统中。 操控装置 的工作主要 由三部分组成 ，即模拟 量 、开关量数据采集 、开关设备控制和数据通信。 系统所 测参数 除电力参 数外，为 防止 由于柜 内高温或凝 露造成 安全事故 ，对柜内的温 湿度进 行了测量和调节 。可根据用户要求设 置温 湿度上 下限 ，系统实时采 集温湿度值 ，判断是否超限并 启动降温除湿操作。此外 ，还需要实时采集显示 开关、手车的状态。 应用模糊 P I D控制算法 ，通过 检测操 作过程 中电机 电流大小来判断手车进出的受力状况 ，并 适时调整 电机工况 ，使 自动操作 的全过程处于精 确控制之下 ，解决了传统控制模式下 只判断到位 信号 而无法具体控制操作过程的弊病，大大降低 了电动执行机构堵转风险。 本装置 与上位机 采用基 于 MO DB US R T U规 约的 R S 4 8 5串行方式进行通讯 ，对开关设 备实施 远程操控 。 根据现场环境状况及装置所完成 的功能 ，输 入输出通道均进行光电隔离，并增加 了滤波电路。 微处理器 、输入回路、输 出回路 、执行单元全部 采用单独 的、相互隔离的电源回路。这些措施有 效 防止 了由于干扰信号而引起 断路器误动作或拒 动作现象 ，提高 了系统整体抗干扰能力。 2 -2 主控模块设计 该模块 主要 完成开关柜 中手 车进 出车操 作、 断路器和接地 开关分合闸操 作、紧急分 闸、解 锁 操作以及柜内照明等。 A T 9 1 S A M7 A3在发出各种控制命令之前 ，巡 回检测开关柜状 态信 号，并判断各开关动作 发生 所需要的开关柜的相关状 态与条件 是否满足 ，如 果条 件全部 满足 ，C P U则下 发相关 的控 制命令 ； 若条件不满足 ，将 显示相应的提示 文字，并指示 操作者应做何种处理。 控制回路采用 DC 2 4 V工作电压 ，与外设执行 1 3 6 1 第3 4 卷第7 期2 0 1 2 7 ( 上) 单元相互 隔离 。被控对象的工作 电压 分为 2 2 0 V、 l l 0 V两种 ，完成对开关设备操作过程的控制。在 被控对象动作的过程 中，C P U实时检测动作部件 的状 态与动作结果 ，然后根据事先所设置 的动作 时间与执 行单元执 行过程 的时 间进行 比较 判断 ， 若超出装置设置 的执行过程时 间，则认 为外 围执 行过程失败，装置下发控制信号立即切 断执行单 元主 回路电源，终止动作过程 的执行 ，进行故障 排除。同时，外设执行单元在设计时增加 了一定 的保护措施 ，具有 自身、 自动保护功能 ，防止 由 于意外情况而导致执行单元的损坏。 根据断路器手车进 出的操作特性 ，选择模糊 控制策略。由于常规 二维模糊控制器是 以误差和 误 差变化为输入变量 ，只具 有比例和微分控制作 用，而缺少积分功能，故不能消除系统稳态误差。 为此 ，加入积分环节 ，控制原理如图 2所示。 ， 霍尔电流传感元件 图 2模 糊 P I D控 制 器 图 中，输入 量 为手 车 驱动 电机 电流 偏差 e 、 偏差 变化 e c ，输 出量 为电机运行时 问量 u 。其 中 e c ( k ) ：e ( k ) 一 e ( k - 1 ) ，这里 k表示电流采样时刻。将 实测 e 、e c以及 u分 别取整 量化 至 l ， + 6 区 间， 然后再经过离散化、模糊化处理 ，最 后依据 ( 1 ) 式计算得到 的量值乘 以量化因子便为电机 运行时 间控制量 。控制规则为 U= 一 E + ( 1 一 ) E C ( 1 ) 式中： U为输 出量； a( 0 ， 1 ) 为加权因子。 为 了避免积分环节过早加入而产生极限环振 荡现象 ，需选择好 积分加 入时机 。具体采用 以下 条件加 以判定： 当 I e i 0 或 e c= 0且 e 0时 ， 对误差进行积分 ，其中 6为系统稳态误差；当 e = O 或 e e c 0时，不对误差积分 。 2 3 电力参数采集模块 电力信号采样模块硬件连接如图 3所示。 电压、电流模拟量 的采 集分 别由三 只电压 互 感器 P T和三 只电流 互感 器 C T完成 ，即将 回路 中电压 、电流信号转换成 1 0 0 V、5 A 的二次信号， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l lI5 化 Di n Do u t S CLK 、J u u 。 。 I R Q 一 一CS 图3 电力信号采样硬件连接 图 再 经 变 送 器 和 信 号 滤 波 电 路 ，获 得 幅 值 不 超 过 5 0 0 mV的信号 ，之后送入 A DE 7 7 5 8中。片内 DS P 模块完成对 电流 、电压信号进行判断、处理 和计 算 ，得 出如表 1 所示 的各项参数 的数字量 ，并将 这些数值存储在相应的寄存器 中。 表1 ADE 7 7 5 8 所计量电力参数表 当 ADE 7 7 5 8转换计算结束 后，即向 AR M 处 理 器提 出 中断请求 ，要求其 读取 计算好 的数据。 AR M 处理器借助 S P I 读取相应缓冲区中数据 ，然 后根据互感器 、变送器变比换算出参量的实际值 。 2 4 温湿度测控模块 高温是导致设备绝缘老化 、性能下降重要 因 素，低温潮湿 又使设 备表面产 生凝 露而发生爬电 闪络事 故。因此，必须对开关设备运用环境进行 了温 湿 度 控 制 。具 体 作 法 是 ：当检 测柜 内温 度 和 湿 度超 出人工规定限值时，产生报警并分 别启动 排 风扇 或加热 器。直到温湿 度 回到规定范 围时 ， 停止排风或加热。 温 湿 度 感 测 元 件 选 用 数 字 复 合 型 传 感 器 DHT 2 1 ，其 内部 包括 一 个 电容 式 感 湿元 件 和一 个 NT C测温 元件 ，单 总 线 串行接 口，信号 传输 距 离 可 达 2 O米 以上 。两 路 温 湿 度 感 测 电路 与 A T 9 1 S AM7 A 3硬件接口原理如图 4所示。 DH T 2 1的 D A T A端用于 同微处理器 间的通讯 和同步。采用单总 线数 据格 式，一次通讯时 间约 VCC 瓤 vccbU R1F1lDATAGNDDHT21 VCC R 2 D A T A P A1芑 J - l l l l I 兰 GND 图4 A T 9 1 S AM7 A3 与DHT 2 1 连接 电路原理 图 5 ms 。A T 9 1 S A M7 A3发 送 一次 启动 信 号 ，DH T 2 1 从低功耗模式转换到高速模式 ，一直等待处理器发 的开始信号结束后，D HT 2 1回送 响应信号并送出 温湿度数据，便完成一次温湿度信号的采样工作。 2 5通讯模块设计 为 了便于与变 电站 自动化 系统 集成 ，本装置 与上位机的通讯方式设计为R S 一 4 8 5 总线标准接 口， 遵 循 MO DB US R T U规 约。通 讯 采 用 中断 方式 ， 异步传输 ，以帧为单位，每个数据帧包含 1 1 位数 据 ： l 位起始位 ，8位数据位，1 位偶校验位，1 位 停止位。数据传输波特率 9 6 0 0 b i t s 或 1 9 2 0 0 b i t s 。 3 结束语 本文所设计装置已制成样机并通过 了实际检 验。应用结果表明，用 A DE 7 7 5 8和 A T 9 1 S A M7 A3 处理器作为操控装置的硬件核 心，能有效地将 多 功能电力仪表和操 控装置功 能集成为一体 ，既节 省了成本，又减少了接线 ，从而克服了以往使用 8 位或 1 6 位单片机和常规 A D转换设计带来的缺陷。 应用模糊 P I D调节控制 手车进 出，改善了手车进 出平稳性和准确性 ，以及驱动机构 的安全性。系 统的应用对于提高开关设备的智能化与数 字化水 平起到了积极作用。 参考文献 ： 1 】孙 兴丽， 刘曙光 一种开 关柜智能操 控装置的设计 与实 现 J 高压 电器， 2 0 0 9 ， 4 5 ( 1 ) ： 7 6 8 0 2 葛银红， 方严， 张晓忠 基于MC 9 S 0 8 A W3 2 芯片 的开关柜 智能测控装置设计及 应用 J 电气开关， 2 0 1 0 ， ( 1 ) ： 7 7 8 1 3 】苗保红， 于庆瑞， 赵治平 中压智能开关柜用电动操作控 制装置 的开发 J 电工 电气， 2 0 1 1 ， ( 2 ) ： 5 5 5 7 4 】刘 生辉 ， 王 克英， 廖颜深 智能开关柜操控 装置Mo d b u s R T U 通 讯协 议的设计 J 】 电测与仪 表， 2 0 1 0 ， ( 7 ) ： 7 7 8 0 5 AD E 7 7 5 8 D a t a S h e e t ， P o l y P h a s e Mu l t i f u n c t i o n E n e r g y M e t e r i ng I C wi t h P e r P h a s e I n f o r ma t i o n ANALOG DEVI CES， 200 5 6 马忠梅， 徐英 慧， 叶勇建， 等 A T 9 1 系 t| AR M核微控制器 结构 与开发 M 北京： 北京航空航天大学 出版社， 2 0 0 3 第3 4 卷第7 期2 0 1 2 - 7 ( 上) 1 3 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m