石靜波

【摘要】要實現配電網電器智能化，就要首先實現在配電網中起著控制和保護等重要作用的高壓開關柜的智能化。本次設計的主要任務是對10kV高壓開關柜進行智能化研究，對其智能監(jiān)控保護單元的硬件電路進行研究和設計，及軟件部分提出參考設計方案。

【關鍵詞】智能；高壓開關柜；硬件電路

【Abstract】It will be the first to achieve the distribution network control and played an important role in the protection of the Intelligent Switchgear.The main task of this design is to10kV high voltage switch cabinet intelligent study， the intelligent monitoring protection unit hardware circuit research and design， and software part puts forward reference design.

【Key words】Intelligent；Switchgear；Hardware；Circuit

高壓開關柜是配電網絡中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，隨著變電站綜合自動化程度和供電可靠性的日益提高，對高壓開關柜性能的要求也愈來愈高。尤其是變（配）電所在逐步實現無人值班時，對高壓開關及高壓開關柜運行狀態(tài)的監(jiān)視提出了更高的要求。近年來，傳感技術、微電子技術、計算機技術、數字處理技術、網絡通信技術的蓬勃發(fā)展及其在各工業(yè)領域的成功應用，使智能高壓開關柜的開發(fā)和應用成為可能。智能高壓開關柜，即是在傳統高壓開關柜上配置智能型保護、控制和監(jiān)測單元，具有自檢，自控，自我診斷，自我恢復、數字顯示、高壓開關狀態(tài)顯示、對外雙向數據通信等功能。

1. 智能高壓開關柜監(jiān)測保護單元的設計方案

（1）實現高壓開關柜的智能化，關鍵在于智能高壓開關柜監(jiān)控保護單元的設計。智能監(jiān)控保護單元不僅要實現高壓開關柜在系統中各項監(jiān)測控制保護功能的智能化，而且還要重點實現對高壓開關柜本體的各項性能的在線監(jiān)測控制保護。另外為了滿足用戶和變電站整個智能監(jiān)控系統的需要設置了數據通信功能。

（2）智能監(jiān)控保護單元主要由電源模塊、CPU模塊、光電隔離交流采樣模塊、光電隔離開關采樣模塊、控制模塊組成。其核心部分是Intel公司生產的16位單片機80C196KB，系統時鐘由專用的時鐘芯片提供。網絡接口采用RS-485組成的串行接口網絡。硬件系統結構圖如圖1所示。

2. 智能監(jiān)控保護單元硬件電路設計

（1）智能高壓開關柜的智能監(jiān)控保護單元的按結構功能可以分為輸入模塊、中央控制模塊、開關量輸出模塊、通信模塊、人機交互模塊。這些模塊在功能上和電路結構上都相對獨立，以便針對智能高壓開關柜的具體要求，進行靈活的配置。下面就按功能模塊的劃分為主線，進行智能監(jiān)控保護單元的硬件設計。

（2）中央控制模塊設計：根據需要，選擇多CPU結構，即選用三主要CPU結構來設計中央控制模塊。CPU選用美國Intel公司生產的MCS系列單片機80C196KB。此系列單片機特別適用于各類自控系統，如工業(yè)過程控制系統、伺服系統、分布式控制系統、變頻調速電極控制系統等。還適用于一般的信號處理系統和高級智能儀器等要求實時處理、實時控制的系統中。MCS系列單片機屬于CHMOS工藝的第二代產品，數據/地址線均為16位。CHMOS芯片耗電少，除正常工作外還可處于2種節(jié)電方式：待機方式和掉電方式，進一步減少芯片的功耗。80C196KB系列CPU具備的外圍設備除了8X86已包括的一些設備（如時鐘發(fā)生器、內部A/D轉換器、高速輸入/輸出、PWM等）外，還集成了先進的外設事務服務器PTS和事件處理器陣列。PTS是一種微代碼硬件處理器，可以代替CPU高速實現諸如啟動A/D轉換并讀取結果、讀取HSI的FIFO、裝載HS0、串行口的發(fā)送和接受等中斷服務，從而大大減少系統響應中斷的開銷。鑒于80C196KB系列單片機的上述優(yōu)點，選用它來處理本系統的數據采集、鍵盤和液晶顯示、微機保護、電網監(jiān)控等重要功能，以提高系統的實時性。通信任務用AT89C51這種常見的單片機來完成就可以了，既不影響系統的可靠性，也節(jié)省了投資。所以，本系統采用多CPU結構，大大提高了系統的實時性和可靠性。多CPU結構框圖如圖2所示。

（3）多CPU中央控制模塊的工作原理：測量CPU正常情況下用于監(jiān)控 （所要測量的模擬量包括電壓、電流、頻率、功率因數、母線溫度、開關位置、有功功率、無功功率、電能等），并按一定的時間與保護CPU交換信息，以便監(jiān)測保護CPU的工作狀態(tài)是否正常；而保護CPU則正常情況下用于監(jiān)測測量CPU是否正常工作外，一旦被控設備發(fā)生故障時，能夠準確無誤地對設備進行保護，只有當其中的一個CPU被監(jiān)測到有錯誤后，才會立即代替其工作，同時通過通訊接口向遠控主機發(fā)信號報錯，從而完成對整個系統的監(jiān)控與保護任務。測量CPU與保護CPU之間每隔一段時間通過雙口RAM進行交換信息來判斷對方狀態(tài)是否正常。通信CPU主要用來完成向接受測量CPU的數據并傳給上位機和接受上位機發(fā)的信息并把信息傳遞給保護CPU，完成通信任務。

3. 開關柜智能監(jiān)控保護軟件設計

3.1 模塊化設計及任務調度分配。

（1）軟件模塊化設計對與智能高壓開關柜的軟件系統來說有諸多優(yōu)點，要實現軟件的模塊化設計就不得不提軟件的結構設計。軟件的總體結構分為硬件驅動層、管理調度層、基礎功能層和應用層。在智能高壓開關柜的設計中，管理調度層是實現軟件模塊化設計的基礎。管理調度層是一個實時多任務調度系統，負責基礎功能中不同任務的進程調度，它的好壞直接影響到系統的軟件功能能否順利實現、實現是否高效、硬件資源是否充分利用等。一個好的調度系統，應該既能保證不同的任務對實時性的要求，又能保證各個任務能夠可靠、安全地運行。

（2）實時多任務調度系統的完成由于是面向配電網絡的50Hz諧波，主要是定間隔采樣和計算問題，本設計每周波采樣12點，即1.667ms采樣一次，因此把采樣任務作為最高級的任務，在中斷中執(zhí)行，以保證采樣時間的精確性。其余內部任務以采樣作為基本執(zhí)行周期，分時進行。進入采樣中斷后，先對11個模擬量通道和地電平通道依次采樣，并計算出模擬量的平方和。然后判斷當前是第幾點采樣，根據不同的采樣點執(zhí)行一些周期性任務，如全周富氏濾波每采樣6個點調用一次，時鐘管理每2個點執(zhí)行一次。為了減輕CPU的負擔，應將這些任務分散在不同的采樣間隔中運行，從而盡可能保證每次中斷執(zhí)行時間一致，否則某次中斷時間過長，有可能導致下一次不能準時中斷，給采樣帶來誤差。在采樣出口以后，由于距下一個采樣時刻到來還有一段時間，在這段時間內調度外部任務，完成保護、計算、通信等任務。任務調度的總體框圖如圖3所示。

（3）為了進行任務的調度，在程序中設置了的狀態(tài)字節(jié)Task Code，如圖4所示。每個任務在該字節(jié)中占有一位標志，每位標志對應不同的優(yōu)先級，最低位對應優(yōu)先級最低的任務，最高位對應優(yōu)先級最高的任務。

要進行任務間的切換，必須保留任務切換處原有程序的執(zhí)行環(huán)境，因此，需要在每個任務的入口保存程序指針和狀態(tài)字，這些需要保存的數據設計為結構的形式存放。

（4）當任務的執(zhí)行條件滿足后，任務就轉化成就緒狀態(tài)，并同時在任務狀態(tài)字節(jié)寄存器中置相應的標志位；當任務執(zhí)行完畢后，任務狀態(tài)字節(jié)中相應的標志位被清除。每次采樣中斷后開始執(zhí)行任務調度程序，調度時首先檢查具備執(zhí)行條件的任務的優(yōu)先級，從最高級的任務開始調用執(zhí)行，執(zhí)行完畢后返回中斷出口處，若此時無就緒的任務，直接退出，當任務執(zhí)行完畢，清除任務狀態(tài)位。

3.2 智能監(jiān)控保護單元的軟件設計。

軟件上的模塊化設計保證了智能監(jiān)控保護單元保護任務的優(yōu)先可靠執(zhí)行，并能夠在此基礎上擴展許多監(jiān)控及人機界面的軟件，成為積木式的軟件模式。智能監(jiān)控保護單元的軟件采用了模塊化結構，每個模塊完成不同的功能，整體結構較為清晰，添加功能也很方便。軟件采用C語言和匯編語言混和編程方式編寫。C語言結合了高級語言的基本結構和低級語言的高效性，很適合單片機的開發(fā)，可移植性很好：匯編語言具有高效性、直接面向硬件操作的優(yōu)點。本裝置中任務調度模塊和部分與硬件關系密切的模塊采用匯編語言開發(fā)，其他與用戶關系密切的模塊采用C語言編程。在軟件的編制過程中，始終注意軟件設計的基本要求：（1）易理解性、易維護性；（2）實時性；（3）可測試性；（4）準確性；（5）可靠性。主程序通過調用各子程序模塊來實現.其中子程序包括：運算子程序、測量CPU交流采樣子程序、保護子程序、液晶顯示子程序、通信CPU串行口中斷子程序、外部中斷服務程序、三CPU通信程序等。

4. 總結與展望

在設計中，結合高壓開關柜的現狀和發(fā)展趨勢，確定了設計方案和思路。中央控制模塊采用三CPU結構，大大提高了測量、控制和保護的準確性、可靠性和實時性。在其他模塊的設計上，充分利用這個優(yōu)勢，并考慮到社會經濟條件，在選型方面?zhèn)戎赜谛阅艿奶嵘?。利用現代傳感技術，智能高壓開關柜實現了合閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測等重要監(jiān)測功能。軟件設計在實時多任務調度系統的基礎上，實施模塊化設計，對整體功能和局部功能的實現和擴展具備了可操作性。

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[文章編號]1619-2737（2016）03-26-493