王希萍

摘 要：開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中的常見裝備之一，開關(guān)柜內(nèi)儀器設(shè)備眾多，線路復(fù)雜，造成柜內(nèi)電弧的易發(fā)。文章主要對弧光及弧光故障產(chǎn)生及危害的原因進(jìn)行了分析，設(shè)計了開關(guān)柜弧光保護(hù)監(jiān)測裝置，在文中作者詳細(xì)介紹了所設(shè)計的弧光保護(hù)監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，分別對其組成單元MCU模塊、弧光信號調(diào)理單元、電流信號調(diào)理單元的硬件組成和軟件流程進(jìn)行了詳細(xì)的描述，在文章的最后，作者總結(jié)出所設(shè)計的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠成，本低廉等特點。

關(guān)鍵詞：電??；開關(guān)柜；單片機(jī)；信號調(diào)理

早在上世紀(jì)60年代人們已經(jīng)開始研究開關(guān)柜弧光事故，并設(shè)計監(jiān)測預(yù)防措施，但是由于技術(shù)條件限制，一直沒有找到理想的裝備，但是隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型的傳感器和功能強(qiáng)大的微處理器的不斷涌現(xiàn)為預(yù)防電弧產(chǎn)生和降低電弧危害提供了契機(jī)。本文采用單片機(jī)為監(jiān)測控制核心，設(shè)計了開關(guān)柜弧光保護(hù)監(jiān)測裝置。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計及工作原理

弧光保護(hù)監(jiān)測裝置主要由MCU模塊、弧光信號調(diào)理單元、電流信號調(diào)理單元，人機(jī)交互單元等模塊構(gòu)成。

MCU模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)對各個傳感器模塊傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、存儲，根據(jù)具體設(shè)定要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析，判斷是否發(fā)生故障，并進(jìn)行跳閘控制和報警信號輸出。電流信號調(diào)理模塊負(fù)責(zé)采集開關(guān)柜進(jìn)線端的三相電流值，主要由電流傳感器（電流互感器），信號放大模塊，隔離傳輸模塊構(gòu)成，通過 總線與MCU模塊連接，為MCU對弧光故障的判斷提供可靠的當(dāng)前電流參考值?；」庑盘栒{(diào)理模塊負(fù)責(zé)將各斷路器處弧光傳感器采集到弧光信號進(jìn)行調(diào)理，并通過總線發(fā)送到MCU模塊。人機(jī)交互單元包括按鍵和LCD顯示模塊，是人與MCU進(jìn)行交流的通道，操作人員通過按鍵將各項數(shù)據(jù)輸入MCU模塊。

（一）MCU模塊

MCU模塊以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，包括電源模塊、按鍵單元、觸摸屏模塊、程序下載模塊、串行EEPROM、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、報警指示電路、數(shù)字溫濕度傳感器模塊等組成。

STC12C5A60S2是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍，其內(nèi)部含有2路PWM和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，I且/O多，驅(qū)動能力強(qiáng)，片內(nèi)集成了1280字節(jié)的RAM，用戶程序存儲空間達(dá)62K，是一種增強(qiáng)型通用單片機(jī)。

電源模塊為雙電源供電系統(tǒng)，一路電源為USB供電，專為單片機(jī)程序現(xiàn)場下載、調(diào)試使用；另一路電源取自電氣柜內(nèi)的安裝ZY0FB05P AC～DC模塊模塊，它將交流220V變換成直流12V，然后通過LM7805三端穩(wěn)壓集成電路將其穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)換成供單片機(jī)及其外圍模塊工作使用的5V穩(wěn)定電壓，兩路開關(guān)可以根據(jù)實際情況通過撥碼開關(guān)進(jìn)行切換。

觸摸屏模塊采用驅(qū)動IC為R61505V的2.4寸TFT屏，其觸摸部分采用XPT2046串行AD轉(zhuǎn)換芯片，分辨率高，定位精度好。

串行EEPOM采用AT24C04型存儲器，用來保存系統(tǒng)設(shè)定的相關(guān)參數(shù)，AT24C04是Ateml公司生產(chǎn)的容量為4kB得電可擦除存儲芯片，采用兩線串行的總線和單片機(jī)通訊，芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存100年，用來存儲單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)。

無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用來將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實時傳送至電力系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，該模塊由NRF24L01芯片組成，它可工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 頻段。

數(shù)字溫濕度傳感器模塊用來采集開關(guān)柜內(nèi)溫濕度的信息，對開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度進(jìn)行定時監(jiān)控，保證開關(guān)柜在良好的環(huán)境條件下運(yùn)行。該模塊的核心是DHT11溫濕度傳感器，它是一個芯片級的溫度和濕度傳感器，它內(nèi)部有一個隨濕度變化的電阻式元件和一個NTC測溫元件，它可以有效監(jiān)測周圍環(huán)境中的溫度和濕度，經(jīng)過處理后以數(shù)字方式輸出，具有方便安裝，反應(yīng)靈敏，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，成本低廉等特點。

報警指示電路為控制柜現(xiàn)場設(shè)置的多個指示報警電路，由單片機(jī)通過晶體管電流放大電路驅(qū)動電磁繼電器吸合，進(jìn)而點亮現(xiàn)場高亮度的指示燈，用來向巡檢操作人員提供報警指示。

（二）弧光信號調(diào)理模塊

弧光信號調(diào)單元塊可從不同位置采集弧光傳感器感應(yīng)的弧光信號，如圖1所示，每一路弧光傳感器硬件電路和工作方式大體相同，弧光傳感器采用照度傳感器ISL29023，它是是一個具有中斷功能的集成的數(shù)字環(huán)境光傳感器，它可以將光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過與兼容接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，ISL29023的接線圖如圖1所示，STC12C5A60S2的P2.1接入ISL29023的數(shù)據(jù)總線SDA端，P2.0接入時鐘總線SCL端。

（三）電流信號調(diào)理單元

如圖2所示，電流信號調(diào)理單元負(fù)責(zé)采集母線進(jìn)線端電流值，然后通過隔離變換送入MCU模塊。電流互感器TA安裝在開關(guān)柜母線室進(jìn)線端，以三相星形方式連接，它對系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的各種故障都可以正常反應(yīng)。

本系統(tǒng)電流變換器是一種特殊的電流互感器，由一個小容量輔助電流互感器和固定電阻構(gòu)成，電流變換器的一次側(cè)接入電流互感器二次繞組，則電流變換器的二次側(cè)會出現(xiàn)感生電流，感生電流通過定值電阻形成回路，二次側(cè)則輸出電壓信號。由于電磁設(shè)備容易對MCU模塊產(chǎn)生干擾，接入MCU模塊的信號必須進(jìn)行電磁隔離。電流變換器變換后的電壓從Vin端輸入隔離傳輸電路，LM358-1為集成運(yùn)放，R23為反饋電阻，用于調(diào)節(jié)運(yùn)放輸入偏置電流，R22為運(yùn)放增益調(diào)節(jié)電阻，C10用來消除毛刺信號。HCNR200是一個具有高線性度、高穩(wěn)定度的特點的光耦合隔離模塊，LM358-2為集成運(yùn)放，在電路中消除負(fù)載效應(yīng)。

電流變換器的輸出信號Vin輸入隔離電路，經(jīng)LM358組成的濾波器濾波后以電流的形式接入光耦合隔離模塊HCNR200，HCNR200是一個具有高線性度、高穩(wěn)定度的特點的光耦合隔離模塊，輸入電壓通過隔離傳輸之后的電壓增益可以通過R23和R21兩個電阻調(diào)節(jié)，變換后的Vout送入STC12C5A60S2內(nèi)部10位高速ADC中。

二、弧光監(jiān)測保護(hù)裝置系統(tǒng)軟件設(shè)計

開關(guān)柜弧光故障一般出現(xiàn)在短路故障發(fā)生后，此時系統(tǒng)內(nèi)電流會出現(xiàn)較大偏移，因此瞬時出現(xiàn)的短路過電流完全可以作為弧光故障出現(xiàn)的預(yù)警信號。本系統(tǒng)不但對開關(guān)柜中的各斷路器采用光線傳感器時刻檢測器弧光外，還采用三相式星形接線的電流互感器來采集電流量，綜合電流互感器和弧光傳感器的信號綜合對故障做出判斷，避免單一因素測量誤差或者干擾等因素造成的誤動作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計，采用主程序無條件調(diào)用子程序的模式，系統(tǒng)子程序包括顯示子程序、觸摸屏子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、通信子程序、溫度檢測子程序、電流采集子程序、弧光檢測子程序模塊、跳閘控制子程序等，系統(tǒng)上電復(fù)，系統(tǒng)對各模塊初始化完成后，無條件依次調(diào)用觸摸屏子程序、顯示子程序。開關(guān)柜中溫濕度變化周期長，在系統(tǒng)中實時性要求不高，系統(tǒng)每隔10秒鐘進(jìn)行一次溫濕度檢測，并且在溫濕度檢測過程中允許其它數(shù)據(jù)采集程序的執(zhí)行。

電弧故障的危害程度與電弧電流大小和其作用時間息息相關(guān)，通常情況下，對于電力系統(tǒng)來說，只有在最小的總動作時間內(nèi)切除弧光故障，才能保證設(shè)備受到較小損害?？紤]到跳閘控制裝置的動作時間等問題，系統(tǒng)采用定時中斷的方式對電流信號和弧光信號進(jìn)行檢測，最小中斷周期為5ms，保證系統(tǒng)對故障的響應(yīng)時間小于50ms。系統(tǒng)進(jìn)入中斷后先后執(zhí)行電流采集子程序、弧光檢測子程序和跳閘控制子程序?？紤]到系統(tǒng)的干擾項電流采集子程序、弧光檢測子程序中對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)軟件復(fù)合濾波處理，去掉脈沖干擾和脈動項。

跳閘控制子程序首先對電流的檢測值進(jìn)行判斷，如果檢測值大于設(shè)定值，則進(jìn)一步對檢測的弧光數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果弧光檢測的數(shù)據(jù)和電流檢測的數(shù)據(jù)都大于各自的設(shè)定值，則給出跳閘信號和報警信號，如果僅檢測到電流檢測數(shù)據(jù)大于設(shè)定值而沒有檢測到弧光信息，則僅執(zhí)行報警信息，而不進(jìn)行跳閘處理。

三、結(jié)論

本文設(shè)計的開關(guān)柜弧光保護(hù)監(jiān)測裝置以單片機(jī)為核心，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，通過多傳感器對開關(guān)柜中電流、弧光、環(huán)境變量等進(jìn)行監(jiān)控，以所檢測的電流和弧光數(shù)據(jù)為依據(jù)，對開關(guān)柜的綜合情況進(jìn)行判斷并做出相關(guān)控制決策，能有效防止單一變量造成的誤動作，可靠性強(qiáng)，可實現(xiàn)對運(yùn)行中的開關(guān)柜起到有效的保護(hù)作用。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試及試驗測試表明系統(tǒng)測試靈敏、故障響應(yīng)時間短，可靠性強(qiáng)。

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