基于sm32的多功能高压开关柜控制系统设计

基于sm32的多功能高压开关柜控制系统设计

高压开关箱在能源系统中起着重要作用，在切断和连接能源线路、线路故障的保护和运行能源数据方面发挥着重要作用。随着近年来高压开关箱智能化程度的提高，不仅要监测开关箱的重要状态，还要开展各种开关装置的电子执行，以减少人员的工作量，避免手动操作的安全隐患，并进行远程销售。但是目前的高压开关柜上,开关状态显示、温湿度监控、智能五防和故障告警等常见的操控功能与电动功能并不是统一设计,而是分立安装在开关柜的柜面上,造成安装布线复杂、调试不便和各功能不能很好地进行配合等问题。另一方面,大多数操控类装置的处理器并没有嵌入实时操作系统,其应对事件的响应速度不够快,运行的稳定性也稍差,而且当前智能变电站要求开关柜系统具有完善的控制、显示和通信功能,能实时上传开关柜状态信息至后台,并可远程接受监测控制指令。为改善上述状况,开发设计了一种基于STM32F215处理器和μC/OS-Ⅱ系统平台的智能化、多功能、可视化且具有良好信息交互能力的综合装置,并以一体化布局配套装备于开关柜上,适用于高压手车柜及带电控部件的接地开关中置柜等。通过平台实现监控功能的扩展硬件系统采用高性能的STM32F215处理器为核心,它是一款ARMCortex-M3内核的32位处理器,外围部分完成了手车及接地开关的电动操作及过程控制、电机堵转保护及故障处理功能、智能五防功能、一次回路状态指示、温湿度监控、开关电源与通信等电路的设计。由于需要执行的功能任务多,涉及进程管理等,因此需要植入μC/OS-Ⅱ实时操作系统协调完成以上功能,并保证整个软件系统的稳定性与实时性,系统结构如图1所示。整个装置主要分为3个部分:各操控监测功能模块、STM32F215+μC/OS-Ⅱ软硬件平台和各控制输出模块。硬件上采用这种模块化、插件式设计,具有灵活性和可定制性,方便以后对功能进行扩展和升级,安装和调试时也更加方便。软件上嵌入μC/OS-Ⅱ实时操作系统给扩展功能模块的无缝接入提供了条件,同时也提高了整体性能的实时性与运行的稳定性。另外整个平台还可经以太网与监控中心的PC机进行互联,接受远程操控指令以及回传数据到监控中心进行处理、存储及显示。本设计提供一种用于开关柜监测及操作的综合装置,用于接收操控指令对其进行电动操作及过程的控制;并对手车位置、断路器位置及状态、接地开关位置、储能机构状态、直流电机的工作状态、母线带电状态进行监测;设计的状态显示模块可在面板上直观清楚地显示各种开关状态,指导用户根据开关柜状态对开关柜进行正确合理的电动操作;具备智能五防功能,可根据操作条件是否满足五防进行语音/灯光提醒,确保用户操作的安全性;具备智能告警功能,根据电机故障信息进行语音/灯光告警;实时监控柜内温湿度,及时启动加热排风,防止柜内温度过高、凝露等异常。最后还可与监控室及信息一体化平台进行互联,在监控中心直接显示电动执行单元及开关柜的各种状态信息,从而使得设备状态信息达到实时监控与信息共享,实现了目前智能变电站要求的智能一次设备与智能组件的规范互联;可进行操作记录查询、相关参数设置;并能远程响应监控中心的电动操控指令,有利于实现变电站的无人化值守、信息化监控。系统互联如图2所示。1.电动操作指令及保护电路目前电力开关柜远动“五遥”系统中一般只有断路器的五遥功能,手车和接地开关并不具备远动功能,所以造成停电检修的操作现状为:断路器既可以就地操作,也可以由远程控制中心遥控操作,手车进出则只能由操作人员到开关室现场使用摇柄将手车由工作位置抽出到试验位置,或由试验位置插入到工作位置;接地开关分合操作也需要操作人员到现场用手柄来手动完成。为了进一步减少操作人员的工作量,避免误操作对工作人员造成人身伤害,在现场“无人”的情况下也能实现完整的停送电工作,这就要求手车及接地开关能够电动完成远程或就地发出的操作指令。手车及接地开关的电动控制主控板是综合操控装置的核心部分,具体任务是完成开关量采集、处理、逻辑判断、电动机的驱动、手车电动进出过程控制及接地开关电动分合控制,完成操作还需配备相应的电动底盘车,实物如图3所示。在接收到用户的操作指令后,首先要判断操作条件是否满足“五防”闭锁条件及邻柜条件,控制装置会给用户明确语音提示,以方便用户进行处理。当操作条件满足时,响应用户发出的电动操作指令,控制电动执行机构完成手车或接地开关的操作。本处采用分立元件加光耦隔离放大设计直流电动机驱动电路,具有结构简单,驱动能力强,效率高等特点。采用大功率半导体器件的斩波器控制方式,利用脉冲宽度调制(PWM)方法,通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变电动机电枢电压接通时间和通电周期的比值(即占空比)来改变平均电压的大小,从而让电机转速得到控制。只要按一定规律改变通电时间,就可实现对转速的控制。采用K3继电器实现电动机转向的控制,K4实现电动操作对象的切换。对电力场效应管2SK1933采取了必要的保护,并联了RC抑制保护电路和吸收二极管HER308,防止加在MOSFET上的正向电压上升率dv/dt过大,减小关断损耗。2SK1933的栅极与地之间并联TVS管支路,抑制浪涌过电压和开关过电压。永磁直流电动机ZYJ-40的并联支路采用了快恢复二极管和RC缓冲电路,为场效应管关断时电动机中的磁场能量提供泻放回路,抑制过电压并利用电阻把这部分能量消耗掉,同时利用刹车电阻,实现在紧急情况下的制动功能。场效应管的前级驱动部分包含了P181光耦隔离和晶体管触发电路,前者实现电力电子电路和控制电路的电气隔离;后者产生符合驱动要求的栅级触发脉冲。具体电动机驱动控制电路原理如图4所示。2.堵转电流保护故障大电流会引起电动机的温升超过绝缘材料的承受能力,从而导致电动机损坏等事故发生。在电动机运行过程中,手车和接地开关的电动执行机构可能会因为开关柜的一些机械故障无法行进而造成电动机堵转,引起绕组电流的急剧上升,所以堵转电流保护是必不可少的。本装置的堵转保护原理是将霍尔电流传感器检测的直流电动机电流信号,经过调理电路变换成单片机可处理的电压信号后,再经放大、滤波,以符合后面检测模块的要求,之后送给判断比较电路,最终比较电路的输出脉冲让单片机采集,单片机据此输出控制信号,能够控制被保护电动机的供电回路的通断,当电流达到整定值时保护继电器动作,切断电动机供电回路,及时保护电动机,部分电路如图5所示,其中信号CTOUT是电流信号,取自霍尔电流传感器,流经前端电阻后变为电压信号,之后经LM358运放放大、滤波和比较后,脉冲送至单片机处理,判断是否存在堵转故障,单片机决定是否驱动电动机故障处理模块,保护电动机。3.智能控制器设计所谓电力系统“五防”,是指:①防止误分、误合断路器。②防止带负荷拉、合隔离开关。③防止带电挂接地线(或接地刀闸)。④防止带接地线合隔离开关。⑤防止误入带电间隔。电力系统“五防”装置中除了防止误分、误合断路器之外,其他“四防”均要求强制闭锁。处理器控制为智能闭锁的核心,首先把开关柜内所有设备在各种运行方式下的操作程序存储在控制器的存储器内,运行人员需要进行操作时,就按照一定的步骤操作,控制器根据预选存储的程序对每一项操作进行判断,如果操作正确,就发出正确的声音提示,指示灯部分指示相关操作;如果操作错误,系统就自动播放提醒语音,并且操作无效,也无法进行下一步操作,防止运行人员误操作,保障人身和设备安全。为了防止误入带电间隔,本装置还集成了高压带电指示、电子闭解锁及人体红外距离感应功能。当母线电压大于0.15×U额定时,三相带电指示灯亮且人体红外距离感应启动,如有人体靠近立刻进行语音提醒;当母线电压大于0.65×U额定时,电磁锁闭锁输出;当三相同时不带电时,闭锁解除灯亮,启动电磁解锁,人体红外距离感应不作用。4.温湿度测控系统高压开关柜高电压大电流的工作方式,加上交变强电磁场的运行环境、柜体封闭、地方气候差异等影响,使得开关柜经常发生凝露、低温、潮湿及超温发热等异常情况,不利于开关设备与执行电动机的运行,本装置采用温湿传感器芯片SHT71可直接输出数字信号,并采用中值加极值的混合算法及校正措施对信号进行处理,保证了温湿度测控的准确性。湿度测量、控制范围为0～100%RH,准确度为±3%RH,温度测量、控制范围为-40～123.8℃,准确度为±0.4℃,如柜内环境温湿度超过或低于预设的阈值,则相应地起动柜内加热器与风扇装置,使开关柜在良好环境下运行。5.开关柜自动显示关系装置还采集当前的断路器位置、手车位置、接地开关位置、母线带电与否、储能机构状态、直流电机的转速与电流状态、柜内温湿度状况、闭解锁状态及操作完成进度等信息,这些状态都用不同的彩色线条与字块来进行动态展示,并在装置面板及LCD上清楚直观地显示这些状态,指导用户根据开关柜的状态对开关柜进行正确合理的电动操作,使得现场电动进出车操作和接地开关操作变得更加直观、透明及可靠。另外还可自动刷屏翻页对各类故障信息进行显示;包括温湿度故障、加热排风断线故障、电动机运行故障及误操作故障等,并可对历史信息、操作记录及参数设置界面进行显示,面板的状态指示效果如图6所示。6.语音提示报警电路为了更好地掌握电动操作的动向,设计了语音防误提示功能,可通过声音来识别目前的工作状况,以避免安全事故。语音提示部分采用ISD1720语音可编程芯片外加语音功放LM386N电路构成。事先用语音芯片将语音录制好,当开关柜内部发生异常时,根据不同情况播放分段语音信号,及时语音提示报警,电路如图7所示。针对发生误操作的情况,是指当断路器处于合闸状态时,操作强行误将手车推至工作位置或退至试验位置时,扬声器发出“请分断路器”的语音提示;当断路器处于合闸状态时,操作者强行合接地开关时,扬声器发出“请分接地开关”的语音提示;如果上述情况同时发生,扬声器发出“请分接地开关,请分断路器”的语音提示。语音报警部分是指存在加热排风故障、电动机运行故障、电动操作故障及温湿度故障时,进行语音报警。电动控制流程在软件系统设计上,用C语言进行了编程,采用模块化的设计思想,以电动操作子程序为例。首先使用单片机进行开入量与输入指令的逻辑判断,根据采集的开关量与电流信号,进行状态指示和故障保护输出;在电动机运行的全程中时刻监测霍尔传感器电流输出的大小,据此反映电动执行过程中的受力大小,自适应地改变转速和力矩的大小,使电动全过程处于精确的控制中,实现了对人工操作的特点进行模拟。控制输出PWM波形,从而控制电动执行单元的软启动、正反转、匀速、减速和自动退回等。工作流程如下,首先判断是否接收到远方的电动操作指令或现场就地的按钮指令,之后MCU对开关柜是否满足“五防”及邻柜条件进行检查,如此刻并没有正在进行电动或者手动操作,则立即软启动4s,这是为了避免启动电流对电动机的冲击损害和电压跌落影响其他设备正常工作,并躲过电动机故障保护的检测;之后的90%全行程进入匀速行驶阶段,如遇到受轻微阻力和摩擦的情况,则该阶段自动调整力矩和转速,促使手车顺利行进;但是如果遇到严重阻力或手车卡死的情况,超过了人为设定的堵转电流保护阈值,则启动电动机堵转保护子程序;电动机堵转故障是在整个进程中都要进行实时检测的,以确保装置的安全可靠运行。进入到全行程的97%时,开始减速至设定速度的40%行驶,以避免高速到位后冲击到柜内的机械结构,使之变形,影响使用寿命;监测到触点到位完成信号时,开始低速反转0.5s,可释放执行单元到位后的挤压应力。如执行过程中监测到堵转故障,则手车自动退回至设定位置,接地开关自动复位,并切断电动机供电回路。当在设定的时间内没有完成电动操作时,执行超时处理程序,停车并发出报警,避免因控制回路故障而无法切断电动机回路电源。电动控制流程如图8所示。系统软件的主程序是一个无限循环,基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统,将其他应用子程序按功能的主次划分为几个不同优先级的μC/OS-Ⅱ任务,从高到低依次为:故障检测处理子程序、智能五防子程序、紧急停车子程序、查询开关柜状态子程序、液晶刷屏显示子程序、数据包发送子程序以及功能按键菜单子程序,依据优先级依次送给MCU进行处理,从而使得MCU实时输出各种控制信号,最后清除看门狗计数器,以确认系统正常运转。由于μC/OS-Ⅱ处理任务的实时性强,STM32F215处理器的主频较高,所以每个任务响应都很迅速。每一个任务相对独立地完成某一特定功能,具有非常高的可靠性和可扩充性。开关柜环境温湿度测湿试验设计的综合装置按国家3级标准通过了西安高压电器研究院电磁兼容测试,如表1所示。试验结果:装置不产生误动作、复位现象,未发生破坏性放电,且试验后产品能恢复正常功能。在正常条件与额定电压下,针对铠装移开式中置柜,型号KYN44—12,装置工作状况良好,功能全部实现,可靠电气联锁。试验运行可靠稳定,机械结构无明显形变,数据如表2所示。图9是从监控中心数据库中导出的2012年8月的开关柜环境测温测湿历史曲线,可以看出该柜环境温湿度运行状况处于正常范围。整个综合装置在运行过程中能实时采集开关柜状态信息、传感器信息以及直流电动机的工作信息,并能用以太网方式发送数据包至监控后台的PC机及接受PC机的下发控制指令,没有发生误报、误操