智能高压开关柜监控保护单元的研究

石静波

【摘要】要实现配电网电器智能化，就要首先实现在配电网中起着控制和保护等重要作用的高压开关柜的智能化。本次设计的主要任务是对10kV高压开关柜进行智能化研究，对其智能监控保护单元的硬件电路进行研究和设计，及软件部分提出参考设计方案。

【关键词】智能；高压开关柜；硬件电路

【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

高压开关柜是配电网络中不可缺少的重要环节，随着变电站综合自动化程度和供电可靠性的日益提高，对高压开关柜性能的要求也愈来愈高。尤其是变（配）电所在逐步实现无人值班时，对高压开关及高压开关柜运行状态的监视提出了更高的要求。近年来，传感技术、微电子技术、计算机技术、数字处理技术、网络通信技术的蓬勃发展及其在各工业领域的成功应用，使智能高压开关柜的开发和应用成为可能。智能高压开关柜，即是在传统高压开关柜上配置智能型保护、控制和监测单元，具有自检，自控，自我诊断，自我恢复、数字显示、高压开关状态显示、对外双向数据通信等功能。

1. 智能高压开关柜监测保护单元的设计方案

（1）实现高压开关柜的智能化，关键在于智能高压开关柜监控保护单元的设计。智能监控保护单元不仅要实现高压开关柜在系统中各项监测控制保护功能的智能化，而且还要重点实现对高压开关柜本体的各项性能的在线监测控制保护。另外为了满足用户和变电站整个智能监控系统的需要设置了数据通信功能。

（2）智能监控保护单元主要由电源模块、CPU模块、光电隔离交流采样模块、光电隔离开关采样模块、控制模块组成。其核心部分是Intel公司生产的16位单片机80C196KB，系统时钟由专用的时钟芯片提供。网络接口采用RS-485组成的串行接口网络。硬件系统结构图如图1所示。

2. 智能监控保护单元硬件电路设计

（1）智能高压开关柜的智能监控保护单元的按结构功能可以分为输入模块、中央控制模块、开关量输出模块、通信模块、人机交互模块。这些模块在功能上和电路结构上都相对独立，以便针对智能高压开关柜的具体要求，进行灵活的配置。下面就按功能模块的划分为主线，进行智能监控保护单元的硬件设计。

（2）中央控制模块设计：根据需要，选择多CPU结构，即选用三主要CPU结构来设计中央控制模块。CPU选用美国Intel公司生产的MCS系列单片机80C196KB。此系列单片机特别适用于各类自控系统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电极控制系统等。还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器等要求实时处理、实时控制的系统中。MCS系列单片机属于CHMOS工艺的第二代产品，数据/地址线均为16位。CHMOS芯片耗电少，除正常工作外还可处于2种节电方式：待机方式和掉电方式，进一步减少芯片的功耗。80C196KB系列CPU具备的外围设备除了8X86已包括的一些设备（如时钟发生器、内部A/D转换器、高速输入/输出、PWM等）外，还集成了先进的外设事务服务器PTS和事件处理器阵列。PTS是一种微代码硬件处理器，可以代替CPU高速实现诸如启动A/D转换并读取结果、读取HSI的FIFO、装载HS0、串行口的发送和接受等中断服务，从而大大减少系统响应中断的开销。鉴于80C196KB系列单片机的上述优点，选用它来处理本系统的数据采集、键盘和液晶显示、微机保护、电网监控等重要功能，以提高系统的实时性。通信任务用AT89C51这种常见的单片机来完成就可以了，既不影响系统的可靠性，也节省了投资。所以，本系统采用多CPU结构，大大提高了系统的实时性和可靠性。多CPU结构框图如图2所示。

（3）多CPU中央控制模块的工作原理：测量CPU正常情况下用于监控 （所要测量的模拟量包括电压、电流、频率、功率因数、母线温度、开关位置、有功功率、无功功率、电能等），并按一定的时间与保护CPU交换信息，以便监测保护CPU的工作状态是否正常；而保护CPU则正常情况下用于监测测量CPU是否正常工作外，一旦被控设备发生故障时，能够准确无误地对设备进行保护，只有当其中的一个CPU被监测到有错误后，才会立即代替其工作，同时通过通讯接口向远控主机发信号报错，从而完成对整个系统的监控与保护任务。测量CPU与保护CPU之间每隔一段时间通过双口RAM进行交换信息来判断对方状态是否正常。通信CPU主要用来完成向接受测量CPU的数据并传给上位机和接受上位机发的信息并把信息传递给保护CPU，完成通信任务。

3. 开关柜智能监控保护软件设计

3.1 模块化设计及任务调度分配。

（1）软件模块化设计对与智能高压开关柜的软件系统来说有诸多优点，要实现软件的模块化设计就不得不提软件的结构设计。软件的总体结构分为硬件驱动层、管理调度层、基础功能层和应用层。在智能高压开关柜的设计中，管理调度层是实现软件模块化设计的基础。管理调度层是一个实时多任务调度系统，负责基础功能中不同任务的进程调度，它的好坏直接影响到系统的软件功能能否顺利实现、实现是否高效、硬件资源是否充分利用等。一个好的调度系统，应该既能保证不同的任务对实时性的要求，又能保证各个任务能够可靠、安全地运行。

（2）实时多任务调度系统的完成由于是面向配电网络的50Hz谐波，主要是定间隔采样和计算问题，本设计每周波采样12点，即1.667ms采样一次，因此把采样任务作为最高级的任务，在中断中执行，以保证采样时间的精确性。其余内部任务以采样作为基本执行周期，分时进行。进入采样中断后，先对11个模拟量通道和地电平通道依次采样，并计算出模拟量的平方和。然后判断当前是第几点采样，根据不同的采样点执行一些周期性任务，如全周富氏滤波每采样6个点调用一次，时钟管理每2个点执行一次。为了减轻CPU的负担，应将这些任务分散在不同的采样间隔中运行，从而尽可能保证每次中断执行时间一致，否则某次中断时间过长，有可能导致下一次不能准时中断，给采样带来误差。在采样出口以后，由于距下一个采样时刻到来还有一段时间，在这段时间内调度外部任务，完成保护、计算、通信等任务。任务调度的总体框图如图3所示。

（3）为了进行任务的调度，在程序中设置了的状态字节Task Code，如图4所示。每个任务在该字节中占有一位标志，每位标志对应不同的优先级，最低位对应优先级最低的任务，最高位对应优先级最高的任务。

要进行任务间的切换，必须保留任务切换处原有程序的执行环境，因此，需要在每个任务的入口保存程序指针和状态字，这些需要保存的数据设计为结构的形式存放。

（4）当任务的执行条件满足后，任务就转化成就绪状态，并同时在任务状态字节寄存器中置相应的标志位；当任务执行完毕后，任务状态字节中相应的标志位被清除。每次采样中断后开始执行任务调度程序，调度时首先检查具备执行条件的任务的优先级，从最高级的任务开始调用执行，执行完毕后返回中断出口处，若此时无就绪的任务，直接退出，当任务执行完毕，清除任务状态位。

3.2 智能监控保护单元的软件设计。

软件上的模块化设计保证了智能监控保护单元保护任务的优先可靠执行，并能够在此基础上扩展许多监控及人机界面的软件，成为积木式的软件模式。智能监控保护单元的软件采用了模块化结构，每个模块完成不同的功能，整体结构较为清晰，添加功能也很方便。软件采用C语言和汇编语言混和编程方式编写。C语言结合了高级语言的基本结构和低级语言的高效性，很适合单片机的开发，可移植性很好：汇编语言具有高效性、直接面向硬件操作的优点。本装置中任务调度模块和部分与硬件关系密切的模块采用汇编语言开发，其他与用户关系密切的模块采用C语言编程。在软件的编制过程中，始终注意软件设计的基本要求：（1）易理解性、易维护性；（2）实时性；（3）可测试性；（4）准确性；（5）可靠性。主程序通过调用各子程序模块来实现.其中子程序包括：运算子程序、测量CPU交流采样子程序、保护子程序、液晶显示子程序、通信CPU串行口中断子程序、外部中断服务程序、三CPU通信程序等。

4. 总结与展望

在设计中，结合高压开关柜的现状和发展趋势，确定了设计方案和思路。中央控制模块采用三CPU结构，大大提高了测量、控制和保护的准确性、可靠性和实时性。在其他模块的设计上，充分利用这个优势，并考虑到社会经济条件，在选型方面侧重于性能的提升。利用现代传感技术，智能高压开关柜实现了合闸弹簧状态监测等重要监测功能。软件设计在实时多任务调度系统的基础上，实施模块化设计，对整体功能和局部功能的实现和扩展具备了可操作性。

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[文章编号]1619-2737（2016）03-26-493