110kV高压隔离开关智能控制器的设计与开发

（朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西 忻州 034000）

110kV高压隔离开关智能控制器的设计与开发

张志强

（朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西 忻州 034000）

智能高压开关设备是智能电网与智能变电站的关键组成部分。本文就110kV高压隔离开关智能控制器的设计与开发展开研究，提出了利用高性能的ARM和CPLD微处理器作为控制核心，并配合温湿度传感器、角度传感器等部件设计了110kV高压隔离开关智能控制器。

110kV；高压隔离开关；智能控制器

选择ARM与CPLD微处理器进行高压隔离开关智能控制器的设计与开发，主要是由于ARM能够较好地支持通信网关工作，而CPLD具备集成度高、编程灵活、开发周期短、设计成本低、保密性强等特点，这些特点使得设计出的高压隔离开关智能控制器不仅能够具备较快的处理速度，还具备较高的抗干扰性能，这给控制器的更好工作带来一定积极影响。

1 总体设计方案

在本文进行的110kV高压隔离开关智能控制器的设计中，笔者严格遵循了IEC61850国际平台标准，保证了这一控制器具备数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化等特征，而这些特征则主要体现在隔离开关智能控制器的控制、数据采集、安全检测、人机联系等功能中。

由于这些功能组合在一起能较好实现整个系统的自我检测保护，使得该设计方案能够为电力系统继电保护和控制在线网络化管理实现带来较好支持。

2 硬件设计

在本文110kV高压隔离开关智能控制器的设计与开发中，这一隔离开关智能控制器的硬件部分主要包括SCM（开关控制）模块设计、电机控制电路设计、温度检测电路设计、湿度检测电路设计、角度测量设计、电机过流保护设计、通信模块设计等内容。

（1）SCM(开关控制)模块设计。在SCM（开关控制）模块设计中，笔者选择了ARM作为主控芯片，CPLD作为辅助芯片，二者通过配合能够较好为本文研究的110kV高压隔离开关智能控制器控制、显示、检测、数据传输和通信等功能的实现提供支持。在主控芯片ARM的选择中，笔者选择了意法半导体（ST）公司的STM32F103型号的ARM微控制器，这一控制器具备分支预测的三级流水线结构、支持位绑定操作、使中断变成更加简便、简便的乘除法的运算、支持串行SWD调试方式等优势，这些优势使得这一微控制器的选择能够大大降低本文研究隔离开关智能控制器的成本，并提高其处理性能；而在CPLD的选择中，笔者选择了Altera公司的MAXII系列CPLD，这一CPLD具有价格较低、功耗较小、性能较高、容量较大等优势，这些优势使得这一CPLD能够较好满足本文研究的需要。（2）电机控制电路设计。在电机控制电路的设计中，笔者选择了固态继电器和普通电磁继电器配合使用的策略，这种设计策略的应用能够较好避免卡死等电动机堵转的意外情况发生；而在继电器的驱动电路设计中，笔者选择了应用TLP5214器件的光电隔离技术进行强弱电的隔离，这样就较好地提高了电路的防干扰能力。（3）温度检测电路设计。在温度检测电路设计中，笔者选择了美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器，这一传感器具有SPI单总线接口、温度有效测量范围较广且精度较高、连接较为简便等优点，而为了避免影响这一设计的温度检测精度，笔者选择了屏蔽双绞线完成这一设计。（4）湿度检测电路设计。在本文研究的110kV高压隔离开关智能控制器的湿度检测电路设计中，笔者选择了AM2301数字温湿度传感器完成这一设计，这一设计避免了该传感器4号引脚在使用中的悬空，这样就能较好避免这一设计出现不稳定问题，保证该部分设计较好满足隔离开关智能控制器需求。（5）角度测量设计。在角度测量的设计中，笔者选择了AD公司生产的AD2S90旋转变压器完成这一设计，这一变压器具有抗震性好、耐腐蚀、工作温度范围宽等优点，这些优点使其能在高温、严寒、潮湿、高震等环境中较好的完成自身工作。为保证这一设计更好地完成，采用了星形连接电路。（6）电机过流保护设计。在电机过流保护设计中，这一环节的设计主要为了避免电机故障的出现，而为了满足这一需求，选用了TA25P-100A传感器完成电机过流保护的设计，而在这一设计中，通过可调电阻与电容进行了相移的补偿。（7）通信模块设计。在通信模块的设计中，笔者选择了光纤传输形式，这本身与我国政府提出的智能电网和数字化变电站建设要求相符，输误码率极低、传输速度快、价格低廉、能量损耗小、信息保密性好、利于施工等方面是这一光纤传输的优点所在。为了尽可能发挥光线的优势，选择了一对一串口光纤通信方式与总线式串口光纤多机通信方式两种通信模块设计。

3 软件设计

在完成本文研究110kV高压隔离开关智能控制器的硬件设计后，我们还需要完成这一隔离开关智能控制器的软件设计，在这一设计中笔者采用了C语言在MDK环境下开发ARM控制器程序，并采用VHDL语言在QuartusII9.0环境下完成了CPLD程序的设计。

（1）开发工具选择。在本文进行的110kV高压隔离开关智能控制器的软件开发中，笔者主要采用了RealViewMDK与QuartusII9.0作为软件开发的环境，二者能够较好支持ARM控制器程序与CPLD程序的设计。（2）控制器主程序设计。在控制器主程序设计中，为了更清楚地描述这一控制器主程序设计，笔者以SCM（开关控制）模块的动作为例，对于SCM（开关控制）模块来说，其本身在需要合闸时，需要得到高压开关柜的隔离开关命令信号的支持，而在这信号的支持下刹车回路导通将回路中的电枢电流泄放消耗，这样才能够顺利实现合闸过程。而在STM32程序的设计中，笔者为其设计了3种不同的启动模式和启动配置，从内置的闪存存储器启动等都属于这一配置，而这些启动配置通过修改BOOT0的值就能够轻松实现；而在CPLD程序的设计中，首先建立了一个工程文件，增加了VHDL文本，并在完成程序设计后进行了时序仿真和功能仿真，仿真能够较好显示电路的功能特性，通过这一设计形式笔者保证了该设计较好的满足了设计需求。值得注意的是，这一设计中8路开入量模块化是这一设计的核心，而这一设计方式也使得CPLD程序的设计更容易完成调试与仿真。对于CPLD与STM32程序来说，我们还需要完成二者的通信口设计才能够较好满足110kV高压隔离开关智能控制器的软件需求，在这一设计中设计了div_par值为0x145，波特率为9600，并将其划分为8个时隙以使通信同步。（3）各数据采集模块软件程序设计。在温度采集和显示环节的软件程序设计中，我们需要分别为其ROM设计温度值低位、温度值高位、高温限值、低温限值、配置寄存器、保留位、CRC校验值等内容的字节地址设置，这样才能较好保证这一程序设计满足隔离开关智能控制器的需求；而在湿度采集及通信程序的设计中，由于本文采用的AM2301数字温湿度传感器已经完成了校准，所以准备了计算湿度高位+湿度低位+温度高位+温度低位的和，以此求得完整湿度的设计，这一设计能够在获取具体湿度信息后将信息传送到显示模块，这样就较好满足了本文研究的需求；而在隔离开关转角实时监控的编程中，笔者将其内部带宽设置为1kHz，并赋予了其12位的分辨率，跟踪速率则为375rps，最高读取速度则设为144kbit/s；而在电机过流保护的软件程序设计中，确定合适的反时限参数是这一设计的关键点所在，为了较好完成这一环节的设计，笔者在这一电机的电路中加入了5I的空气开关，而当这一控制器没有检测到过电流时，意味着电机堵转的发生，这时空气开关将在程序的控制下自动跳闸，这就将较好地实现了电机的保护。

4 调试

在基于本文研究的110kV高压隔离开关智能控制器硬件与软件设计中，还对这一设计进行了调试，在调试中完成了通讯格式设置、报文格式设置、有效数据长度设置等方面的调试，并将能够工作的保护台加入了配置表中。由于本文研究的开关由3个单级组成，所以还对其进行了不带负载角度调试、带负载调试、三极联动调整、隔离开关电气回路调试、温湿度传感器的测试，结合这一系列调试，就能够保证本文研究的110kV高压隔离开关智能控制器设计具备较高的实用性。

5 结语

在本文就110kV高压隔离开关智能控制器的设计与开发展开的研究中，详细论述了这一110kV高压隔离开关智能控制器的总体设计方案、硬件设计、软件设计、调试等内容，而结合这一系列内容我们能够发现，本文的研究较好实现了这一智能控制器的运行控制、状态采集、故障检测、信息通信等功能。

[1]李中政. 110kV高压隔离开关智能控制器的设计与开发[D].西安工程大学，2011.

[2]黄磊. 智能变电站智能开关设备控制器的研究与实现[D]. 南京理工大学，2013.

[3]董青青，李快社. 110kV高压隔离开关智能控制器研究[J]. 自动化与仪器仪表，2016,09:67～68+71.

TM564.1

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1671-0711（2017）04（上）-0175-02