基于STM32的高压开关柜带电告警及闭锁系统

张 震，陈冠彪，樊 荣，辛永生，张 莹

（国网淮南供电公司，安徽 淮南 232007）

0 引言

高压开关柜是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用的电气产品。高压开关柜是全封闭设备，检修人员无法观察停电设备的断开点。目前变电站常用的开关柜主要有移开式和固定式。移开式开关柜柜内的主要电器元件（如断路器）是安装在可抽出手车上的，由于手车柜有很好的互换性，可以大大提高供电的可靠性。常用的手车类型有隔离手车、断路器手车、压变手车等，主要型号为KYN28A-12、KYN64-40.5等。固定式开关柜柜内所有的电器元件均为固定式安装的，固定式开关柜较为简单经济，主要型号有XGN2-10、XGN-40.5等。无论哪种形式的开关柜，运维检修人员无法直接观察停电设备状态，给运维检修工作带来一定的风险。近年来电力系统发生多起高压开关柜人身伤亡事故，其原因主要是作业人员对柜内带电情况不清楚误入带电间隔。

高压开关柜的带电显示闭锁功能是保证电力设备和系统安全运行、确保设备和人身安全、防止误操作的重要技术措施。传统的开关柜带电显示主要采用氖灯指示高压是否带电。闭锁主要采用微机五防锁和电磁锁实现。氖灯容易损坏，为延长氖灯寿命需要设置直键开关，但存在不能全过程带电监测的弊端，同时氖灯对工作人员的警示不够直观醒目；五防锁和电磁锁存在人为解锁的可能，在作业人员强行打开时，无法对柜门锁进行有效监控。

因此亟需提供一种新型的高压开关柜感知闭锁系统及其控制方法来解决上述问题。本文提出基于ARM微控制器STM32F，并结合高压传感器、LED显示屏、语音报警模块、柜门锁等搭建高压开关柜带电告警及闭锁系统。经过现场测试，该系统工作稳定可靠，能够实现高压带电告警及闭锁功能，具有良好的适应性和广阔的应用前景。

1 系统总体结构

1.1 总体功能设计

高压开关柜带电告警及闭锁装置 （下文称监控从机）由ARM微控制器STM32F103、高压传感器、电压信号采集电路、LED显示单元接口电路、柜门锁侦测及控制电路、语音提示电路、报警电路、电源电路、数据存储等电路组成［1］。监控主机选用带wince系统的工控机，可以实现对若干台监控从机的管理，主从机之间采用433M通信，从机通过拨码开关确定通信地址。主机与云服务器通过GPRS通信，实现信息远传。本文主要针对监控从机和主机，对系统软硬件进行设计分析。

STM32F103作为系统的核心，协调具体的信息采集、处理、存储、输出控制。高压传感器采集高压母线或高压线路的带电信息，经电压信号处理回路输入微控制器STM32F103。微控制器判断带电则驱动LED显示模块显示带电信息、给柜门锁输出闭锁信号，此时人员进入检测区域，则驱动语音模块发出语音提醒信息。若微控制器判断无电，此时工作人员输入正确的开锁口令或按下柜门开锁按钮，则输出开锁信号，开启柜门锁。当处理器判断高压带电而此时侦测到柜门锁在开锁状态时，微处理器通过控制声光报警器发出报警。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计框图

1.2 高压传感器检测原理

高压传感器主要有感应式和电容式［2］。电容式传感器采用支柱绝缘子式结构，支柱绝缘子由环氧树脂及填充剂加热后浇筑而成，内部埋设高压功能陶瓷制成的芯棒式电容，棒式电容的一端经上法兰与高压连接，另一端与传感器二次输出端连接。电容式传感器可作为隔离开关、接地开关、母线、出线等设备的支柱绝缘子使用，具有电气绝缘性能好、电容量大、强度高、局部放电量小等特点，在35 kV及以下电压等级中应用广泛。高压开关柜内高压母线和线路传感器均分相安装，单相的原理图和等效电路图如图2所示［3］。图2中，C1为绝缘子空气隙的电容，C2为与空气隙串联的绝缘子介质电容，C3为芯棒式电容，Z 为二次等效输入阻抗。 因 C3＞＞C2＞＞C1，仅以 C3作为传感器的等效电容计算。 当 Z＜＜1／（ωC3）时，传感器可近似认为交流恒流源

式中：I为传感器输出电流有效值；f为频率，工频取50 Hz；U为相电压有效值，对于10 kV系统，U取5.77 kV；C3取200 pF，代入上式得出传感器输出电流约 0．362 mA。

图2 高压传感器原理及等效电路

2 系统硬件设计

由系统组成可知，系统包含了较多的硬件单元，本文重点介绍电源电路、微控制器、电压信号采集电路、柜门锁侦测与控制电路、433 M通信电路、监控主机等核心单元。

2.1 电源电路

对于监控从机，微控制器、433 M通信等模块工作电压3.3 V，柜门锁和驱动继电器电压为12V，光耦、LED显示屏等其他模块电压为5 V，因此需要设计合理有效的电路为系统供电。系统采用220 V／12 V开关电源，本文选取的型号为S-60-12的模块，将220 V市电转换为12 V直流电，12 V直流电首先经自恢复保险丝及TVS，然后通过ASM1117模块将12 V电压依次降压为5 V和3.3 V。其中保险丝采用SMD1812P200TF，起过电压保护作用，TVS具有吸收瞬时大脉冲功率的作用，并把电位钳制在预定水平。在各等级电源输出端并联一个较大的电解电容，起低频滤波的作用，同时在每个芯片的电源引脚上并联一个0.1 uF的电容，作为去耦电容，滤除高频信号。

2.2 微控制器

STM32是易法半导体一款面向工业控制的低功耗内核为Cortex M3内核的ARM芯片，由于其较高的性价比、功能完善等多方面优势得到广泛的应用［3］。本文中STM32微控制器采用 STM32F103RCT6，其主频为72 MHz，内置高达256 KB的闪存存储器和64 KB的静态SRAM。并具备丰富的外设资源，主要包括 ADC、RTC、I2C、UART、SPI等接口［4］。 图 3 为高压开关柜带电告警及闭锁的微控制器电路。

图3 微控制器电路

2.3 电压信号采集电路

通过高压传感器检测原理可知，其输出的电流较小，额定电压下达不到1 mA，难以驱动光耦［5］。本文设计一种电压信号采集电路，高压线路A相通道如图4所示。电压信号首先通过整流芯片U1，转换成直流信号，然后经过限流电阻R2驱动三极管Q1导通。此时，VDD5V电压经过光耦U2，限流电阻R4、发光二极管D1、三极管Q1构成回路，点亮发光二极管D1，同时经光耦U2隔离后输出信号至微控制器。三极管Q1采用8050，电流可放大100倍，在10%额定电压下足以导通光耦。信号采集电路中电源采用隔离型电源模块提供的VDD5V电压，将模拟电路与数字电路电源分开，模拟地和数字地完全独立，消除公共阻抗耦合，文中隔离电源模块型号为B0505S-1WR2，具备1 500 V电压隔离，抗干扰能力强，安全可靠性高。光耦器件选用TLP281，起到隔离微控制器与高压传感器输入信号的作用，使各模块间相对独立，防止干扰通过地线或电源线窜入单片机系统。

当高压线路A相带电时，光耦U2导通，IN_1A端口上电压变为3.3 V，当高压线路A相不带电时，光耦U2不能导通，IN_1A端口上电压变为0 V。STM32微处理器的PC0端口上的电压随之改变，并经过A／D转换判断出高压带电信息。其他相别原理与此相同。

图4 电压信号采集电路

2.4 柜门锁控制与侦测电路

高压开关柜正常运行情况下，柜内高压设备带电，需要将柜门可靠闭锁。出于安全性考虑，柜门锁采用KOB公司型号为DJS02的智能电机锁。该锁具有自动检锁状态功能、开关灵敏度高，安全可靠的优点，锁舌长度大于20 mm，符合GA/T 73—1994标准。当误开锁或开锁后未打开柜门，在智能电机锁感应磁铁和磁感应开关作用下，5~8 s内自动上锁，同时具备电源反接保护、电机短路保护、霍尔元件故障后报警功能。柜门锁电源（12 V、GND）接通后即可感应上锁，另外通过监控从机给锁控制端L＋、L－通12 V电压可实现开锁。该锁还带有信号反馈功能，柜门关闭上锁后，锁无源接点COM、NO闭合，柜门打开后该接点打开。该柜门锁有手动紧急解锁功能，在掉电情况下能手动上锁或者解锁。

由该锁的接口特性可知，采用继电器控制电源的通断即可实现开锁，通过锁无源接点开闭情况检测锁状态。柜门锁控制电路如图5所示，侦测电路如图6所示。

控制电路中采用HF46-12-HS1四脚继电器作为锁功率驱动元件，将继电器的输出接点串入DJS02型电机锁的开锁回路中，并将电机锁的L+端子接12 V电源。 当STM32的PA6（LOCK1_OUT）输出高电平时，三极管Q2导通，继电器K1励磁，常开触点3、4闭合，L1与NO1闭合，电机锁开锁回路接通解锁；当PA6输出低电平时，开锁回路不能导通。图5中，三极管由导通变为截止时继电器线圈产生的较大的反向感应电动势，续流二极管D7为其提供放电通道，防止损坏三极管。

侦测电路中采用5V电压，为了匹配STM32电平，采用电阻分压得到3.3 V。电机锁接口NO、COM分别接L1_NC和地，上锁后，接点闭合，L1_NC接地，电路端口LOCK1_IN输出低电平至STM32。开锁后，接点打开，输出高电平至STM32的PA5。图6中0.01 μF电容起到滤除高次谐波作用。

图5 柜门锁控制电路

图6 柜门锁状态侦测电路

2.5 433 M通信电路

图7 433M通信电路

监控从机与监控主机采用433 M无线通信，该无线通信方式安全可靠、穿透能力强，室内通信传输距离可达100 m［6］。从机433 M通信电路图如图7所示，监控从机433 M模块采用广州汇承信息科技有限公司的HC12模块，该模块的工作电压为3.1~6 V，可以与STM32的串口直连，图中与STM32的异步串行接口UART3连接。监控主机上也配置HC12模块，实现与各从机的信息交互。主从机的HC11模块均工作在FU3模式下，不考虑功耗。双方模块工作在接收状态，当需要发射数据时，会使用自身已设置好的信道和地址将数据发射完毕后转入接收模式。

主从机之间采用一主多从的通信方法。主机发送串口数据时，在数据前加一个从机编号的字。从机收到串口数据后，判断数据第一个字节是不是自己的编号，是则相应并回复主机，不是则不动作。

3 软件设计

软件设计包含从机和主机两部分。从机监控高压带电信息、监控电控锁开关状态、完成靠近检测及声光报警等功能，与主机进行433 M无线通信，上报从机状态及告警信息。主机接收来自从机的信息，实时显示并记录所有从机状态和告警事件，完成高压开关柜带电告警及闭锁功能的综合监控。

3.1 从机软件设计

从机系统软件在IAR平台上开发调试，IAR Embedded Workbench是一套用于编译和调试嵌入式系统应用程序的开发工具，支持汇编、C和C++语言并提供完整的集成开发环境，包括工程管理器、编辑器、编译链接工具和C-SPY调试器。监控从机的主程序流程如图8所示。

图8 从机软件流程

程序通过JLINKV8仿真器在SWD模式下调试，下载速度可以达到10 Mbit／s并保证高可靠性。

3.2 主机软件设计

主机采用深圳扬创公司的YC-ES70T-W WINCE工业平板电脑，该主机是以TI工业级 Cortex A8 800M/1G主频 ARM嵌入式CPU、512MB DDR3 SDRAM、基于Windows CE6.0 R3操作系统的高性能嵌入式人机界面，配备7英寸高亮度TFT真彩液晶屏，四线电阻式触摸屏，并提供丰富的接口。其中主机的RS232标准串行通信接口通过芯片MAX3232转换信号电平，再经过HC12模块实现串口数据到无线数据的双向透明传输，进而实现与各从机的433M无线通信。

采用基于Microsoft Visual Studio2005平台的C++编程语言开发主机监控软件。使用ActiveSync连通开发机与WINCE主机，并进行程序的调试和下载。主机监控软件具有显示各开关柜从机状态、母线仓/出线仓柜门锁状态、柜内母线/出线带电状态，可以在主机软件上设置从机数量和地址的功能，并且具有保存各从机历史告警信息的功能。主界面如图9～11所示。

图10 监控主机程序参数设置

图11 监控主机程序告警查询界面

3.3 通信程序设计

主机轮流发送询问数据包至各从机，数据包内包含从机地址。各从机处于接收状态，主机发送完数据后，立即转换为接收状态，各从机同时接收到主机发来的数据，分析数据包中地址是否与自己地址相同，若不同，则不予应答，仍处于接收状态，若相同，则从机发出应答数据包，在应答数据包中，同样包含从机地址。主机收到应答后，根据地址信息知道这是那个从机发来的数据，完成与该从机的信息交互后，再询问其他地址的从机，从机则一一应答。若主机超时未收到从机的反馈信息，则判断该从机离线［7］。

当监控从机STM32监测到有高压带电事件、柜门锁打开和关闭事件、柜门锁开锁请求事件、人体靠近告警事件等各类告警信息时，将告警信息通过串口传给HC11模块，HC11模将信息通过天线发出。监控主机的HC11模块收到无线消息，还原成串口数据传送给主机系统，并在主机的软件上显示。监控从机的通信流程如图12所示。

图12 监控从机通信流程

4 系统测试

选取额定电压为10 kV的DXN3电容式高压传感器，型号 CG3－10Q／105×140，使用型号为 TQSB－5／50的高压试验变压器在传感器一次侧加压，检测传感器输出特性、监控从机功能完整性以及监控主机的软件运行情况。

4.1 感知带电功能校验

对监控从机的各通道分别试验，从高压传感器一次侧加压，从0 V逐步升压至线电压10 kV。当高压传感器一次侧不加电压时，监控上带电指示LED不亮，MCU检测不到带电信号，电压加至500 V时带电指示LED灯亮，MCU检测到带电信号，从机完全能够满足国家标准高压带电显示装置带电显示阈值要求［8］。高压传感器一次电压逐步加至10 kV，感知带电功能均正常［8］。

4.2 感知带电联动功能校验

柜门关闭后，智能锁通过自身的磁感应开关自动闭锁，高压传感器一次侧加500 V电压，监控从机感知带电后，给柜门智能锁输出闭锁信号，智能锁保持闭锁状态，按下开锁按钮不能开锁；驱动LED显示屏显示醒目的高压带电信息；人员进入开关柜设定区域内，则驱动语音模块发出语音提示；智能锁被非法打开，MCU侦测到开锁状态，则驱动声光报警器发出声光报警。

高压传感器一次侧不加电压压，按下开锁按钮，智能锁打开；LED屏不显示带电信息。

4.3 监控主机测试

监控主机主界面能显示全部从机状态、智能锁状态等，并能实时显示前述试验的告警信息，从机与主机传输时间小于1 s；主机的历史告警选项可以方便查询历史告警信息。

5 结语

以STM32为主控制器开发高压开关柜带电告警及闭锁系统，并基于433 M通信技术实现监控主机对高压开关柜柜门锁的在线监控。经过现场测试，各功能完整，稳定可靠，可以有效避免工作人员误入带电间隔，减少开关柜事故的发生，提高变电站安全管理水平，具有实用价值。下一步着重研究云服务以及手机APP的关联应用，进一步提高该系统的智能化、网络化。

［1］孙振权，顾红伟，李彦明，等.高压带电显示及闭锁装置现状及发展前景［J］.高压电器，2009，45（4）：115-117，132.

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［7］王平，王峰，严冬.433 MHz物联网开发平台的设计与开发［J］.单片机与嵌入式系统应用，2012，12（7）：16-19.

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