开关柜智能操控装置设计

李文静

(重庆水利电力职业技术学院 电气工程系， 重庆 永川 402160)

近年来，一些高科技领域如计算机、自动化、传感技术等的蓬勃发展及其在电力行业的成功应用，使得开关柜智能操控装置的开发及应用成为可能。国外对智能化开关柜监测装置的开发较早而且也有较好的产品，而我国在这方面起步较晚，目前大多还停留在对电器本身的智能化，而关于开关柜柜体综合智能化方面做得比较少。

目前，高压开关柜的高压带电指示、智能化操控、温湿度控制、防误操作等都是由几个独立的装置实现的。柜体上安装不同厂家的多个元件，势必会带来配线复杂、集成度低等的问题，影响开关柜智能操控的功能[1-2]。

本文在借鉴国内外同类产品的基础上，针对电力开关柜的控制要求，对开关柜智能操控装置进行设计分析。文章设计了开关柜智能操控装置的硬件总体结构、系统的主要功能模块。适用于中置柜、固定柜、环网柜等多种开关柜，能够很大程度地保障电气设备安全可靠运行。

1 开关柜智能操控装置的硬件总体设计

由于开关柜智能操控装置工作在高电压、大电流、强磁场的环境下，因此在硬件设计中应着重注意它的抗干扰性和可靠性。另外，根据硬件系统设计需采用集成度高、低功耗的元器件，以及模块化设计等的要求，本系统由集成了许多系统级功能的单片机完成对各个模块的控制。图1所示为系统原理框图，整机电路由信号采集、信号处理、显示、继电器控制输出等几大模块组成。

图1 开关柜智能操控装置原理框图

开关状态显示信号取自开关柜中一次元件的辅助触点，经光电隔离后送到单片机处理，单片机输出的信号驱动面板上的高亮显示条指示各开关设备和储能机构的运行状态，当手车未到位时会进行相应的语音提示；柜体环境温湿度信号由温湿度数字传感器来监测，经高速光耦隔离后送至单片机进行处理，数码管实时显示当前温湿度值，然后与预设阈值进行比较，以控制对应加热器及风扇的启停来调节柜内环境温湿度；加热回路故障的信号来自霍尔传感器，若出现加热回路断线、电流减小的情况，就通过语音“加热器断线，请检查”报警；人体感应提示是指在系统配置的人体红外传感器下，当人在柜前停留时，开启柜内照明，当机柜带电时会有语音提示[3]。

液晶显示是指显示当前的具体时间(年、月、日、星期、时、分、秒)、两路温湿度值及当前开关柜的具体工作状态，并可以通过功能按键在液晶屏上对系统进行设置，如延时设置、语音设置、时间设置、通讯设置、报警值设置、开关柜状态显示等。

后台监控计算机和柜体智能操控主机通过RS485/CAN总线进行通讯，一方面计算机可以实时查询、收集、存储、诊断各状态数据。另外，柜体智能操控主机响应监控计算机的指令，根据通讯协议返回相应的开关柜信息。

2 系统主要功能模块

2.1 主控电路

主控电路是智能操控装置的核心部分，具体任务是完成数据采集及处理、逻辑判断、故障巡检、开关量输入与输出控制及人机接口的串行通信等任务。开关柜智能操控装置以微处理器为核心，微处理器采用美国Cygnal公司的C8051F020芯片[4]，它是一种集成度很高的混合信号SOC型8位单片机，将大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统成本。

2.2 温湿度控制电路

高压开关柜内部结构复杂，绝缘体、带电体交错，测量开关柜内部温度时，应尽量避免对开关柜安全距离的影响，温度检测选用DS18B20作为温度传感器[5]。DS18B20传感器的温度检测与数据输出集成于一个芯片上，抗干扰力强。一个工作周期可分为数据处理和温度检测两部分。DS18B20需要接到单片机芯片一个I/O口上，由于单总线是开漏，所以需要外接4.7 kΩ的上拉电阻。

图2 风机控制电路

湿度传感器使用的是法国Humirel公司生产的湿敏电容HS1101[6]，其工作温度在-40～100 ℃之间，湿度范围在0～+100%RH之间，供电电压5 V，可靠性高，使用寿命长，每年湿度误差变化小于0.5%RH；容值由162 pF变到200 pF时，误差小于2%RH；响应时间小于5 s，反应迅速；温度的变化对HS1101测量湿度的影响极小，系数为0.04 pF/℃。

当环境温度大于高温值或者环境湿度大于湿度阈值时，启动排风。风机动作主要由继电器来控制，本文选用汇科公司HK4100F-DC5V-SHG型继电器。如图2所示，通过主控芯片的P6复用输出引脚经过触发器输出各种温湿度控制信号，当paifeng_con1输入为高电平时，三极管Q3导通，继电器的线圈得电，触点导通，风机工作。反之，继电器线圈断电，触点不导通，风机不工作；二极管D4在此起到继流的作用，给电感的反电动势电压提供电流通路，以保护三极管不被反向电压击穿。当启动排风装置时，通风指示灯亮。

2.3 红外人体感应电路

为保证工作人员的操作安全，本装置要求设计红外人体感应的功能。当人在柜前停留时，开启柜内照明，当机柜带电时，语音提示“高压带电，请注意安全”。在本设计中选择BISS0001芯片来完成此功能。BISS0001芯片配以热释电红外传感器和一些外接元器件构成红外人体感应电路，热释电红外传感器是由高热电系数材料、配以阻抗匹配用场效应管和滤光镜片组成的一种新型敏感元件[8]。原理是通过非接触的方式检测来自人体发出的红外线辐射，并将其转化成电信号，且可有效抑制外干扰辐射，如反射光、灯光和阳光等。热释电红外传感器D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。具体的设计电路如图3所示。

图3 红外人体感应电路

2.4 语音防误电路

2.4.1 语音控制部分

根据装置要求，每次语音播放较短，而且需要多段录音，故考虑选用语音ISD1700系列语音芯片。其特点包括：录放次数可达10万次，存储内容能够断电保留一百年。控制方式包括两种录音输入和两种放音输出，有多种工作状态提示。电压范围宽，音质好，应用灵活。工作电压DC 2.4～5.5 V，最高不能超过6 V；静态电流0.5～1 μA；工作电流20 mA[10]。用户可用震荡电阻来决定芯片的采样频率，从而决定芯片的录放时间。图4所示为利用该芯片进行设计的具体电路图。

图4 ISD1720语音控制电路

2.4.2 语音功放电路

图5所示为语音功放设计电路图。端口Bypass接一个电解电容连接至大地，用以滤除噪声。系统稳定后，其电压值大约为电源电压的1/2；输出端Vout通过耦合电容C35耦合+隔直。耦合音频交流信号，隔断直流电压，最后接到喇叭上进行播放音。

图5 语音功放电路

3 结 语

本文所设计的装置集成了一次回路模拟图显示，断路器状态、手车位置、接地刀状态、弹簧储能状态显示、高压带电指示、高压带电闭锁控制及语音防误、环境温湿度控制等功能集于一体，各个功能可以自由组合。另外，单片机还可实现开关柜内除湿加热控制、加热回路故障诊断以及开关柜中各元件状态信息的采集，并通过RS-485总线与后台监控计算机通信，实现由多台开关柜组成的电气一次系统的实时动态运行模拟与远程环境监控。

[参考文献]

[1] 孙兴丽,刘曙光.一种开关柜智能操控装置的设计与实现[J].高压电器,2009,45(1):76-80.

[2] 黄新波.变电设备在线监测与故障诊断[M].北京:中国电力出版社,2010.

[3] 黄彪.高压开关柜综合在线监测与故障诊断系统[D].西安:西安工程大学,2012.

[4] 应朝龙,王岩,刘军.基于C8051F020芯片的多功能计数器设计[J].微计算机信息,2009(23):76-77.

[5] 周丰群,张义民,何超.电气设备用温度凝露控制器的研制[J].电力自动化设备,2002(3):61-63.

[6] 林敏,于忠得,侯秉涛.HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其应用[J].仪表技术与传感器,2001(10):44-45.

[7] 高荣钊,黄叙辉,李平,等.基于多总线技术的多轴测控系统设计[J].陕西理工大学学报(自然科学版),2017,33(3):35-41.

[8] 陈文星,付继宗,魏建英.基于BISS0001信号放大电路的人体红外感应开关设计[J].电脑开发与应用,2013(3):66-68.

[9] 张玉叶,郗艳华.一种100 MHz数字频率计的设计与实现[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2016,32(4):11-16.

[10] 方寿贤.基于物联网的高压开关柜智能化设计[D].西安:西安工程大学,2013.