隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，高壓電氣設(shè)備數(shù)量逐漸增多，智能設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，設(shè)備的檢查、維修任務(wù)艱巨，并且維修費(fèi)用很高。因此，監(jiān)控高壓電氣設(shè)備及各類關(guān)鍵元件的實(shí)時(shí)狀態(tài)（如斷路器、接地開關(guān)、SF6氣體壓力等報(bào)警信號(hào)）非常必要，在監(jiān)控的同時(shí)，輸出防誤操作接點(diǎn)信號(hào)，從而對(duì)高壓電氣設(shè)備起到保護(hù)或控制的作用，這對(duì)確保電力設(shè)備正常運(yùn)行和人員安全具有重大意義。

目前有很多變電站采用定制回路的方式處理各類狀態(tài)報(bào)警信號(hào)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)每個(gè)變電站的要求，設(shè)計(jì)出由繼電器搭接的變電站專用回路，需求內(nèi)容多，設(shè)計(jì)統(tǒng)一性差，裝配工作量大，易出錯(cuò)，不利于后期檢修維護(hù)。所以亟須一種通用的報(bào)警裝置代替這種定制回路的設(shè)計(jì)方法，以便設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)。

當(dāng)前國內(nèi)外高壓開關(guān)報(bào)警裝置多為一體式，安裝在就地控制柜的柜門面板上，走線較多，占用空間較大，多路擴(kuò)展性不高。

根據(jù)當(dāng)前工程使用的實(shí)際情況，接入開關(guān)量信號(hào)數(shù)量較多，為方便擴(kuò)展多路信號(hào)輸入輸出，本文設(shè)計(jì)的高壓智能報(bào)警裝置為分體式，能夠監(jiān)控高壓電氣多種設(shè)備的正常狀態(tài)，使用戶簡(jiǎn)潔、直觀地觀測(cè)到各類設(shè)備的狀態(tài)報(bào)警信號(hào)，并將狀態(tài)報(bào)警信號(hào)傳送至主控室，通知用戶及時(shí)處理。

該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)方法，輸入輸出參量簡(jiǎn)單，接線方便，通用性高，擴(kuò)展性好，可靠性高，易于維護(hù)，安裝簡(jiǎn)單輕便，應(yīng)用范圍廣，可以有效避免電氣事故的發(fā)生。

1 技術(shù)原理

高壓智能報(bào)警裝置主要監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)設(shè)備無源接點(diǎn)的狀態(tài)，輸入信號(hào)是從高壓開關(guān)本體接入開關(guān)量信號(hào)（無源接點(diǎn)），包含SF6低氣壓報(bào)警信號(hào)、開關(guān)操作過流報(bào)警信號(hào)、電源失電報(bào)警信號(hào)等，經(jīng)過內(nèi)部電路和程序處理后，輸出一路或多路接點(diǎn)信號(hào)，以及報(bào)警燈、聲音指示。

分體式高壓開關(guān)智能報(bào)警裝置由2個(gè)部分構(gòu)成：主機(jī)控制模塊和顯示燈屏。主機(jī)控制模塊安裝在就地控制柜內(nèi)，顯示燈屏嵌入式安裝在就地控制柜門面板上，柜門正對(duì)部位為透明有機(jī)玻璃，便于巡檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)聲光報(bào)警并處理故障。高壓開關(guān)智能報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 智能報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)控制模塊

主機(jī)控制模塊主要由輸入調(diào)理電路、MCU主控電路、電源管理電路、基準(zhǔn)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、2個(gè)485通信電路、控制輸出電路組成。其中，485燈屏通信電路將控制命令發(fā)送給顯示燈屏，485后臺(tái)通信電路將狀態(tài)信息發(fā)送給后臺(tái)系統(tǒng)。主機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.2 顯示燈屏

顯示燈屏主要由MCU主控電路、顯示電路、聲音報(bào)警電路、復(fù)位電路、485通信電路、鍵盤電路等組成。鍵盤電路主要是測(cè)試鍵、消音鍵和確認(rèn)鍵，按鍵安裝在燈屏面板上，測(cè)試鍵用于燈屏自檢，消音鍵功能是當(dāng)工作人員聽到聲音報(bào)警時(shí)，查看報(bào)警位置，按消音鍵聲音報(bào)警停止，按確認(rèn)鍵排除故障。燈屏可根據(jù)不同程序設(shè)定多種顯示方式，顯示燈屏原理框圖如圖3所示。

圖3 顯示燈屏原理框圖

2.3 MCU主控電路

本設(shè)計(jì)選用的MCU是STM32F4系列芯片，這是以CortexTM-M4為內(nèi)核的32位高性能微控制器，集成了新的DSP和FPU指令，擁有168MHz的高速性能，具有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，數(shù)據(jù)傳輸速率非常快，提升了控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。

接口方式多，12位ADC，全雙工I2S，高速USART、SPI等，應(yīng)用范圍廣，多應(yīng)用于自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，相比其他主控芯片，更適用于對(duì)響應(yīng)速度要求較高的工程應(yīng)用環(huán)境。

STM32F4系列芯片和相關(guān)元器件構(gòu)成基本MCU主控電路，主要由晶振電路、去耦電路、調(diào)試接口電路等組成。MCU主控電路在主機(jī)控制模塊和顯示燈屏中均有使用，在主機(jī)控制模塊中用以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的監(jiān)測(cè)和輸出信號(hào)的控制，并提供備用輸入、輸出擴(kuò)展電路接口；在顯示燈屏中提供備用燈屏擴(kuò)展電路接口。

2.4 調(diào)理電路

接入信號(hào)為直流220V、110V，而STM32F4系列芯片只能處理0～5V的電壓信號(hào)，所以在送入信號(hào)之前將其處理成0～5V的電壓信號(hào)，由電阻構(gòu)成分壓器，經(jīng)過光耦隔離輸入，使MCU主控電路與外部電路實(shí)現(xiàn)完全隔離，保護(hù)芯片的I/O口。調(diào)理電路原理如圖4所示。

圖4 調(diào)理電路

2.5 控制輸出電路

控制輸出模塊是將STM32F4系列主控芯片輸出的電平信號(hào)，經(jīng)過處理后輸出一對(duì)無源接點(diǎn)。采用光耦隔離電路將主控芯片與輸出電路進(jìn)行隔離保護(hù)，控制輸出電路如圖5所示。

圖5 控制輸出電路

OUTB1高電平時(shí)，光耦的發(fā)光二極管未導(dǎo)通，晶體管Q10未導(dǎo)通，繼電器K1不動(dòng)作；OUTB1低電平時(shí)，光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通，晶體管Q10由截止變?yōu)閷?dǎo)通，繼電器動(dòng)作；在晶體管開關(guān)時(shí)，繼電器線圈會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，二極管D42起到續(xù)流保護(hù)的作用。

2.6 485通信電路設(shè)計(jì)

由于485通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、速度快和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，MCU主控電路和顯示燈屏、后臺(tái)系統(tǒng)之間選用485通信。485通信電路如圖6所示。

圖6 485通信電路

圖中，485A、485B用于連接485總線接口。DI是發(fā)送數(shù)據(jù)收入端，RO是接收輸出端，DE是發(fā)送使能信號(hào)（高電平有效），RE是接收使能信號(hào)（低電平有效）。使用485轉(zhuǎn)換芯片連接單片機(jī)芯片的串口端，實(shí)現(xiàn)通信功能。

3 軟件開發(fā)

3.1 主控程序

高壓智能報(bào)警裝置由兩部分構(gòu)成，所以軟件程序開發(fā)包括主控程序和燈屏顯示兩部分。

主控程序采用模塊化設(shè)計(jì)和循環(huán)掃描方式，主要完成系統(tǒng)設(shè)置、時(shí)鐘設(shè)置、串口設(shè)置等初始化任務(wù)。該部分程序主要實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)數(shù)據(jù)匯總和處理，和輸出接點(diǎn)控制程序等功能。初始化部分包括中央處理器各端口輸入輸出設(shè)置、定時(shí)器設(shè)置、監(jiān)控芯片的設(shè)置、特殊功能寄存器設(shè)置，以及485通信程序和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。

圖7 主控程序流程

3.2 終端顯示程序

該部分主要包括485通信程序和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能、數(shù)據(jù)解碼和LED顯示功能。

圖8 終端顯示程序流程

結(jié)論

本文敘述的以STM32F4系列芯片為主控制器的高壓開關(guān)用智能報(bào)警裝置，樣機(jī)經(jīng)過原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)制作、元件焊接、機(jī)箱設(shè)計(jì)制作、程序調(diào)試完成后，在試驗(yàn)室進(jìn)行了功能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)接入信號(hào)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能，功能完整，性能穩(wěn)定，高壓智能報(bào)警裝置實(shí)物如圖9所示。

該裝置同時(shí)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、體積小、實(shí)用性高、多路擴(kuò)展性能強(qiáng)、安裝方便等特點(diǎn)。能夠?qū)崟r(shí)有效地對(duì)各種異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)報(bào)警，為電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提供有力保障，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

圖9 高壓智能報(bào)警裝置實(shí)物