基于MC9S08AW32芯片的開關(guān)柜智能測控裝置設計及應用

葛銀紅1　方嚴2　張曉忠2

（1蘇州市市政工程設計院，蘇州 ； 2上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

    摘 要：電力系統(tǒng)中高壓開關(guān)柜的一次開關(guān)設備工作狀態(tài)、溫濕度控制、高壓帶電指示等功能一般是由信號燈和獨立的電氣元件實現(xiàn)的，這勢必會帶來集成度低、配線復雜、可靠性差的缺點。本文介紹了一種開關(guān)柜智能測控裝置，適用于3～35kV戶內(nèi)高壓開關(guān)柜，用于一次開關(guān)設備狀態(tài)模擬顯示、高壓帶電指示、防凝露溫濕度控制、電參數(shù)測量等，大大提高了開關(guān)柜操控和測顯的集成度和智能化程度。 

    0　 引言

    開關(guān)柜一般有斷路器（負荷開關(guān)）、隔離刀閘、接地刀閘等一次開關(guān)設備。在運行或調(diào)試中，監(jiān)測這些一次開關(guān)設備狀態(tài)是至關(guān)重要的。在傳統(tǒng)的開關(guān)柜上，一般使用信號燈來指示這些狀態(tài)的，這樣做顯示不直觀，且接線不方便。開關(guān)柜智能測控裝置將一次設備狀態(tài)顯示與開關(guān)柜的一次方案圖相結(jié)合，LED顯示器件置于一次方案圖中設備符號所處位置，電路狀態(tài)一目了然，生動直觀，如圖1所示。

圖1　ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置產(chǎn)品示意圖

    同時集成的高壓帶電顯示、自動溫濕度控制、電參數(shù)測量功能使開關(guān)柜盤面簡潔大方，降低二次接線工作量。

    1　 硬件設計方法

    1.1 設計平臺

    中央處理器采用Freescale公司的第一款基于高度節(jié)能型S08核的器件MC9S08AW32高性能單片機，該單片機片上資源豐富，支持BDM片上調(diào)試功能，片內(nèi)集成看門狗電路，抗干擾能力突出，具有業(yè)內(nèi)最佳的EMC性能。CPU總線頻率最高可達20MHz，最高運行速率可達40MHz。豐富的片上資源：32KB在線可編程FLASH存儲器，內(nèi)部時鐘發(fā)生器，帶有2個可編程定時器，豐富的I/O口：雙SCI口，SPI、I2C等接口，極大的方便了硬件的擴展。

    電能計量芯片采用美國ADI公司的高精確度三相電能測量芯片ADE7758。該芯片的測量精度高，功能強大。該IC內(nèi)嵌高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和固定模式的數(shù)字處理信號處理器( DSP)，具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波、實用電能監(jiān)測、計量功能。芯片帶有一個SPI串行口、有功電能脈沖輸出、無功電能脈沖輸出，可用于各種三相系統(tǒng)中有功功率、無功功率、電能、電壓電流有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差所必須的信號處理電路。

    ADE7758為各相提供系統(tǒng)校準功能，包括有效值偏移校準、相位校準、功率校準。

    1.2 設計框圖

    裝置硬件電路設計框圖如下，整個系統(tǒng)以MC9S08AW32為核心，按功能可劃分為中央處理單元、電源模塊、電壓電流采樣及運算、開關(guān)量控制模塊、溫濕度采集模塊、人機交互模塊、通訊模塊等。

圖2　硬件電路設計框圖

    1.3 部分電路

    1.3.1 中央處理單元

    中央處理單元電路圖如圖3所示，CPU對采樣信號進行處理計算，根據(jù)測量得到的電流、電壓、溫濕度值與預先設定的各種保護數(shù)值進行對比，由此來判斷開關(guān)柜的電壓電流是否正常、溫濕度狀況是否正常，若不正常則輸出相應的告警信息。外部擴展了鐵電存儲器，用于存儲一些重要的參數(shù)，即使以后升級程序也不會丟失先前的重要數(shù)據(jù)。

圖3　中央處理單元電路圖

    1.3.2 開關(guān)量控制模塊

    開關(guān)量控制模塊包括開關(guān)量輸入和告警輸出，其電路圖如圖4所示。開關(guān)量輸入經(jīng)光電耦合接入CPU；告警由GPIO口經(jīng)光電耦合器連接到繼電器輸出。開關(guān)量輸入設有8路，依次對應一次圖中的斷路器合、斷路器分、手車工作位置、手車試驗位置、接地刀位置以及彈簧儲能指示，其余預留。開關(guān)量輸入對應一次圖可編程設置。開關(guān)量輸出設有6路，依次輸出加熱器1、加熱器2、風扇、告警、照明、閉鎖的狀態(tài)。

圖4　開關(guān)量控制模塊電路圖

    1.3.3 人機交互單元

    本裝置高端產(chǎn)品的人機交互界面采用LCD液晶顯示模塊。LCD采用128*128點陣顯示，初始界面為電參量顯示界面，通過按鍵輸入進入菜單設置界面，菜單選項均采用中文顯示界面，使得操作直觀易懂。通過菜單選項可以設置諸如接線方式、電壓變比、電流變比、告警定值、通信地址波特率等參數(shù)。低端產(chǎn)品則采用雙排四位LED數(shù)碼管顯示來溫濕度信息及各種可編程信息。用戶可根據(jù)實際需要進行設置各種告警定值參數(shù)、通信地址波特率等。

    1.4 評述

    本裝置采用的電源模塊為開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC90～285V或DC100～300V，輸入頻率45～60Hz，輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波＜1％，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。

    溫濕度傳感器采用SHT10，該系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，具有超快響應、抗干擾能力強等優(yōu)點，提供全標定的數(shù)字輸出。CPU與SHT10采用串行接口，在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理。

    高壓帶電顯示模塊由高壓帶電傳感器輸入電信號，由此判斷此高壓柜是否帶電。由于母線電壓較高，所以高壓帶電顯示電路采用了各種過壓保護、隔離保護器件來確保裝置內(nèi)部電路的正常工作。

    此外，本裝置還集成有操控功能、人體感應功能、語音防誤提示功能等。

    2　 軟件設計流程

    系統(tǒng)軟件設計包括主程序、通訊模塊2個部分。

    主程序完成上電或復位初始化，電能芯片初始化，其他外設初始化，溫濕度測量，讀取電參數(shù)，電量計算，狀態(tài)顯示及報警處理，LCD顯示刷新及按鍵處理等功能，程序設計流程如圖5。

    CPU初始化主要指對CPU的特殊狀態(tài)寄存器SFR進行配置，設置I/O口的輸入輸出狀態(tài)及初始狀態(tài)，讀取鐵電寄存器數(shù)據(jù)等；電能芯片初始化主要指對ADE7758功能寄存器的配置；主程序其余部分則是對各項功能的完成，只有合理安排程序流程來完成這些功能，裝置才能可靠工作。

    通訊模塊以中斷方式實現(xiàn)，主要完成接收數(shù)據(jù)，協(xié)議處理等功能。通訊協(xié)議采用標準MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機的通訊，與其他網(wǎng)絡儀表組網(wǎng)使用，實現(xiàn)對開關(guān)柜狀態(tài)的實時監(jiān)測。

圖5　程序設計流程圖

    3　 實現(xiàn)的技術(shù)指標及性能

    ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置的技術(shù)指標見表1。產(chǎn)品設計時采用優(yōu)異的電磁干擾PCB設計技術(shù)，生產(chǎn)時經(jīng)過整機帶電老化與出廠檢驗測試，確保了產(chǎn)品的長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。

    表1　ASD裝置技術(shù)指標

    4　 應用案例

圖5　典型應用接線圖

    在某水泥廠高壓開關(guān)柜設計中，全部采用了ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置。應用方案見圖5。圖中信號指示回路通過開關(guān)量輸入采集來實現(xiàn)一次原理圖指示；帶電顯示回路通過高壓傳感器輸入來指示母線是否帶電；溫濕度控制回路通過溫濕度傳感器輸入來實現(xiàn)溫濕度控制。并帶有Modbus通訊輸出, 供用戶遠程監(jiān)測和控制。一改以往每個開關(guān)柜需配備不同廠家的多種產(chǎn)品，既減少了工程量節(jié)約了成本，又提高了系統(tǒng)的可靠性。投入試用的開關(guān)柜智能測控裝置以其良好的穩(wěn)定性和可靠性能保證了對開關(guān)柜內(nèi)的一次設備的保護，并且保證了對于電壓、電流、功率等參數(shù)的準確測量和對電能的準確計量，同時方便了用戶對開關(guān)柜的實時監(jiān)控。

    5　 結(jié)語

    開關(guān)柜智能測控裝置針對電力開關(guān)柜的控制要求設計，適用于中置柜、手車柜、固定柜、環(huán)網(wǎng)柜等多種開關(guān)柜。該產(chǎn)品已經(jīng)系列化，集操作、顯示于一體，滿足多種客戶的需求，具有功能齊全、運行可靠、抗干擾性能優(yōu)越等特點，應用前景十分廣闊。

    【參考文獻】

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    [4] 孫興麗，劉曙光. 一種開關(guān)柜智能操控裝置的設計與實現(xiàn)[J]. 高壓電器，2009.

    作者簡介

    方嚴 （1982-），男，助理工程師，研究方向為電力電子與應用

    張曉忠（1983-），男，助理工程師，現(xiàn)從事儀表類產(chǎn)品的研發(fā)工作。 <