基于MC9S08AW32芯片的開關柜智能測控裝置設計及應用

0 引言

開關柜一般有斷路器（負荷開關）、隔離刀閘、接地刀閘等一次開關設備。在運行或調試中，監(jiān)測這些一次開關設備狀態(tài)是至關重要的。在傳統(tǒng)的開關柜上，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。開關柜智能測控裝置將一次設備狀態(tài)顯示與開關柜的一次方案圖相結合，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。

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片上調試功能，片內集成看門狗電路，抗干擾能力突出，具有業(yè)內最佳的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。

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、開關量控制模塊、溫濕度采集模塊、人機交互模塊、通訊模塊等。

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)。

1.3.2 開關量控制模塊

開關量控制模塊包括開關量輸入和告警輸出，其電路圖如圖4所示。開關量輸入經(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。開關量輸入對應一次圖可編程設置。開關量輸出設有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)。

3 實現(xiàn)的技術指標及性能

ASD系列開關柜智能測控裝置的技術指標見表1。產(chǎn)品設計時采用優(yōu)異的電磁干擾PCB設計技術，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裝置技術指標

技術參數(shù)		指標
輸入	網(wǎng)絡	三相三線、三線四線
	頻率	45～60 Hz
	電壓 /電流	額定值：AC 100V/5A
		過負荷：1.2倍額定值（持續(xù)）；2倍額定值持續(xù)1秒
		功耗：電壓回路小于 0.5VA；電流回路小于1VA
輸出	電能	輸出方式：集電極開路的光耦脈沖
		脈沖常數(shù)：32000imp/kWh
	通訊	RS485接口，MODBUS-RTU協(xié)議
精度	電參量	頻率0.05Hz、無功電能1級，其余0.5級
	溫濕度	溫度：±1℃；濕度：±4%
開關量輸入		8路干接點輸入，內置+12V電源
開關量輸出		輸出方式：6路繼電器輸出
		觸點容量：AC250V/5A
電源		AC90-285V，DC100-300，功耗≤8VA
安全性		工頻耐壓：AC2kV/1min；絕緣電阻：＞100MΩ
電磁兼容性 兼容		靜電測試：3級；脈沖群測試：4級；浪涌測試：4級
環(huán)境		工作溫度：-10～55℃；存儲溫度-20～70℃；相對濕度：5%～95%不結露；海拔高度：小于2500米

 

 

4 應用案例

 

在某水泥廠高壓開關柜設計中，全部采用了ASD系列開關柜智能測控裝置。應用方案見圖6。圖中信號指示回路通過開關量輸入采集來實現(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柜內的一次設備的保護，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柜的實時監(jiān)控。

 

 

5 結語

開關柜智能測控裝置針對電力開關柜的控制要求設計，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：

[1] 任致程，周中. 電力電測數(shù)字儀表原理與應用指南[M].北京:中國電力出版社，2007.

[2] 王威. 嵌入式微控制器S08AW原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[3] ADE7758數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].Analog Devices，2006.

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

 

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