智能开关控制器（通用10篇）
智能开关控制器 篇1
0 引言
国家电网公司提出“2020年全面建成坚强的智能电网”的目标,智能电网建设将是我国电网未来几年发展的主要方向[1,2]。作为智能电网的重要环节,智能变电站已成为变电站自动化系统领域研究的热点。国家电网公司在江苏南京组织召开《智能变电站技术导则》(送审稿)评审会议。由国网电力科学研究院负责起草的《智能变电站技术导则》通过专家评审。这对智能变电站的相关技术研究提出了迫切的要求。
与现在正在进行的传统变电站的数字化改造相比,变电站的智能化有着不同的内涵。数字化变电站强调的是实现全站数字方式交换信息和互操作;智能化变电站更强调变电站一次和二次设备和全站系统功能的智能化,强调设备的在线监测、快速诊断和自动执行。从目前现状来看,要完成变电站的智能化,智能一次设备的研究是变电站智能化研究的关键所在。开关是变电站主要一次设备之一,其智能化的实现是智能变电站研究的重要内容[3,4,5,6],我们对开关智能化关键设备控制装置的实现进行了研究。
1 研究内容及其必要性
目前国内外还没有真正意义上的智能开关。国内目前进行的数字化变电站项目,开关的数字化实现大多是通过二次设备来转化实现,一般采用数字操作箱的模式。数字操作箱安装在变电站控制室智能控制柜内,通过电缆与开关连接,现场仍然有不小的接线工作量。采用上述方式实现的数字化变电站普遍没有对开关内部的二次回路进行集成化改造,智能数字操作箱与开关整合度较低。适用于智能化变电站的智能开关,其控制装置必须就地安装于开关汇控柜内。开关本体取消了开关内部二次回路,仅提供跳合闸接口、闭锁触点、开关辅助触点,由控制装置实现开关跳合闸闭锁、防止跳跃、强制跳闸、就地操作等功能。同时控制装置还必须承担开关大量数字量和模拟量测量的任务。面对不同的开关现场要求,要实时可靠地实现控制和监测的任务,设计一个能完成灵活配置的控制装置硬件平台是我们首先要解决的问题。
智能开关的过程层接入技术则是在数字化变电站过程层通信的基础上发展起来的。目前,过程总线采用以太网技术在业界已达成共识,部分采用IEC61850-9-1点对点方式传输采样值的试验(或示范)工程已得到了应用。然而,如果采用IEC61850-9-2方式,采样数据、控制命令、状态信息和诊断信息以总线方式在过程总线、甚至全变电站统一的通信网络上完全共享原理可行,优越性明显,工程实现有较大难度,例如以太网的CSMA/CD介质访问控制方法限制了其直接应用于强实时要求这类应用场合。因此,可以说智能变电站通信网络需要实现新的过程层功能,实时性要求和流量特性与传统系统相比发生了很大变化,这不是片面提高通信带宽可以解决的。因此,有必要对过程网络的实时性能进行专门研究,以判断其能否满足智能变电站的过程层功能的实施要求[7]。
传统开关是变电站控制和保护的执行机构,通过电缆的连接,利用模拟的开关量实现开关操作和简单的监测;实现数字化开关实现了基于数字通信的开关操作,其本身也是一个操作机构;配置了智能控制装置的智能开关,基于实时的数据监测和智能保护逻辑的实现,其不仅能够实现基于通信的开关操作,还能实现开关本体的控制逻辑和保护自动作,即智能变电站可以将部分保护功能下放到智能开关本身完成。开关就地保护简化了数字化变电站保护的动作流程,缩短了保护动作时间,实现开关就地保护功能是智能开关的一个主要特征。
开关作为电力系统中最重要的设备之一,肩负着控制和保护的双重任务,其性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。目前,对开关性能的检查主要是在停电状况下进行预防性检测,检查其机械和电气性能,但这种方法不能及时发现事故的异常状况,且过度拆卸检修反而会影响开关的正常运行。而正在研建的智能变电站不仅需要运行的稳定性,而且需要尽量减少停机检修的可能性。因而,为了有效地提高输配电系统的可靠性和稳定性,必须能够实时地了解开关设备的运行状况,加强对开关设备状态的在线监测。开关状态监测功能是智能开关的另一个主要特征。
我们在开关控制装置灵活可靠的硬件平台、控制装置的过程层实时通信方面进行了研究,以此为基础构建了智能开关操作装置,实现了开关自动在线状态监测功能及就地保护操作等功能。
2 硬件平台
为了实现控制装置的灵活配置,我们需要的是开发一套适合厂站自动化未来发展,同时也满足可靠性和低成本要求的高速串行总线。
近年来兴起的低压差分总线(BLVDS)具有高速及数据传输稳定的特点,其330 m V的低压差分信号和快速过渡时间,可以使通信速率达到100Mbps~1 Gbps,非常适合装置级背板总线设计。FPGA技术的发展为实现高速串行总线提供了便利条件。我们采用的XILINX 3S系列FPGA自带BLVDS的驱动器,基于该硬件实现的串行通信总线,其电路示意图如图1所示。
高速串行总线具有以下特点:
1)高速度:装置内部通信能够达到至少200 Mbps的串行通信速度。
2)可扩展:总线上至少外挂20个通信模块,为厂站自动化装置的实现提供了极大可能。
3)可靠:高速总线传输中应用了高速数据通信的容错技术,实现数据传输的自纠错,保证数据传输的高可靠性。
4)冗余:装置高速串行总线采用四条总线,总线间完全独立,为装置内部通信提供多路冗余。
5)实时性:装置内部通信采用完全可控的收发机制,保证了装置内部通信的高实时性。如测量模块的全部采样数据传输到CPU模块的传输时间仅在微秒级,如此性能确保了保护装置的实时性要求。
6)灵活性:装置背板各模块插件位置管脚定义完全相同,模块采用标准尺寸,因此模块插件位置可以任意互换。
7)抗干扰:高速串行总线采用差分电路,并在总线板上采用EMC提高技术。基于高速总线的样机装置现通过了各项EMC试验。
目前,基于高速串行总线技术,我们根据结构要求开发了数种总线板。总线板应用了高速PCB布线技术,经详细测试,其总线高速通信性能稳定。
3 变电站过程总线实时特性改进
变电站过程总线实时特性的研究,是根据智能变电站过程层自动化应用环境,综合考虑响应时间、抖动、同步性和吞吐量等标准,参考工业以太网技术标准IEC61784-2,将每个通信周期分成两个不同的部分,一个是循环的、确定的部分,称之为实时通道;另外一个是标准通道,软实时数据和标准的TCP/IP数据通过这个通道传输,如图2所示。
在实时通道中,为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗,而实时数据总是按固定的次序插入,因此,实时数据就在固定的间隔被传送,循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。两种不同类型的数据就可以同时在网络上传递,而且不会互相干扰,实现了对以太网技术的兼容。
针对过程总线采样数据、控制命令、状态信息和诊断信息等不同的具体应用所要求的实时等级差异,将其分别映射到不同的通信通道上进行传输以满足区分的实时特性。这里,按实时性的高低,将智能电网过程层信息按传输的实时性分为两类。
1)标准通信,包括:参数与配置;诊断数据;IEC61850-8-1 MMS。
2)实时通信,包括:GOOSE报文,采样数据传输。
以上两类数据按照不同的优先等级(实时通道最优)在过程层总线相应的时间窗内传输,从而保证变电站过程总线实时特性。
4 就地保护和状态监测功能的实现
4.1 装置的主要结构
智能开关控制装置构成如图3所示,主要板件有主CPU板、交直流测量板件、IO测量板件和出口板件,板件数目根据开关现场配置,板件之间基于高速串行总线来实现相互通信。主CPU基于双核CPU构建,主要完成高速总线的接口(接收其他板件的测量数据和发送到出口板件的动作命令等)、测量数据的运算、保护和控制逻辑的实现、过程层通信的实现、间隔层通信的实现、人机界面等功能。交直流测量板件主要完成开关就地交流量的测量、开关状态监测传感器的接入,并组织数据通过高速串行总线上送到主CPU。IO测量板件主要测量开关的动作状态等开关量信息,并将测量数据通过高速串行总线上送到主CPU。出口板件通过高速串行总线接收主CPU板发送的动作命令,接口开关本体的操作机构,使能开关动作的发生。
4.2 就地保护功能的实现
开关就地保护功能实现框图如图4所示。
其工作过程简述如下:控制和保护逻辑、保护的定值等设定数据由间隔层通信接口或人机界面接口下载到控制装置主CPU的参数空间。开关就地交流量经互感器等转换器件传送到交直流测量板件。交直流测量板件将就地交流量经滤波等处理和组帧后经高速总线上送到主CPU板,主CPU板按照设定的控制和保护逻辑进行处理,如判断故障,则向出口板发送相应的动作命令,启动开关动作。
本装置就地保护功能实现的特点是装置保护功能的数据源和出口操作都是基于高速串行总线完成的。高速串行总线数据通信的微秒级实时性保障了保护动作的及时性,同时其带来了装置的灵活可配置,使控制装置能使用不同现场的开关特性。
4.3 状态监测功能的实现
开关状态监测功能实现框图如图5所示。
其工作过程简述如下:由传感器或测试装置测定的数据或信号传送到控制装置交直流测量板件,数据组帧并通过高速串行总线上送到装置主CPU板。主CPU板进行数据处理和自适应补偿工作,经过处理后的数据通过装置过程层网络接口送至智能变电站过程层总线标准通信通道,作为开源数据,供其他各IED使用。
本装置开关状态监测功能实现的特点是,开关状态监测数据上送到智能变电站过程层总线经由总线的标准通道,这种方式不占用总线实时通道的带宽,保证了过程层通信中GOOSE跳闸命令等数据的实时传送,同时使开关数据传送经由过程层总线到变电站其他设备成为可能。
5 总结
智能开关的研究是变电站自动化领域的发展趋势之一。作为开关的智能化的关键部件操作装置必然被大量使用。本项目对开关控制装置灵活可靠的硬件平台、控制装置的过程层实时通信、开关就地保护和在线状态监测功能的实现等方面进行的研究,为智能开关控制装置的实现打下了基础。
摘要：分析了智能变电站智能开关目前主要存在的问题,提出智能开关控制装置研究的必要性,并指出开关控制装置的灵活配置和过程层实时通信性能的提高是智能开关研究需要解决的问题,开关就地保护和开关状态监测是开关智能化的两个主要特征。基于高速串行总线,构建了智能开关控制装置硬件平台,实现了装置的灵活配置;同时提出改进过程层总线通信实时性的方法。在此基础上提出的智能开关就地保护和状态检测功能的实现方案,为智能开关控制装置的研制提供了基础。
关键词：智能变电站,智能开关,控制装置,就地保护,状态检测
参考文献
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人体感应智能开关的设计方法 篇2
关键词:电传感器;智能开关;设计
中图分类号:TM564 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)24-0124-02
随着城市建设的迅速发展,传统的人工操作和维护控制手段已不能适应现代化城市发展的需求。当前,以人体信息为控制源的控制电路,在采集人体信息时,或直接使用热释电传感器被动远红外探测功能,或将传感器置于不断转动的云台上,使被动探测变成主动探测。本文介绍的人体感应智能控制器(开关)则同时采用热释电传感器的被动探测与主动探测功能,并由单片机控制,云台电动机无需连续运转,人体无论活动与否,都能准确地检测出人体信息,实现人来、人在开关接通,人离后延时数分钟(可预设)断开的自动控制作用。该控制器用途广泛,节省电能,使用寿命长,具有其它同类控制器无法相比的优点和作用。
1热释电传感器的被动特性和相对主动探测
热释电传感器又称远红外探头(PIR),它通过感应人体的远红外辐射产生电信号,且其输出信号的大小与入射远红外线的变化频率成比例,即人体处于运动状态时,远红外幅射发生急剧变化,传感器有信号输出,人体静止时,则无信号输出,这种依赖于人体的活动才能探测人体信息的性能称为被动特性,采用被动特性探测人体信息称为被动探测。被动探测可直接用于仅需探测活动人体信息的电路中,而对于活动和静止的人体信息均需探测的电路却不适应。在后一种情况,可增设电动机和传动机构,让传感器旋转或平移,这样远红外探头与人体间产生了相对运动,人体即使静止,传感器也有信号输出,被动探测变成了相对主动探测。很明显,主动探测能准确地检测出人体信息,但由于电动机必须做长时间不停的运转,造成了电能及设备的损耗。人体感应智能控制器采用热释电传感器的被动探测与主动探测兼用技术,较好地解决了这一问题。所谓兼用,即在人体活动相对频繁时,采用被动探测,否则使用主动探测。设智能开关在人离开后延迟断开的延时为T,人体相邻两次活动的间隔时间为t,当t 2电路组成 2.1电路框图 人体感应智能控制器由热释电传感器电路、单片机电路、开关驱动电路、主动探测驱动电路和电源电路组成。人体信息经PIR获取,经热释电传感器电路处理产生标准电信号送入单片机电路。为增强信号感应灵敏度和扩大感测范围,必须在探头前加装菲涅尔透镜,为克服远红外探头的被动特性,拟为探头安装电动机和传动机构。单片机电路是本机的控制核心,它首先对热释电传感器电路输出的信号进行处理判断,然后根据判断结果输出开关驱动和主动探测电动机启停的控制信号。电源电路产生几种直流电压为整机供电。 2.2热释电传感器电路 热释电传感器电路由远红外探头、放大器、比较器、控制器和延时器等电路组成,该电路可用运放LM324或热释电传感器专用模块设计,使用SN9201专用模块设计的电路。SN9201专用模块结构完整、功能齐全,所需的外围元件少,可完成信号的高倍率线性放大、双向鉴幅、信号处理、延迟定时和封锁定时等功能。当人体进入探测电路感应区,红外探头PIR将菲涅尔透镜聚焦的人体远红外信号转换成电信号送入SN9201的14脚,经SN9201内部电路处理后得到标准信号,从2脚输出。调节R5或R7的比值可分别改变内部两级放大器的增益,即改变信号的感应强度;Rl0、C7构成延时电路,调节Rl0可改变输出脉冲宽度,即改变工作延时,因本系统的延时由单片机控制,故此处延时应尽量缩短;9脚是触发禁止端或功能扩展端,在A、B间接入不同的元器件可增加不同的附加控制功能。 2.3单片机控制电路 单片机控制电路。单片机选用美国Atmel公司生产的AT89C51,其基本电路有晶体振荡电路(由x、Cl、C2构成)、上电自动复位电路(由C3、Rl构成)。热释电传感器电路的输出脉冲经反相后送至AT89C51的12脚。二极管D、继电器Kl、三极管T和电阻R2组成开关驱动电路,当红外探头探测到人体信号,12脚变为低电平时,单片机P2.7送出低电平,驱动继电器使开关Kl-l闭合。在需要主动探测时,单片机从P2.0和P2.1两个I/O口输出信号控制主动探测电路工作。 图1主动探测驱动电路 2.4主动探测驱动电路 主动探测驱动电路由电动机及其驱动电路组成,见图1。 红外探头通过减速装置或平移架与电动机转轴联动,主动探测时可作180 °来回旋转或来回平移,驱动信号输入端接单片机的P2.0和P2.1脚,当单片机P2.0为高电平,而P2.1为低电平时,T1、T4导通,T2、T3截止,电动机正转;当单片机P2.0为低电平,而P2.1为高电平时,T1、T4截止,T2、T3导通,电动机反转,P2.0和P2.1的电平变化及电动机每次转动的时间由单片机控制。 2.5电源电路 电源电路由变压器、整流、滤波和稳压等电路组成。220 V市电经变压后降为12 V交流,通过桥式整流和电容滤波输出直流电,再经固定式三端稳压器7809及7805稳压后输出+9V和+5 V直流电压为整机供电。 3软件设计 设探头相邻两次感应触发的间隔时间为t,智能开关在人离开后延迟断开的延时为120 s,编程思路及要求如下: (1)单片机上电复位后,扫描检测中断口INTO,一旦检测到人体感应触发信号,P2.7输出低电平并开始计时,开关K1-l闭合且延续。 (2)如t<100 s,则当第二次信号到达时,P2.7继续输出低电平,并重新计时,K1-l继续闭合。 (3)如100 s≤T≤l20 s,单片机在计时到100 s时,P2.0、P2.1输出信号控制电动机正反转,带动远红外探头作主动探测,若检测到人体信号,则让电动机停转,且使P2.7的状态同Ⅱ.Ⅳ计时至120 s时如仍未接收到触发信号,说明人已离去,则电动机停止转动,P2.7停止输出信号,K1-l断开,系统恢复初态,等待下次控制。 4结束语 总之,智能控制器具有较强的通用性和灵活性,如在A、B间接入光敏电阻、热敏电阻或时钟控制器,可分别制成禁止白天开灯的人体感应照明控制器、达到一定室温才见人开机的空调控制器或既受时间控制又受人體信息控制的其它控制器、报警器等.应用表明,系统软硬件设计合理,性能满足设计要求。 参考文献 1 王晓春、董立菊、徐继镶.传感式智能开关控制器的研究与设计[J].沈阳大学学报,2001.06 2 王晓春、刘天惠、董立菊、徐继镶.虚拟开关机器人——传感式智能开关控制器的研究与设计[J].计算机工程与应用,2002.02 The Human Body Induces the Intelligent Switch’s Design Method Tan Binbing Abstract: The human body induces the intelligent controller versatility, has saves the electrical energy, the service life long and so on merits. Article in view of one kind, regardless of the human body activity or not, can examine the human body information accurately and implement the automatic control the intelligent controller, elaborated this controller’s principle of work and the system software and hardware design method. 随着科技的发展, 与智能家居相关的设备逐渐走入了人们的家中。南京物联传感技术有限公司提出的自我搭建智能家居的平台, 使得手动搭建智能家居变成可能[1];海尔推出的智能云家电, 实现了家电终端生产与智能家居平台的结合[2]。这些产品的优点在于实现了家居生活的智能和远程控制, 但是目前很少有商家能考虑到家中开关的智能控制, 开关的智能控制能从源头上解决安防问题, 并且更加稳定。 现代家庭中的阀门和开关的控制至关重要, 大量媒体报道过由于电源没有关闭造成的漏电和火灾, 或者冬天出门时候由于忘记关闭阀门而造成的水管破裂[3]。目前市场有关家中开关器件和阀门的产品比较少, 杭州晶控电子有限公司智能家居平台实现了对于家中开关和阀门的远程控制, 人们从手机和电脑上就可以控制家中的开关器件, 但是在手动控制的情况下依然会出现人为忘记开合开关引起的不必要的事故或者麻烦。采用自动开关控制系统后, 人们不需要对家中的电气开关和阀门进行控制, 该系统的传感器会自动检测到家中的人数, 从而对家中阀门和开关的开合进行控制。智能开关控制系统节省了劳动力, 增加了生活的安全性。文献[4]强调家中阀门安全性的自动检测危险的阀门。文献[5-6]侧重于从公共场所安全的角度来设计的门禁系统。由于是在公共场所, 所以要对进出人员特征进行识别, 如摄像头检测人脸特征或者指纹检测器检测出指纹特征。而本文侧重于对家庭中的阀门和开关器件的统一控制和危险预防, 家庭不是公共场合, 对人员特征的识别可以减弱而方便性却可以变强。采用自动开关控制系统在节省人力和能源的情况下还做到了对于危险事件的预防。 1 系统硬件框架 系统结构如图1所示。系统由主控板、第一发射板、第二发射板、接收板、驱动板、人体检测装置、无线收发装置和开关器件驱动装置组成。人体检测装置的发射端分别设置在第一发射板 (c) 和第二发射板 (d) 上, 接收端分别设置在主控板 (a) 和接收板 (b) 上;无线收发装置的发射端设置在主控板 (a) 上, 接收端设置在驱动板上 (驱动板不在图中显示, 而是在控制终端, 驱动板和开关器件与整个系统的关系如图2所示) ;开关器件驱动装置设置在驱动板上并与开关器件相连;主控板中包括主控制模块、电源模块和数据显示模块, 主控板和第一发射板、接收板和第二发射板分别安装在门框 (e) 两边并且高度两两对应。门框的边缘安装检测门开闭状态的传感器, 当家中的门关闭的时候, 节能模块启动, 关闭系统的供电, 在关闭前系统每隔5 ms就会将所有数据存储于单片机的E2PROM中。当门再次开启时, 单片机首先会读取存储于E2PROM中的数据, 继上次记录的数据继续运行。系统在运行过程中如果运行时间过长或者有类似人的物体经过, 在统计人数的时候会出现错误。当错误出现的时候, 只需清空家中的人数后按下清零按钮就可以将人数与房屋中具体人数对应上。如果系统的程序运行出现了错误, 则按下故障处理按钮就可以使程序正常运行。 1.1 主控板模块 本文选择的是飞思卡尔的XS128单片机, 此单片机为16位单片机, 工作频率在20~40 MHz之间。自带有E2PROM, AD, IO, SPI等模块。XS128芯片为以后的模块扩展提供了便利的条件。系统由如下几部分组成。 1.2 传感器模块 传感器主要功能是要确定人行走的方向, 可以用超声波、红外或者激光器件来检测。超声波器件的优点是只需在一边安装传感器的发射和接收装置, 在安装上比较简洁;缺点是由于人衣服以及体型的变化, 会造成严重的误检测。红外传感器可以采用漫反射和直射两种安装方式, 优点是肉眼看不见, 不会打扰到人们的视线, 缺点是无论用哪种安装方式, 失误率也很高。激光传感器也可以选择漫反射和直射两种安装方式, 经过试验, 决定采用出错率比较低的直射方式, 缺点是需要采用在门框两边一收一发的安装方式, 安装比较繁琐。发射端对发射出的光做调制处理, 把发射出的光调制成频率为180 k Hz波长为650 nm的调制光, 其原理图如图3所示。MOD1是可以发出频率为180 k Hz波形的调制管, L1是可以发出波长为650 nm波段光的激光管。用调制管控制激光管通断, 就可以调制成频率为180 k Hz波长为650 nm的调制光。 接收端传感器对应接收频率为180 k Hz波长为650 nm的调制光信号, 其电路图如图4所示。REC1是对波长为650 nm的光敏感同时只能通过频率为180 k Hz的光传感器, 通过增加光携带的信息, 解决了与太阳光混淆的问题。最终决定采用两边分别两个激光管, 一收一发来检测人体的移动方向。激光传感器用波长为650 nm的激光管, 接收传感器用接收频率为180 k Hz光的传感器, 激光管采用频率为180 k Hz的调制管来控制其闪动的频率。如果接收管接收到波长为650 nm频率为180 k Hz的调制光, 则会由高电平变成低电平, 主控芯片接收到相应信号以后则对人数进行判断。 1.3 开关器件控制器 开关器件控制器装有对应主板无线发射的接收模块, 该接收模块有相应的地址。当发出的信号对应接收端的地址后, 该接收端的电平输出端则会根据发送端输出的信号驱动继电器来控制开关器件的开闭。如果控制端出现错误, 则可以启动开关器件控制器上面的故障处理开关, 启动以后, 开关器件的开闭完全靠手动, 不受任何信号的影响。 1.4 节能以及故障处理模块 系统的节能模块会检测门的打开和关闭状态。当门处于打开状态时, 需要检测人的进出, 传感器和主板处于完全工作状态。当每次有数据改变时, 单片机就将数据存储在E2PROM中, 方便掉电存储。当门开关传感器感应到门处于关闭状态时, 此时不需要检测人的进出, 传感器和主板可以完全断电, 等到检测到门开启的时候, 主板和传感器同时供电, 主板中XS128芯片从上次存储的E2PROM中读取数据后继续上次工作状态运行。当传感器计数出现错误的时候, 有两种故障处理方式, 一种是软处理, 另外一种是硬处理。软处理不需要影响到程序的运行状态, 当按钮按下时, 故障程序启动, 故障程序会根据按下的时间改变人数, 直到改变成正常的人数。当出现程序上面不可避免的错误时, 需要用复位按钮从程序上复位, 程序所有数据清零从头开始重新计数;当系统的硬件出现不可恢复的故障时, 按下硬故障按钮, 系统就可以绕过控制器件手动控制。 2 软件设计 2.1 软件总框架 系统的软件部分由两个部分组成, 人数检测部分和可恢复故障处理部分。 2.2 人数检测部分 人数检测部分的程序主要功能是根据传感器反馈给单片机的数据来计算人数的多少。 如图2所示, 两边传感器对应安装后, 接通电源。当接收管和发射管之间没有阻挡的时候, 接收管A, B, C, D都接收到了发射管发送出的信号, 根据上述性质, 输出端为低电平。 光电传感器判断人是否经过的方法如图5所示。只有在两组传感器都完成图5所示的过程后才会在人数计数的数组中改变人数。当有人经过时, 首先传感器A和C被阻挡住;过一段时间后传感器A, B, C, D都被阻挡住, 当人继续向前的时候, 传感器A和C会接收到信号, 而传感器B和D仍然被阻挡住;随着人离开了门框, 传感器A, B, C, D都会同时接收到发出的信号。完成整个过程后, 主控板会识别出刚才的信号。如果两组传感器方向一致, 会在人数计数数组上加1;如果上述过程的方向反向运行, 则会在人数计数数组上减1。 具体代码如下: 2.3 可恢复故障处理部分 故障处理部分有两种处理故障的方式, 一种是可恢复故障, 另外一种是不可恢复硬性故障。 故障产生的原因多种多样, 可能是由于物体的经过导致传感器误认为是人体, 也有可能是人在传感器检测范围内时间过长导致的误检测, 还有可能是无线信号传输不稳定造成的故障。由于货物或者动物的影响, 门禁系统可能会把其他的东西误认为是人, 所以在0.5~1 m处安装了两组传感器。只有在短时间内两种传感器都有相同方向感应的时候, 人数计数器才会进行计数。当遇到特征与人类似的干扰时, 人数计数器还会识别错误;如果出现特别大的干扰造成的错误, 则需要手动恢复。自恢复按钮帮助我们恢复故障, 当出现故障的时候, 只需要在家中没人的时候, 按下自恢复按钮, 系统自己就会恢复运行。 3 实例 智能开关控制系统实际运行时, 准确无误地检测出了人的行走方向, 并且根据房间内人的数量准确地控制了开关器件的打开或者关闭。其内部电路板参考图如图6, 图7所示。 系统安装在门框位置后做了测试, 出错概率见表1。 基于无线网络的智能开关控制系统 篇3
超过一天的连续测试才出现了问题, 误码率在1%以下。当门关闭的时候系统的电源会被切断, 传感器和无线器件会处于休息状态;不连续工作情况下系统几乎不会出现错误。
4 结语
基于无线网络的智能开关控制系统安装简单, 价格低廉, 线路简单可靠, 可恢复能力强。该系统能很好地检测出人相对于房间的行进方向并且准确地做出判断;缺点是当有类似于人的物体经过时, 会受到干扰而产生错误计数。如果用现在流行的红外线加摄像头检测方法, 通过检测人体特定的红外线, 再加上摄像头的图像识别就可以很好地检测出人相对于房屋的进出。为了适应智能家居概念的兴起, 可能会在控制主板上加入网络通信模块, 使之在智能家居平台协调下运行。
智能开关控制器 篇4
【关 键 词】智能化；高压开关设备；GIS；高压断路器；高压熔断器
【中图分类号】 V242.3+1【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0254-01
随着智能电网建设的不断推进，智能化高压开关设备受到了人们越来越多的关注和重视。作为智能电网的重要输配电设备，智能化高压开关设备的可靠和安全运行对于电力系统的稳定运行至关重要，因此本文就智能化高压开关设备技术的发展进行探讨，以期为促进电力系统的安全运行提供一些有益的参考。
1. 智能化高压开关设备的概述
1.1 智能化高压开关设备的定义
智能化高压开关设备是“十一五”时期装备工业集传统的机械装置和电子产品、电子技术于一身的机电一体化新一代产品。到目前为止，智能化高压开关设备只是一个泛指，相关专业还没有规范的术语和定义。对于一个元件而言，可以理解为按照智能化的要求植入一个或多个元素或功能，如通信接口、传感器等；对于开关成套设备，如开关柜、配电设备等，可以理解为对一个系统的综合要求，诸如自动化、在线监测、互动化等。
1.2 智能化高压开关设备的结构
智能设备是含传感器的一次设备与智能组件的结合体，智能化高压开关设备的组成包括以下部分：高压开关设备、传感器/执行器、智能组件，其中智能组件通过传感器/执行器与高压开关设备形成有机整体，实现与宿主设备相关的测量、控制、监测、计量和保护等功能。
智能组件（Intelligent component）是面向单一一次设备的综合测控集，由若干智能电子装置（IED）集合组成，在满足相关标准要求时，还能够承担保护、计量等功能，强调功能实现的一体化。智能组件包括过程层网络通信和站控层网络通信，遵循IEC 61850通信协议；组件内可有不同的交换机配置方案，应该采用优先设置、流量控制、VLAN划分等技术优化过程层网络通信。
2. 智能化高压开关设备的特征
（1）控制网络化。智能化高压开关设备不仅能够完成继电保护控制命令，还能够根据IEC 61850规约通信，CB/DS/ES/FES能够正确执行网络遥控命令。
（2）测量数字化。根据IEC 61850规约通信，高压开关设备控制器、光电压互感器、光电流互感器和合成单元，能够通过网络传输相关数字化测量和检测信息，分别在就地和远方显示一次主设备接线形式、状态信息、报警信号及状态监测结果。
（3）功能一体化。智能化高压开关设备的功能是高度集成的，具体说来：相关测量、控制和监测的融合设计，传感器植入技术和光互感器的一体化设计，各监测IED的集成设计。
（4）操作程序化。智能化高压开关设备能够接受程序化操作命令，自动按照规定的时间和逻辑闭锁要求逐一完成各指令所规定的操作。
（5）信息互动化。智能化高压开关设备包括过程层网络通信和站控层网络通信，遵循IEC 61850规约通信协议。智能组件内所有IED都接入过程层网络，需要与站控层网络有信息交互需要的IED，还要接入站控层网络，如测控装置等。
（6）状态可视化。各监测IED的监测结果，按照“唯一性标识、故障部位、故障类型、风险程度”的报文格式，通过过程层网络向主IED报告自评估结果。
（7）监控诊断远程化。通过无线网络通信可以实现与智能化高压开关设备的信息交互，从而达到远程监控诊断功能。
3. 智能化高压开关设备技术的发展趋势
3.1 气体绝缘全封闭组合电器（GIS）的智能化
GIS的智能化是一个跨学科的综合课题，其是具有众多功能和丰富通信接口的系统。在GIS智能化的实施中，关键问题主要包括：
（1） 智能操控回路。传统变电站中，GIS机构操作回路和操作箱的控制回路分别由一次、二次回路厂家设计，这容易造成寄生回路和成本上升。而智能变电站中，开关智能终端的就地化使得操控回路的一体化设计成为可能，并带来如下益处：智能GIS设计时，考虑在开关智能终端的防跳回路基础上增加机械故障防跳机制，防跳回路在印制板上实现，能够提高一次设备的集成化和智能化程度，同时占用空间更小；在智能GIS中，由开关智能终端统一采集位置结点信息并通过GOOSE服务转发给各二次设备，可以大大减少辅助结点的数量；断路器总位置信号、三相不一致信号可以在开关智能终端内通过软件逻辑实现，不需要额外的继电器串、并联合成回路；取消电气联闭锁的硬件回路，减少对厂家的依赖。
（2） 在线监测。目前国内GIS的故障率较高，主要运行问题集中在内绝缘、气密性和操作机构等几个方面，在线监测需要重点开展GIS局部放电监测、断路器机械故障在线监测、电寿命监测等方面的工作。
（3） 电子式互感器的应用。近年来电子式互感器在我国的应用日益增多，取得了一定的工程应用经验，但同时也暴露出如下问题：常规二次设备电磁兼容试验不能完全满足要求，需要对试验手段进行完善；与继电保护装置的分工和配合问题；相关计量规程的修订和合并单元的定位。
（4） 汇控柜方案。GIS的智能化伴随着电子设备的就地化，这意味着传统的汇控柜已经不能满足需求，需要从以下几个方面进行改进：完备的信息交互、全环境适应性、温湿度控制系统可靠性的提高。
3.2 高压断路器的智能化
目前世界上先进的工业国家，都十分看好智能化高压断路器的发展前景，加大了研究的投入和开发的力度。在高压断路器智能化实现的过程中，还有很多需要解决的技术和问题：（1）关键技术问题。智能化高压断路器需要解决的关键技术问题包括微机技术、传感技术、抗电磁干扰技术和信号处理技术。（2）寿命问题。由于电子设备的使用寿命要低于高压电气设备本身的寿命，要解决这一矛盾必须从设计、制造和改善运行条件等几个方面着手，采用模块化设计，以提高设备的使用寿命。（3）经济问题。智能高压断路器的价格较传统断路器高，但在电子设备不断降价的情况下，监测设备价格也在不断降低。
3.3 高压开关柜的智能化
智能化高压开关柜集保护、监测、控制与故障诊断为一体，具备数字显示、高压开关显示和对外的双向数据通信等通过。智能化高压开关柜是用新的传感器采集信息，用计算机处理信息，用计算机网络传输信息和用数字与波形显示信息，并对开关设备的重要参数进行连续的在线监测，不仅可以提供设备现有的状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，识别存在的故障，为设备的状态维修提供依据，从而增大设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少维修保养的费用。
3.4 高压熔断器的智能化
现有的高压熔断器存在以下缺点：一是往往都是针对大过载电流的情况，即在大电流过载情况下，通过熔体自行熔断实现分断保护；而在低过载电流情况下，老式的喷逐式熔断器在分段较小的短路电流时可能出现不能灭弧，甚至爆炸等问题。二是熔断器的时间——电流特性（安秒特性）的稳定性和运行性相对较差，并且适应性单一。近年来，国内外推出了智能化熔断器，美国通用电气公司研究的“智能化高压限流熔断器”已经可以达到外形尺寸小、额定电流大和高分断能力的要求，并且可以从外来控制熔断器动作。
参考文献
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智能开关控制器 篇5
改革开放以来,我国社会各项事业都在飞速发展,促进了人们生活水平的上升。同时,随着社会进步与经济发展,国家对电力的需求也越来越大。国家电力部门对电力市场进行规范化调控,技术人员也提高研究力度,加紧研究新型的、高效的电力元件,以期能够促进电力系统的安全、可靠、经济发展。电力开关柜作为电力系统中的重要元件之一,其性能的优化是技术人员研究的重点内容。因此,技术人员将计算机技术、传感技术、数据处理技术等与电力技术有效地融合在一起,提出电力开关柜的智能控制器概念,即是对电力系统的开关进行智能化、自动化调控,在电力系统电压、电流异常情况下保护系统中的电气设备不受损害,这对保证电力系统的可靠性、稳定性、经济性以及改善电力质量都有重要的作用。
2 电力开关柜的智能控制器简述
电力开关柜的智能控制器,是采用智能化技术,如计算机技术、电力电子(通讯)技术、数据处理技术等对电力开关柜的控制器进行改进,从而优化控制器的性能,使其达到自动化、智能化调控的目的,同时提高控制器运行的可靠性、安全性与经济性。
通常,电力开关柜的智能控制器主要是由中心检测处理模块、LED显示模块、保护模块、功能模块等部分组成。它通过对电力系统中电流、电压等信号的监测以及对相关数据信号的处理、传递等,达到系统自动化调控、故障保护等目的。对比传统的电力开关柜控制器,它具有如下优势:(1)由于计算机技术、数字技术等先进技术的应用,电力开关柜的智能控制器内部电路以集成电路为主,并将计量、保护、控制、记录等功能集于一体,并通过数字信号将通讯信息传递,实现功能集成化、数字化;(2)技术人员事先编制好相关调控程序,并通过计算机等相关软件的智能化功能,设置智能化功能单元进行过电流的保护,并与环网中保护模块进行动态配合,以实现对电力系统的智能化调控,从而达到在发生故障时起到应急调控与保护作用的目的;(3)电力开关柜的智能控制器的体积大幅度减小,在保证智能化功能的基础上呈现小型化体积模式,同时,控制器的结构以模块为表现形式,所以其功能(监测、保护、自检等)的发挥更加可靠、安全,促使电力开关柜的智能控制器的形式向着标准化,系统向着网络化、分散化等方向发展,促进电力系统运行经济效益的提升。
3 电力开关柜的智能控制器的设计原理
电力开关柜的智能控制器是电力系统断路器上的保护装置,也是核心的控制装置,所以,技术人员需要全面考虑电力开关柜的智能控制器的智能化调控、保护等功能,对以上两个方面进行优化设计,从而实现电力开关柜的智能控制器的自动监测、智能操作、主动保护等功能。
（1)对电力开关柜的智能控制器自动监测功能的设计,需要利用传感器的灵敏性,对系统的电流、电压等信号参数的变化进行有效感应,并通过设定好的程序,在以上信号参数的变化超出标准范围时候,尤其是对各个环节的特征信号,进行有效的监测与反馈,正确判定自身系统是否在安全性、可靠性状态下运行。图1是自动监测单元结构设计的原理。
（2)对电力开关柜的智能控制器智能操作功能的设计是依托计算机技术、数据处理技术等,主要通过相关软件对信息数据进行接收与处理,从而有目的地选择相关操作过程,促使电力开关柜的智能控制器对自身运行状态进行智能化判断,并作出相应的操作。图2是智能操作单元结构的设计原理。
4 电力开关柜的智能控制器应用现状
随着技术人员对电力开关柜的智能控制器研究的不断深入,其在实践中的应用效果也越来越明显,对电力系统的发展起到重要的促进作用。在此,笔者将针对电力开关柜的智能控制器在电力系统中的应用现状进行探讨。
4.1 电力开关柜的智能控制器自动监测功能的发挥
自动监测是电力开关柜的智能控制器的主要功能,它主要监测电力系统以下几个方面:
（1)电路器作为电力系统的重要元件,一旦其内部构件出现故障,将在不同程度上影响电力系统供电的质量与效率。因此,在短路器上加装电力开关柜的智能控制器,可以对断路器的触头磨损量、磁场结构、流经电流大小、开关次数等进行自动监测,从而通过对以上数据信息的处理与分析,判断断路器的运行状态与使用寿命,为断路器与电力系统安全有效运行提供助力。
（2)除了电压、电流之外,电力系统运行中的重要参数还有电容,电容出现不稳定变化,也将导致断路器的异常运行,影响电力系统的供电质量。因此,运用电力开关柜的智能控制器可以对分闸电容与合闸电容进行有效监测,并实施相应应急操作,以保证断路器电容的有效性。
（3)电力开关柜的智能控制器还能够对自身进行自我监测,即是在控制器某一构件出现异常情况的时候,控制器的智能自检模块将发挥作用,对相应芯片与通信回路进行有效检测,从而找到故障点,为技术人员的检修提供条件。
4.2 电力开关柜的智能控制器智能操作功能的发挥
控制器的职能操作功能主要是通过操作模块与自动监测功能模块相配合来实现的,自动监测中对电力系统中断路电路、合闸电压、电容水平等参数进行监控。在发现异常情况后,将发出警报,控制器的中心检测处理模块将发出对应的操作指令,进行智能化的操作,如,调整断路器的同步关合次数,尽量保证同步性与准确性,降低系统空载概率,保护断路器与电力系统的安全运行,保证电力系统相关设备元件的使用性能,延长使用寿命。
5 电力开关柜的智能控制器的发展方向
在国外,电力开关柜的控制器初步进入智能化阶段是在上个世纪80年代。随着计算机技术、网络通讯技术、电力电子技术、抗干扰技术、传感技术等的发展,电力开关柜的智能控制器也得到空前发展。我国技术人员对电力开关柜的智能控制器的设计与应用研究还处于初级发展阶段,但是相信,在技术人员不断创新研究思想、提高技术水平的基础上,必将促进电力开关柜的智能控制器进一步发展。具体说,未来,我国技术人员将着重在以下领域进行深入研究,以促进电力开关柜的智能控制器性能的优化与充分发挥,进而提高电力系统运行的安全性、可靠性以及经济性。
（1)目前,我国电力开关柜的智能控制器依然采用通用CPU、单片机等元件,这种控制器的成本高,而且电路复杂,不利于控制器性能的优化。因此,为了更好地提高电力开关柜的智能控制器的性能,设计人员应该注重研究开发专用集成电路,并注重控制器抗干扰性能的提高,以使其运行安全性、可靠性、适应性都得到大幅度的提高,从而降低产品成本,提高经济效益。
（2)电力开关柜的智能控制器的主要技术是计算机技术与网络通讯技术,因此,相关网络控制软件的开发也是极其重要的,必须在提高控制器硬件质量的同时,强化网络控制软件的开发力度,以优化人际接口环节。
（3)在电力系统中,除了电力开关柜控制器之外,还有很多其他功能元件,因此,实现电力开关柜控制器的智能化发展,还应该注重对其相关配套元件的研究,以使其能够配合智能化控制器的运转,完善系统,简化操作,提高电力系统的运行效率。
6 结语
总之,电力开关柜的智能控制器在电力系统中发挥着重要的作用,促进电力系统可靠性、安全性、经济性的提高。随着技术人员研究的不断深入以及各项技术融合性的不断加深,电力开关柜的智能控制器必将向着功能更强、系统更完善、操作更简单、应用更灵活等方向发展,为电力系统的进一步发展、电力企业经济效益进一步提高奠定坚实的基础。因此现阶段,技术人员的重要工作之一,是对电力开关柜的智能控制器进行深入研究,尤其是对其设计与应用方法等的创新,更是应该重视,以便优化电力开关柜的智能控制器的性能,促进智能化电器产品的应用与发展。
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智能开关控制器 篇6
随着工业化、现代化及信息技术发展,更多的新兴技术被引入到中低压开关设备中,为满足开关柜产品数字化、智能化、网络化需求,实现开关设备无人化运行,更可靠的保护人身安全,中压移开式开关设备主开关手车及接地开关电动操作系统得到了越来越广泛的应用[1]。
智能开关设备电控控制系统在标准断路器手车和接地刀闸开关基础上增加一套独立智能化操作机构,智能开关电动控制操作机构需要稳定可靠的硬件软件控制系统支持以满足电力系统五防要求。
所谓电力系统“五防”是指:
(1)防止误分、误合断路器;
(2)防止带负荷拉合隔离开关;
(3)防止带电挂接地线(或接地刀闸);
(4)防止带接地线合隔离开关;
(5)防止误入带电间隔。
电力系统“五防”装置中除了防止误分、误合断路器之外,其他“四防”均要求强制闭锁[2]。因此智能开关设备电动控制系统也必须符合电力系统五防功能,从而防止误操作开关设备,确保开关设备安全可靠运行。为确保能准确对开关设备进行符合五防要求的可靠控制,防止和杜绝电网事故的发生,研发一种可靠的智能开关设备电动控制系统成为热门的研究课题。
智能开关设备电动控制系统作为开关设备控制的智能化,网络化是实现电力系统中智能化不可缺少的重要一部分,安全可靠性要求高,发展智能开关设备电动控制系统具有非常重要的实际工程意义和巨大市场价值。
1控制系统总体设计
针对智能开关设备的电动控制系统主要为电动底盘车控制断路器进出控制及电动接地刀控制接地刀闸分合控制,从而实现了智能开关设备的底盘车电动控制及接地刀闸电动控制,电动控制系统具备完整的电气和机械闭锁的同时还具有过载保护功能。电动控制系统带MODBUS通信接口支持远程控制功能,可组网构成分布式控制系统。控制系统采用模块化的结构,分为智能开关设备电动控制装置、电动底盘车控制单元模块、 电动接地刀控制单元模块等,系统框图如图1所示。
2硬件设计
为了实现上述电动控制功能,控制模块硬件分为电源硬件电路、人机交互硬件电路、RS 485通信接口电路、主CPU控制电路、电动控制逻辑电路和电机正反转电路等。本文主要以具体实现电动控制的硬件电路来阐述。
2.1主CPU控制电路
主CPU控制电路采用STC12C4052为主控制芯片, 电路如图2所示,其中ED0为停止位/分闸位限位行程开关输入 ,ED1为工作位/合闸位限 位行程开 关输入 , HAND为手动优先信号输入,LOCK为闭锁信号输入, MI过载过流信号输入,IO0为前进/合刀闸控制输出, IO1为后退/分刀闸控制输出,TXD,RXD,DE为RS 485控制收发及方向控制引脚。主控制器通过检测这些输入引脚状态来得到当前底盘车/接地刀的位置状态,闭锁状态,过载过流状态,主控制器接收本地按键或RS 485发过来的控制命令的同时结合这些状态量来驱动输出引脚IO0和IO1实现对底盘车/接地刀的控制功能。
2.2电动控制逻辑电路
电动控制逻辑电路是实现电动控制五防联锁的关键电路,如图3所示。该电路原理主要通过高速逻辑芯片SN74HC04D(非门)及SN74HC08D(与门)搭建的逻辑电路,通过主控制芯片输出的控制信号IO0及IO1结合MI过载过流信号,LOCK闭锁信号,HAND手动优先信号,ED0,ED1底盘车/接地刀的位置信号的逻辑来实现可满足五防联锁功能的可靠的控制动作。该电路具体实现 的逻辑功 能如图4所示 。 由逻辑电 路可得RRUN=!HAND & !LOCK & IO1 & !IO0 & MI & ED1, 即在非手动优先状态下,满足闭锁条件同时无过载过流信号且ED0无前进限位且ED1有后退限位信号则可以实现通 过输入信 号IO0=0&IO1=1来实现输 出信号RUN=0&RRUN=1的可靠输出控制后退功能,前进控制功能按逻辑关系同理。
2.3电机正反转电路
电动控制功能本质上就是通过12 V继电器控制220 V电机正反转功能。具体实现电路如图5所示。当RUN=1且RRUN=0时,D10二极管导通,K1继电器吸合, K1的9脚接到5脚,12脚接到8脚,HALL_OUT为220 V+ 流进MOTO1电机正级经过电机后负极MOTO2流出到220 V-,这样构成回路实现电机正转功能从而实现电动控制前进/合刀闸功能;当RRUN=1且RUN=0时,D11二极管导通,K2继电器吸合,K2的9脚接到5脚,12脚接到8脚,HALL_OUT为220 V+流进MOTO2电机负极经过电机后正极MOTO1流出到220 V-,这样构成回路实现电机反转功能从而实现电动控制后退/分刀闸功能。由图4电动控制逻辑电路逻辑功能可以得到可靠的RUN及RRUN的输出信号,不可能同时出现RUN=1且RRUN=1的情况。
3软件设计
由上述电动控制任务功能描述可得知,控制系统软件主要为根据获取到的底盘车位置状态/接地刀闸位置状态、过载保护状态、闭锁状态结合接收到本地或远程的控制命令来对底盘车实现进出控制,对接地刀闸实现分合闸控制功能。
3.1主程序设计
电动控制系统软件按图6所示流程进行,系统初始化,硬件资源初始化后,主循环软件通过输入I/O口线检测手动优先信号、闭锁信号、过载过流信号、底盘车/接地刀的位置信号等结合本地按键操作或远程RS 485发来的控制命令操作来实现对底盘车或接地刀电动控制操作。
3.2底盘车推进程序设计
底盘车推进软件采用冗余逻辑分析处理算法,软件流程如图7所示,软件通过检测过载过流信号、闭锁信号、底盘车位置信号、电机当前状态来实现对底盘车的推进控制一系列逻辑控制时序,首先启动电机进行推进过程直到底盘车到工作位置后再进行电机解锁处理,电机解锁完成后再进行电机停转处理,通过这一系列控制时序来完成电动控制底盘车推进电动操作。其他电动控制操作如电动控制底盘车退出操作、电动控制接地刀闸分闸操作、电动控制接地刀闸合闸操作程序流程与底盘车推进程序流程一致。
4系统试验测试
4.1联锁及机械寿命试验
在正常条件和额定工作电压下,在配有电动控制装置的智能开关柜上进行联锁及机械寿命试验。按设计的机械闭锁和电气联锁要求进行联锁试验,测试下来具备可靠电气联锁且具备过载保护功能,智能柜电动控制底盘车前进、后退、急停;控制接地刀闸分闸、合闸、急停功能正常,电动操作过程中没有发生误操作现象,电动控制准确性100%,整柜机械结构无明显变形。试验数据如表1所示。
4.2EMC型式试验
设计的开关设备电动控制装置通过了上海电气输配电试验中心有限公司的EMC型式试验,试验项目如表2所示。试验结果合格并取得了试验报告。
5结语
智能开关控制器 篇7
关键词：电力系统,可编程控制器,气体绝缘金属封闭开关(GIS),人机界面(HMI),智能控制
0前言
气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)从上世纪60年代问世以来，经过40多年的研制开发，其技术发展很快，并迅速被应用于全世界范围内的电力系统。然而，随着社会、经济的不断发展，工程建设的复杂程度的加大，用户对开关设备小型化、免维护、智能化以及可靠性的要求越来越高。传统的仅仅依靠按钮开关和各类中间继电器来完成的GIS控制系统已无法满足时代前进的步伐。
新一代的GIS智能控制系统采用了可编程控制器(PLC)控制技术，实现了智能化监控[1]和诊断，从而延长了维修周期、节省了生产成本并提高了系统安全性。本系统可对GIS控制台运行状态进行在线观察，执行操作员的操作并判断此操作的可行性，从而大大提高了其运行可靠性，同时节省了一定的维护费用和人力成本，带来巨大的技术经济效益。由此可见，GIS二次控制从传统的电磁机械化走向高端的智能化，这是电网自动化的需要，也是提高GIS可靠性的需要，它也必将成为21世纪高压电器控制的发展主流。
文中根据GIS控制系统的发展趋势，详细介绍了浙江杭申自动化科技有限公司开发的基于PLC的GIS智能控制系统。
1 系统特点与硬件构成
1.1 系统特点
传统的GIS控制系统主要由模拟控制板、光字牌、断路器、辅助开关、接地开关、中间继电器等构成，用户通过手动操作模拟控制台，通过一系列的中间继电器的验证后在满足主回路逻辑条件和内部电控元件的自锁保护的条件下，对外设进行输出控制，光字牌则主要用来直接反映补气阀的状态和其它报警信号。
文中介绍的GIS智能控制系统省去模拟控制板、光字牌和中间继电器等外设元件，它们都将以模拟或者数字信号的方式存在于PLC[2]程序中或者直接显示于触摸屏。其中中间继电器均以中间变量的形式存在于PLC程序中，而模拟控制板和光字牌则直接在触摸屏中以图形状态体现，同时与PLC程序中的对应变量相关联。因此它不仅节省了元件成本，同时也提升了系统的安全性和稳定性。GIS控制系统一次主接线图如图1所示。图中CT1～CT4为电流互感器，PT为电压互感器，LA为避雷器。
1.2 系统硬件配置及功能
通过分析比较国内外知名公司的工控产品并结合GIS智能控制系统的需求，选用了深圳斯特克的SET220/220-2000L逆变电源、西门子的SIMATIC S7-300可编程控制器和TP270触摸屏来构成此智能控制系统。系统硬件配置如图2所示。
斯特克的SET220/220-2000L逆变电源可实现DC 220 V到AC 220 V的转变，并具有输入过、欠压、接反保护，输出过载、短路保护等一系列保护功能;SIMATIC S7-300系列PLC，是西门子公司的新一代高端产品，它具有完善的指令集，且采用了模块化的设计，使得其在计算性能、可扩展性和稳定性等方面有突出的优势;彩色触摸屏TP270配以西门子经典组态软件平台PROTOOL，使得整个人机界面操作简单灵活，且管理功能强大，可以直观准确的实现GIS系统的各项监控功能，并完全满足系统智能控制的要求。
整个系统由设备控制部分和监控部分组成。设备控制部分主要完成数据和状态信号采集、现场控制输出。监控部分则通过比较经过CPU处理的数据，实时显示系统各元件的工作状态，并向设备控制层发出控制指令，实现“遥信、遥控”[3]功能。
系统监控层通过西门子的软件STEP7和PROTOOL进行编程，它承担了控制操作、状态显示、数据处理、操作记录等功能。用户可通过触摸屏了解整个系统的工作状态，查看报警信息、操作记录或发出控制指令。
此监控层实现的主要功能如下：
(1)控制操作：对系统内的所有被控断路器和辅助开关进行实时控制。
(2)状态显示：用图形实时地显示一次主接线图内各主要元件的运行状态。
(3)数据处理：利用实时数据和历史数据，对系统内采集的各状态量进行逻辑判断。
(4)操作记录：实时地记录用户对本系统的每一个操作(包括日期、用户名、设备名、具体操作、操作结果等)。
(5)报警功能：当某一指定状态量发生变位时，直接通过触摸屏中的虚拟光字牌显示系统报警信号。
(6)安全设置：可以设置多级密码，按不同的操作权限分别加密，以特定管理员来限定用户级别，并记录其用户信息;普通用户将无法创建其它用户或者查看其它用户信息;管理员和普通用户均须登陆成功后方可进行控制操作或者查看操作记录。
2 系统软件结构
系统软件包括PLC控制软件和HMI人机界面软件，组态软件分别为STEP7 V5.2和PROTOOL V6.0。STEP 7 V5.2主要完成控制系统的组态和编程，PROTOOL则用于组态人机界面以完成对系统现场的监控和操作。
2.1 设备控制程序设计
数字量输入信号点主要有CB断路器的状态信号及远方控制信号，各个隔离开关及接地开关的状态信号及远方控制信号，各个补气阀的状态信号。
数字量输出信号点主要有CB断路器和各个隔离开关及接地开关的控制输出线圈信号。
基于S7 315-2DP的高性能和可拓展性，用户可以根据需要适量增加辅助开关、接地开关和断路器数量。
在PLC控制软件的编写中，根据系统主回路的整体逻辑以及各开关和断路器之间的互锁作用，我们将整个系统依据不同功能的主要电控元件分成了许多小的子程序，对各个子程序的扫描顺序进行编排整合后加入主程序之中，主程序框图如图3所示。
在整个主程序中，初始化的子程序主要完成对输入输出点、中间变量、时间寄存器和计数寄存器等的复位功能。CB断路器和各个辅助开关的子程序主要完成操作控制的逻辑判断和操作保存。补气阀报警信号扫描子程序则主要完成对各个补气阀状态量发生跳变的报警功能。通过使用STEP7的梯形图工具包，以LAD语言对各个子程序进行了编程，如图4所示为某一个辅助开关的控制程序框图。整个系统通过不断地往返扫描由主程序引导下的各个子程序来完成对系统中各个元件动作的分析、监控和保存记录。
2.2 触摸屏程序设计
在利用PROTOOL对触摸屏TP270进行组态和程序编写时，为使人机界面对系统的控制和状态反馈能够更加直观明了，共对控制界面制作了16个画面，分别显示了系统主控制画面、系统版本信息、各开关和断路器控制画面、操作记录画面、用户管理画面。系统的主画面以对断路器和辅助开关的控制为主导功用，附加了操作记录和用户管理的功能。
系统对不同的操作用户设置了不同的安全级别，用户对任何一个按钮的操作都必须首先通过用户密码和用户等级的确认，无授权密码或者等级不够的用户只能观看系统主画面，不得进行任何操作。本系统中，普通用户只能对各个开关和断路器进行操作控制，无其它权限;而管理员则除了普通操作控制外，还可以进行用户信息的管理和查看用户的操作记录;任何获得了权限的用户只要对主回路中的断路器、辅助开关或者接地开关进行了变动操作，不管成功还是失败，都会被系统以日期、用户、设备、动作、操作结果的模式进行记录和保存。
3 结语
针对当前机械电磁式GIS控制系统存在的不足，文中所介绍的采用了西门子S7-300 PLC和TP270彩色触摸屏的新型GIS智能控制系统。与传统的GIS控制系统相比，具有体积小、可靠性高、实时性好、简单易维护等优点。
参考文献
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[2]李道霖.电气控制与PLC原理与应用(西门子系列)[M].北京:电子工业出版社,2004.
智能开关控制器 篇8
高压开关智能控制系统对煤矿井下供电系统的安全起着至关重要的作用, 它的智能化水平直接反映了煤矿用电设备的发展水平。笔者提出一种矿用高压开关智能控制系统的人机交互功能的实现方案, 该方案采用C语言设计, 主要实现液晶显示和按键输入2个部分的功能。
1 硬件设计
该方案选用杭州清达光电技术有限公司生产的HG1286412-LYH图形点阵单色液晶模块进行显示。该模块为点阵128×64的显示模块, 采用驱动控制芯片ST7920, 带中文字库, 3.3 V/5 V工作电源可选。通过简单的指令即可完成字符或汉字旋转、放大, 字间距、行间距调整, 并且可以任意决定字符的位置、大小和方向。液晶显示模块与单片机的接口有汇流排控制模式 (并口) 和串列控制模式 (串口) 2种[1], 考虑到STC单片机I/O口的个数, 本文选用串口方式。使用STC单片机的2个I/O口线可实现与显示模块的接口;P2.3产生串列控制用的时钟脉冲信号给HG1286412-LYH的脉冲信号接收口E (SCLK) , P2.2传送串列数据给串列资料接收口R/W (SID) 。
由于该系统中需要的按键个数较少, 故采用独立式按键, 每个按键占用1根I/O口线, 且各按键之间的输入状态互不影响, 配置灵活, 软件结构简单, 适用于按键较少或响应速度要求较高的场合[2]。液晶模块显示的内容为工作菜单选项及其对应的参数, 菜单为多级嵌套形式, 最长的有9层, 按键的功能就是完成对菜单中各个工作参数的设置或查询, 可通过“移位”、“确认”、“复位”3个键实现对菜单的选择。各按键具体功能:
“移位”键:在本层菜单的项目中向下移动进行选择, 当移动至本层菜单的最后一项时返回至第一项。
“确认”键:进入光标所在的菜单项目的下级相应菜单页。
“复位”键:用于系统的手动复位。
2 软件实现
该方案软件在C语言环境下编写, 以利于程序的阅读和修改[3]。人机交互功能的实现包括显示和按键操作, 主程序流程如图1所示。
2.1 LCD液晶显示
LCD液晶显示器需要实时显示当前电网电压、负荷电流值, 各种保护参数的选择设置, 发生故障时显示故障状态和故障参数并进行记录。LCD显示多级菜单部分目录如图2所示。
液晶显示子程序包括从第一行顺序写入和在某行某列写入某个数据2个子程序。此外, 显示部分还要满足当移位键移到相应位置时该位置的字符反白显示。部分程序如下:
2.2 按键设计
使用的按键为机械式按键, 按下或释放按键时, 由于机械弹性作用的影响, 通常伴随一定时间的触点机械抖动, 因此, 在程序中采用延时并重复判断键值的方法消除抖动的影响[4]。首先采用查询方式执行1个按键扫描的过程, 主要程序如下:
取得键值以后, 转向键盘服务程序, 根据所按下的键转去执行相应的功能, 获得新的状态索引号, 根据新索引号执行相应的函数, 实现要求的功能程序如下:
根据实际需要, 首先建立一个结构, 并定义结构变量key_table。该结构中共有4个结构元素, 分别是3个字符型变量和1个指针变量。3个字符型变量分别为当前及各个按键的索引号, 也就是操作的状态号, 1个指针变量指向需要执行的函数, 这样就可以做一个结构数组。在结构数组里为每一个菜单项编制1个单独的函数, 并根据菜单的嵌套顺序排好本菜单项的索引号, 以及本级菜单项的下移索引号和确认进入的上、下级菜单的索引号, 再将显示程序头文件包含进来, 并调用相应的显示子程序, 以实现设计目标。结构建立过程如下:
3 结语
本文采用HG1286412-LYH点阵液晶显示模块和3位独立式按键搭建人机交互界面的硬件平台, 运用C语言编写基于STC单片机的程序, 实现了多级嵌套菜单式人机交互界面, 包括菜单的移位选择、菜单进入、数值输入等功能。该界面使矿用高压开关智能控制系统不仅具有完善的保护和控制功能, 而且具有液晶汉字显示、累计运行数据查询、故障记录翻查等更加完善的功能, 实现了矿用配电设备的智能化、数字化。
该界面已在投入现场使用的矿用高压开关智能控制系统中得到应用, 它能根据系统对开关装置执行相应保护功能的要求, 准确完成正常工作状态的显示以及按键的操作处理, 性能稳定可靠。
参考文献
[1]李刚, 林凌, 姜苇.51系列单片机系统设计与应用技巧[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.
[2]田立, 田清, 代方震.51单片机C语言程序设计快速入门[M].北京:人民邮电出版社, 2007.
[3]汪同庆, 张华, 杨先娣.C语言程序设计教程[M].北京:机械工业出版社, 2007.
智能开关控制器 篇9
本文在对智能化变电站设备的构成进行分析的基础上，又充分了解智能化变电站设备的运行模式的前提下，对10kv高压开关柜在线测温技术进行了简要的研究，在此基础上，得出10kv高压开关柜在进行在线温度测量的过程中，所能够提供的相关测温技术，同时本文还对相关的10kV高压开关柜在线测温技术的应用优点以及应用缺点进行了详细的对比描述，从而可以更好的将在线测温技术应用到智能化变电站10kV高压开关柜中。希望本文的研究能够为相关的人员提供一定的参考。
在10kv配电网中，直接对其进行电气配备的电气设备就是10kV高压开关柜，其在长期工作的过程中，需要承担大量的高负荷电流，受到高负荷电流的影响，加之10kV高压开关柜的各部分接头出现松动现象等，就会使得10kV高压开关柜中的电阻增大，电阻的增大就会引发10kV高压开关柜内部热量的上升，从而对其内部会造成严重的损害，因此，需要采取有效的在线测温技术，对10kV高压开关柜内部的温度进行合理的控制，只有这样才能够保障10kV高压开关柜可以正常的运行。
1.10kV高压开关柜在线测温的特点
1.1非接触式的测温技术难以满足要求
就目前我国的10kv配电网中，应用最多的开关柜就是XGN开关柜和KYN开关柜。这两种开关柜都是由隔离开关、断路器以及电缆头等构成，开关柜中很容易堆积一些油污或者是杂质，这些油污和杂质会严重影响到开关柜的正常运行，因此，要对注意对这两种电气设备内部的杂质和油污进行有效的清理，并且要控制其内部的湿度，防止因为潮气对其造成运行上的影响。在如今的XGN开关柜中，通常会在导电的部位设置相应的绝缘热缩包封，也就是说，在XGN开关柜内部，需要进行测温的部位都被绝缘层所包裹，由于该条件的限制，使得相关的检测人员无法在外部对设备的内部进行温度检测。
1.2测温装置需要进行高压绝缘
在10kV高压开关柜正常运行的状况下，其额定电压值为10kv，而外部测温装置无法对其内部进行有效的温度检测，因此，需要采用在线测温技术，在电气设备的内部需要检测的温度点上，装设上相应的温度检测设备，而相应的温度检测信号的接收装置需要安置在开关柜的外部或者是开关柜上，而無论是安置在外部还是在柜上，都需要采取有效的措施，对测温装置与接收装置进行有效的高压阻隔，但是值得注意的是，要注意在进行测温装置安装的过程中，避免对开关柜内部的电气元件造成损害，就上述几个点上来看，测温装置的高压绝缘设定会对在线测温技术发展产生极大的影响，因此，因此，需要相关的人员来着重解决这种问题。
1.3不能够影响到开关柜内部原有电气元件的性能
在10kV高压开关柜内部本身就设置有一些相应的电气元件，这些电气元件都有自身的运行原理，更具有自身的操作属性，这些电气设备需要根据实际的运行操作需要，来选择不同的操作方式。从这一点上来说，要想使得在线测温装置能够正常的工作，就需要在对其安装的过程中，不能够对开关柜内原有的电气设备元件造成影响，要保障开关柜内部的原有电气元件能够正常的应用，其性能可以正常的发挥，这对10kV高压开关柜的整体运行质量都有着明显的影响作用。
1.4要能适应开关柜内部恶劣的工作环境
就我国目前设置的10kV高压开关柜来说，其内部结构通常采用的都是全封闭式的结构，开关柜内部与外部之前处于一种隔离的状态，在开关柜的内部，空气流通状况不佳，而且开关柜内部的温度也相对较高，其在工作中所要承担的电流负荷量也较大，变电站还会对其造成严重的电磁干扰，在这种恶劣的环境下，要想能够充分的发挥出在线测温技术的实际应用效果，就需要采取有效的措施对在线测温技术进行抗干扰能力的提升，同时还要对其负荷能力进行提升，这样就能够有效保障在线测温数据的完整性和真实性。
2.10kV高压开关柜在线测温技术研究现状
2.1红外测温法
红外测温法是一种典型的非直接接触测量方法。目前红外测温仪现场使用十分方便，还具有拍照和自动寻找最高温度点等扩展功能，在电力行业应用非常广泛。但对于10kV开关柜而言，由于红外光路会受到开关柜内部元件及绝缘体的遮挡，难以准确测量被测元件的温度值，也无法对其进行校正，因此通用性较差，只能用于早期10kV开关柜温度的监测，而不能用于目前广为使用的全封闭式金属开关柜。
2.2无线测温法
无线测温法是一种新型的测温方法，它一般由分散式测温装置、温度信息接收装置以及数据处理系统3部分组成。其中，分散式测温装置直接安装于各个测温点，而温度信息接收装置的放置地点与开关柜之间要有一定的距离，两者之间通过无线传输的方式进行通信，从而实现了高压的隔离与绝缘。然而，此种方法也存在一定的问题。最为关键的一点就是分散式测温装置工作稳定性问题，由于该装置的电源一般为电流感应式电源，其能量大小随电力负荷的变化而改变，在电力负荷曲线变化很大的情况下，其能量也会有很大幅度的改变，这样就会造成测温装置时常出现供电不足的现象。
2.3光纤测温法
光纤测温技术作为一种新兴的测温技术，具有十分广阔的应用前景。其最大特点就是可以对开关柜内部电气元件进行“零距离”的温度监测。由于光纤的特性，其既不会受到复杂电磁环境的影响，也不会对开关柜内部原有电气元件的特性造成影响，具有在高电压、强辐射和腐蚀以及强电磁干扰等恶劣环境下不间断连续测温的优异性能，这是其他测温技术所无法比拟的，因此十分适合10kv高压开关柜的温度测量。
3.测温技术比较
表1为10kV高压开关柜各种测温技术优缺点的对比。
表1 测温技术对比
4.结语
智能开关控制器 篇10
10kV配网不接地或小接地系统失地保护是一个世界性的难题。目前, 失地保护虽然可采用谐波比幅比相法、首半波法、有功分量法、能量法, 但是这些方法存在可靠性不高、定位准确率差、不适用于线路较复杂配网的问题。根据“首半波”和“无功功率方向”理论及零序电流原理研发的装置, 其准确率仅达到50%左右, 并且配网线路大部分柱上开关无法安装零序CT, 对单相接地故障也只能采用分段、逐段拉闸停电等方法进行查找。
在故障定位问题上, 国内还没有成熟可靠的解决方案。发生故障后仍无法准确定位故障点, 尤其在发生短路故障时, 一般控制箱仅出口断路器跳闸, 即使在主干线上用开关分段, 也因保护间难以配合而只能判断到线, 基本无法准确定位、隔离故障区域, 因此该方式一般只适用于简单接线网络。
在故障隔离问题上, 目前基本采用基于FTU的集中远方监控馈线自动化系统。当配网发生故障时, FTU将故障信息送至调度主站系统进行拓扑分析计算, 确定故障区段和最佳供电恢复方案, 以遥控方式隔离故障区段、恢复健全区段供电。这种方式虽然能隔离故障, 但是故障拓扑计算对调度主站系统软硬件要求非常高, 同时由于配网点多面广、运行方式复杂, 因此只能判断到线, 基本无法准确拓扑故障区域, 存在拓扑时间长、隔离不可靠问题。若未采用基于FTU的集中远方监控馈线自动化系统, 则基本由人工现场查找故障点。
鉴于以上问题, 需要研发一种具有线路开关智能化控制、失地保护故障定位、故障区域隔离功能的且支持电力宽带多种通信方式的智能控制装置。
1 关键技术
智能控制装置是采用了进口DSP高速采样芯片和单片机控制芯片的新型高压开关控制装置, 集保护、测量、控制、监测、通信、远动等功能于一体, 具有集成度高、配置灵活、界面友好等特点。智能控制器支持电力宽带、光纤、无线等多种通信方式, 支持101协议、104协议、DNP3.0等。
安装在线路柱上开关的智能控制装置由线路测控、故障监测、开关智能控制、通信管理、网络管理等单元组成, 实现线路远程控制及配网自动化管理。装置采用分布式网络结构, 具有完整的数据采集和信息监控功能 (遥测、遥信、遥控、遥调) ;具有故障检测功能, 可检测单相接地、相间短路、过流等故障;具有当地及远方维护、历史数据处理功能;可实现与主站SCADA系统实时信息交互。当检测到零序故障时, 经可整定延时, 装置输出跳闸命令并进入闭锁状态, 不进行自动重合, 可准确定位失地故障点, 有选择性地对失地故障线路跳闸或发信息;相间故障采用三段式保护, 装置检测三相电流判断故障点, 并通过分布式控制器配合来准确定位。
装置无需通过调度主站系统进行分布式拓扑分析计算, 而仅根据现场实际故障情况进行故障区域的自动隔离, 并将故障信息上传至调度中心, 通过快速隔离故障区, 尽快恢复非故障区, 保证配网线路供电的可靠性。
2 智能控制装置组成
智能控制装置主要由智能控制器、电力宽带通信设备组成。智能控制器与电力宽带通信设备采用RJ45以太网接口连接, 满足与配电自动化主站系统通信用部颁104规约。
2.1 电力宽带通信设备
电力宽带通信设备由架空线耦合装置、电力线宽带网桥组成。
架空线耦合装置是一种信号交换装置, 实现高低压两端信号的交换。利用电磁感应原理, 将低压线圈中的高频信号传送到高压线圈, 同时将高压线圈中的高频信号传送到低压线圈, 从而实现架空线耦合装置传输信号与中压架空电力线的耦合。
电力线宽带网桥设备包括PLC头端、PLC中继器和PLC终端, 用于光纤骨干网与中压电力线通信网间的转接, 控制和管理整个PLC宽带网络和设备, 实现网络信号的传输和中继。
2.2 智能控制器
控制器采用FTU智能型控制器, 内含重合闸控制模块、保护模块 (逻辑通信配合保护、后备正反时限保护、零序保护、过压保护、环网功能、涌流保护、后加速度保护等) 、蓄电池、充电模块等。当有外部电源时, 控制箱由外部电源供电;当失去外部电源时, 控制箱内蓄电池保证控制系统全天用电。
控制箱内集成智能控制器具有线路开关智能化控制、失地保护故障定位、故障区域隔离功能, 采集线路上柱上开关的三遥信息, 实现线路远程控制及配电自动化管理, 并支持电力宽带、光纤、无线通信等多种通信方式进行接口改造以及支持接入试验进行信息远传。
3 测试应用情况
从2012年3月开始, 某局结合配网线路开关改造工程, 在10kV解放I线、10kV城东I线等10条配网线路上开展柱上开关和智能控制器 (约100台) 的安装, 并通过电力宽带通信技术实现柱上开关与主站系统的通信, 从而在配电自动化SCADA系统中可实时监控柱上开关“三遥”数据, 保证线路安全运行。目前, 以10kV中新线作为测试线路, 主要进行电力宽带通信及智能控制装置运行测试。
3.1 电力宽带通信测试情况
根据项目实施规划, 在城中线#1杆、城中线#8+1杆、中新线#19杆、中新线#9杆、中新线#0杆B相安装耦合器;在城中线#1杆安装中压设备头端, 接入电业局光纤网络;在城中线#8+1杆、中新线#19杆、中新线#9杆安装中压设备中继;在中新线#0杆安装中压设备终端, 接入中粉站远动柜。通信速率测试结果见表1。
由表1可知, 电力宽带通信技术完全满足自动化通信要求。
3.2 智能控制装置测试情况
根据项目实施规划, 在中新线#9杆安装主线分段开关, 在中新线#4+1杆安装支线开关, 并分别由智能控制装置控制。
智能控制装置出厂后均进行了绝缘电阻测量、介质强度试验、指示灯测试、按键测试、电源电池测试、超压保护测试等;进行了控制箱内部通信测试 (通过电力宽带网桥、耦合器与主站系统连接) , 实现对现场开关及线路的遥信、遥测、遥控信息的采集与监控;在试验室模拟故障时控制装置两两通信实现快速分闸, 隔离故障的过程。
3.3 应用情况
在研究测试期间, 完成了电力宽带设备的安装调试及智能控制器的设计、研制、测试。截止2012年9月, 已在10kV中新线及其支线上安装了10台智能控制装置, 并通过电力宽带设备进行信息传输。智能控制装置已成功与主站系统进行“三遥”数据的收发, 并可实时监控线路故障信息, 极大地方便了对线路的实时监控, 且效果良好。
4 结束语