高压开关柜智能监控系统设计

高压开关柜智能监控系统设计 作 者 姓 名 学 院 名 称 信息与电子学院 指 导 教 师 教授 答辩委员会主席 教授 申 请 学 位 工程硕士 学 科 专 业 电子与通信工程 学位授予单位 北京理工大学 论文答辩日期 2014 Design of High Voltage Switch Cabinet Intelligent Control System 北京理工大学工程硕士学位论文 I 摘要摘要 随着电力系统对安全性的要求越来越高 对电网的监控已成为一个高度重视 的课题 特别对在电力系统中起控制和保护作用的高压开关柜的研究成为一种必 然趋势 开发一种高精度 高可靠性 附带监测及故障自诊断系统的高压开关柜 智能监控系统 具有有着明显的经济效益和社会效益 本课题结合高压开关柜监控的现状和发展趋势 针对高压开关柜设备的开关 状态位置 验电核相 温湿度控制等进行实时监测和智能化管理控制方面进行研 究 在硬件设计中 以高性能微处理器 ARM11 为核心 辅以相应的外围驱动电路 同时采用了诸多的抗干扰措施 以保证系统能够在复杂的环境下正常工作 在软件 设计中 采用嵌入式 Linux 系统作为开发平台 对控制系统的各个模块进行了驱 动程序和应用程序的设计 最后对整个监控系统产品进行了测试验证 测试结果 表明 该控制系统能够进行实时监测和智能化管理 本课题意在通过新的设计思想 使开关柜智能操控系统更符合现代化电力设 备要求 以满足市场和不同的客户需求 关键词 关键词 开关柜 Linux ARM 嵌入式系统 北京理工大学工程硕士学位论文 II Abstract With the growing demand of power system security the controlling of grid has become a high priority task especially for power system control and protection of high voltage switch cabinet has become an inevitable trend therefore research and development of a new type of a high precision high reliability switch cabinet monitoring and fault diagnosis system is of clear economic and social benefits This topic combines high voltage switch cabinet status and development trend of monitoring high voltage switch cabinet equipment on or off position nuclear inspections such as temperature and humidity control for real time controlling and research on intelligent management In the design of hardware microprocessors with high performance ARM11 core complemented by a corresponding peripheral driving circuit together with a lot of anti jamming measures to ensure that the system is able to work in a complex environment In software design used as a development platform for embedded Linux system each module of the control system for driver and application design Finally controlling systems have been tested as a whole to verify test results show that the real time controlling and intelligent system can manage This topic is intended to adopt new design ideas so that intelligent control system switch cabinet electrical equipment more in line with modern requirements to meet the market and different customer needs Keywords Switch Cabinet Linux ARM Embedded System 北京理工大学工程硕士学位论文 III 目录目录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题来源及研究背景 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 课题研究的目的和意义 2 1 4 课题研究的主要内容 2 1 5 论文的组织结构 4 第 2 章 嵌入式体系结构 5 2 1 嵌入式系统概述 5 2 2 ARM 处理器 6 2 3 嵌入式 Linux 操作系统 7 2 4 本章小结 9 第 3 章 系统总体设计 10 3 1 开关柜概述 10 3 1 1 开关柜基本概念 10 3 1 2 开关柜的特点 11 3 1 3 开关柜使用条件 11 3 2 开关柜的智能化技术 12 3 2 1 现代传感器技术 13 3 2 2 微机处理技术 13 3 2 3 状态监测和故障诊断技术 13 3 3 系统总体设计方案 14 3 3 1 硬件设计方案 14 3 3 2 软件设计方案 15 3 4 本章小结 16 第 4 章 系统硬件设计 18 4 1 ARM 开发板 18 4 2 电源电路设计 19 北京理工大学工程硕士学位论文 IV 4 3 开关量输入电路设计 19 4 4 温湿度控制电路设计 21 4 5 带电显示电路设计 25 4 6 加热器断电检测电路设计 26 4 7 通信电路设计 27 4 8 硬件抗干扰 28 4 9 本章小结 29 第 5 章 系统的软件设计 30 5 1 搭建软件开发环境 30 5 1 1 搭建交叉编译环境 30 5 1 2 生成 BootLoader 31 5 1 3 配置与编译嵌入式 Linux 内核 31 5 1 4 嵌入式 Linux 文件系统 33 5 2 监控系统软件总体设计 34 5 3 驱动程序设计 35 5 3 1 Linux 驱动程序概述 35 5 3 2 驱动程序的实现 36 5 4 应用程序设计 38 5 4 1 Linux 文件 I O 编程 38 5 4 2 应用程序与驱动程序的关系 41 5 4 3 应用程序的实现 42 5 5 本章小结 47 第 6 章 系统测试结果 48 6 1 测试平台及环境 48 6 2 测试步骤及结果 48 6 3 本章小结 50 结论 51 北京理工大学工程硕士学位论文 V 参考文献 52 致谢 54 北京理工大学工程硕士学位论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题来源及研究背景课题来源及研究背景 随着我国经济的快速增长 电力需求量日益增加 电力供应量的持续快速增 长给电网设备带来一系列安全问题 而电网设备主要集中在变电站 其中开关柜 作为变电站的重要电气设备 担负着关合及断开电力线路 保护系统安全的双重 作用 对变电站的安全可靠运行起着举足轻重的地位 开关柜作为一种广泛运用 的电力设备 其安全可靠性因而也受到了更多的关注 据不完全统计 国内不少 发电公司 电力公司均出现过不同程度的开关柜故障 很大原因就是缺乏对开关 柜的有效监测及控制 因此研究开发带智能化控制监测功能的开关柜势在必行 目前 各种电气设备的开关柜在线监测技术己备受重视 尤其是以嵌入式技 术为核心的智能化系统因其抗干扰性好 成本低 安装和维护方便等优点得到很 多开关柜生产厂家的青睐 随着监测对象和参数的增加 对智能化系统的要求越 来越高 所谓智能化控制就是在电力系统中引入计算机技术 电子技术 数字信 号处理 网络通信和传感器技术使之能对开关柜进行测量 保护 在线监测 故 障诊断及排风调温等 实现开关柜的智能化 有着明显的经济效益和社会效益 它的特点是用新的传感器采集信息 计算机处理信息 用网络传输信息和用图形 显示信息等 不仅可以提供设备现有的状态 还能进行在线的监测 识别存在的 故障 为开关柜的状态维修提供依据 从而增大开关柜的维修保养周期 提高利 用率 减少维修保护费用 开关柜智能化的研发 已是目前电力制造行业特别是 开关柜制造厂开发研制新产品的方向 本课题是受北京华宇万维有限公司委托进 行开关柜智能化监控系统的研发 其研究的内容将具有重要的学术意义和明显的 工业应用价值 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 在国外一些工业发达国家 配电智能化受到广泛的重视 目前已经发展到智 能化综合管理的阶段 国外配电智能化起步在上个世纪 60 年代 起步阶段的研 究主要集中在馈线自动化方面 以美国和日本为代表 近年来 随着计算机控制 北京理工大学工程硕士学位论文 2 技术和通信技术的发展 国外电器制造商从 20 世纪 90 年代就不断开发新产品 主要大幅度提高电气寿命和运行分断能力 增强电器产品的运行可靠性 同时具 有通信性能和实现总线连接 对开关柜内部的监测方面研究也达到一定水平 在 产品的稳定性方面做出了不小贡献 像一些大型企业如 ABB 西门子公司在这方 面都是先驱者 他们所研制的开关柜智能操控系统一般具有下述诊断功能 1 脱扣回路断线监测 对由于脱扣器线圈短线或者辅助开关接触不良酿成 的断路器分闸故障进行监测 2 温湿度检测 1 2 在柜内上部安装温湿度传感器 随时能根据柜内的温度 湿度 对开关柜内的通风设备进行起停控制 3 防误操作系统监测 具有各种操作的提示及预演 对操作的校核及误操 作的闭锁 禁止操作提示及操作条件提示 配电智能化的发展经历各种模式 目前朝着开放式 一体化和集成化的综合 智能化方向发展 在很大程度上降低了劳动强度 充分利用了现在设备的能力 减少了停电次数和停电时间 带来了可观的经济效益和社会效益 我国智能化的高压电器产品开发工作起步比较晚 主要是高性能 可通信电 器元件以及通信技术上研发明显落后于国外 制约了我国配电系统智能化的发展 虽然近几年 经过不断努力 国内在某些方面已有了初步成绩 但大多是电器本 身的智能化 对开关柜智能化的工作做的比较少些 有的话大多也都停留在监控 和报警这块 在复杂的 重要的环境中根本无法进行 同时这些元件的电气寿命 运行分断能力等主要技术指标与国外存在明显差距 从提高可靠性的系统出发 应用还存在一些问题 1 3 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 随着电力供应市场的逐步深入和现代通信技术的飞速发展 为了保障电力供 应的可靠性 预防潜在的电力故障以及防止灾害的进一步扩大 配电安全操控系 统已经成为了当前重要的研究课题 发展开关柜智能操控系统的工作有着重要的 学术意义和明显的工业应用价值 1 4 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 本课题主要以 Linux 作为开发平台 采用主流的嵌入式硬件 Tiny6410 研究 北京理工大学工程硕士学位论文 3 设计了一种基于嵌入式硬件平台下的智能控制系统 在研发过程中首先需要对开 关柜和故障诊断技术有深入的了解和掌握 把其通用性 兼容性和方便的可扩性 有机结合 逐步实现开关柜智能化这一要求 不仅保证开关柜原有的运行可靠性 还能扩展其他功能 其次应考虑到系统对开关柜自检和自控的功能 使之能为配 电的综合自动化进而发展为电力部门实现无人值班提供可靠的技术基础 最后在 具备基础功能外 需进一步提高性能 扩展其它领域方面应用 突出其智能化和 人性化的特点 系统硬件部分包括电源模块 开关量输入模块 带电显示模块 温湿度控制模块 加热断电检测模块 通信模块以及硬件抗干扰的设计 软件部 分包括驱动程序以及应用程序的设计 其具体工作主要包括 1 控制系统的整体框架分析和设计 选取合适的微处理器设计一个低成本 高效率 合理的框架 并对可扩展性 可靠性方面做深入的研究 2 对控制系统各个硬件模块进行研究 完成相关元器件的选取 设计整个 硬件电路原理图 3 学习 Linux 操作系统的知识及开发方法 主要掌握嵌入式 Linux 内核结 构 驱动程序和应用程序的开发与调试 4 完成智能监控系统的整体开发 并最终实现以下功能 1 显示实际工作状态 开关柜的一次接线图动态显示 由断路器 隔离开关 母线 电流互感器 及接地开关符号形成实时动态模拟显示 这种动态模拟一次接线图 能动态显示 断路器分闸 合闸 接地开关分 合 进程过程中动态 断路器与接地开关的防误 提示等 工作人员可以直观准确地确认该开关柜当前一次主线路状态 从而获得 更直观的状态信息 2 温 湿度控制 温 湿度控制是通过配用温湿度传感器 将信号放大与逻辑比较后输出控制 信号 以启动 停止加热器工作 同时具有加热回路故障检测功能 3 高压验电显示 采用 LED 高压带电显示 当三相同时不带电时 闭锁解除灯亮 启动电磁阀 动作 此种设计解决了传统开关柜上的带电显示装置的缺陷 不仅可实现验电的 北京理工大学工程硕士学位论文 4 功能 并显示清晰醒目 可有效防止误操作 4 通信功能 实现上位机对下位机的监控 进行远程自动化管理 1 5 论文的组织结构论文的组织结构 本课题主要介绍了控制系统硬件部分和软件部分的设计与实现 全文结构如 下 第 1 章 绪论 简单介绍了该课题的选题背景和研究意义 给出了本论文的 主要研究内容 最后介绍了论文的组织结构 第 2 章 嵌入式体系结构 简单介绍了嵌入式系统 ARM 处理器以及嵌入 式 Linux 操作系统 第 3 章 控制系统总体设计 介绍了控制系统硬件和软件总体框架 第 4 章 控制系统硬件设计 详细介绍了硬件设计的各个模块及电路设计原 理 第 5 章 控制系统软件设计 首先介绍了软件开发环境的搭建 然后介绍了 控制系统驱动程序和应用程序的设计 第 6 章 控制系统测试结果 给出了控制系统的测试结果 结果表明此控制 系统满足项目功能需求 最后是结论部分 总结全文 并给出了下一步工作方向 北京理工大学工程硕士学位论文 5 第第 2 章章 嵌入式体系结构嵌入式体系结构 2 1 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 进入 21 世纪以来 嵌入式系统在工业机器人 医药设备 电话系统 卫星 飞行系统等领域扮演了越来越重要的角色 嵌入式系统的应用充满了我们生活的 每一个角落 其典型的代表有 机顶盒 手机 冰箱 汽车 航天飞机 空调等 按照国际电气和电子工程师协会 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 嵌入式系统定义为 为满足特殊的需求而设计的 紧密结合的软硬 件集合体 嵌入式系统由嵌入式操作系统 嵌入式微处理器 用户应用程序 外围硬件设备等四部分共同组成 它通常执行的是带有特定需求的预先定义的任 务 由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务 设计人员能够对它进行优化 减小 尺寸和降低成本 嵌入式系统 3 4 的发展 可以分为三个阶段 第一阶段 以单个芯片为核心的可编程控制器 这些控制器主要应用于一些 专业性比较强的工业控制设备中 它没有操作系统 主要通过汇编语言 C 语言 编程来完成对相应设备的控制 第二阶段 具有简单操作系统的嵌入式系统 这时的操作系统在扩展性和兼 容性方面还不够完善 第三阶段 具有嵌入式操作系统的嵌入式系统 其特点有 系统内核精简 效率比较高 具有高度的扩展性和模块化 兼容性比较好 能够在不同的处理器 上运行 具有图形窗口 文件管理 多任务等功能 拥有众多的程序接口 便于 应用和驱动程序开发 根据上述描述 嵌入式系统具有以下几个重要的特点 1 系统精简 由于嵌入式系统不需要实现过于复杂的功能 所以不需要 庞大的系统进行支持 这样一方面便于功能设计的实现 一方面便于系统成本的 控制 2 专用性强 系统的硬件和软件结合非常密切 一般情况 针对不同的 任务 需要对内核进行相应的裁剪 只保留特定的功能 北京理工大学工程硕士学位论文 6 3 内核小 嵌入式系统主要用于小型的电子设备 需要的系统资源比较 有限 所以 其内核比较小 小的只有几 K 大小 4 需要专门的开发环境 进行嵌入式开发时 一般有宿主机和目标机之 分 宿主机首先需要建立好嵌入式系统开发环境 然后在宿主机上进行程序的开 发以及交叉编译 目标机用于运行编译好的程序 2 2 ARM 处理器处理器 处理器是控制系统设计的核心芯片 所以在设计嵌入式系统的时候一定要选 好这个核心芯片 要从我们的系统的实际需求来选择 其中包括需求工作频率 IO 口数量 外设接口 网络资源及稳定性等方面 目前嵌入式芯片种类繁多 功能也越来越强大 比较流行的嵌入式处理器 5 主要有 MIPS PowerPC X86 ARM 等 但它们的兼容性 功耗 价格等不同 使得它们适合不同的场所 表 2 1 列出了它们的优缺点 表 2 1 主要处理器性能对照表 ARMX86MIPSPowerPC 处理速度低高低低 价格价格低较高高高 兼容性兼容性高高高高 市场占有率市场占有率高高低低 功耗功耗低高低低 MIPS 和 PowerPC 处理器市场定位和成本都比较高 对于大量的普及并不合 适 x86 系列处理器对硬件和软件的兼容性都很好 并且处理速度最快 但它的 价格较高 并且高功耗容易导致发热 因此不适合于我们的嵌入式产品开发 基 于 ARM 体系结构 6 的嵌入式处理器 它采用了 RISC 构架 具有丰富内部资源 体积小 低功耗 低成本 高性能等特点 由于支持 Thumb ARM 双指令集 能 很好的兼容 8 16 位器件 非常适合于做二次开发 在 32 位处理器上更是占据优 势 它己占据了 80 以上的 32 位嵌入式处理器市场份额 目前很多公司都有 ARM 的授权开发出来的芯片 价格也不高 兼容各个行业的产品开发 已成为 全球很多公司嵌入式开发的首选处理器 目前 基于 ARM 核的处理器主要有 ARM7 系列 ARM9 系列 ARM9E 系 列 ARM10E 系列 ARM11 系列 SecurCore 系列 Xseale 系列 ARM7 ARM9 和 ARM11 是当前 ARM 核嵌入式处理器中技术成熟 应用较多的 北京理工大学工程硕士学位论文 7 三大系列 ARM 芯片 在芯片结构方面 ARM7 采用的是冯诺依慢结构 而 ARM9 ARM11 采用的是哈佛结构 所以 AEM9 ARM11 性能要比 ARM7 高一 点 ARM9 ARM11 采用了 5 级流水线 并带有 MMU 功能 无论从执行效率 外设接口以及应用范围等方面都比 ARM7 系列更胜一筹 ARM11 相对 ARM9 来 说 拥有更高的主频 这也意味着拥有更强的数据处理能力 同时两者的市场价 格也不相上下 因此 课题最终选用以 ARM1176JZF S 为核的 S3C6410 作为此 嵌入式系统的处理器 2 3 嵌入式嵌入式 Linux 操作系统操作系统 智能化嵌入式系统通常需要完成复杂的功能 这就要进行多个进程间的调度 这种就需要使用操作系统来实现了 但是我们常用的桌面系统往往都比较大 并 且实时性不高 所以促使了一大批嵌入式操作系统的发展 在上世纪 80 年代出 现了许多公司发起了嵌入式操作系统的开发潮流 并出现了一些很有价值的操作 系统 它们的出现大大提高了嵌入式系统的开发效率 成了嵌入式技术从传统的 走向现代化 智能化的一个转折点 作为嵌入式系统 包括硬 软件系统 极为重要的组成部分的嵌入式操作系 统 通常包括与硬件相关的底层驱动软件 系统内核 设备驱动接口 通信协议 图形界面 标准化浏览器等 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点 如 能够有效管理越来越复杂的系统资源 能够把硬件虚拟化 使得开发人员从繁忙 的驱动程序移植和维护中解脱出来 能够提供库函数 驱动程序 工具集以及应 用程序 嵌入式操作系统继承了通用操作系统的基本思路和原理 针对应用领域 和依赖的处理器的特性进行了优化 去除了一些冗余的功能 加强了一些嵌入式 领域特殊的需求 嵌入式操作系统在系统实时高效性 硬件的相关依赖性 软件固态化以及应 用的专用性等方面具有较为突出的特点 经过多年的发展 目前常见的嵌入式操作系统主要有以下几种 l VxWorks VxWorks 操作系统由 Wind River 公司于 1983 年设计开发的操 作系统 因为其具有高实时性 可靠性和可裁剪性 所以被广泛用于通信 军事 航空 航天等高端领域中 VxWorks 具有很小的内核 可小到只有几 KB 所以 占空间很小 但 VxWorks 是商用操作系统 并没有实现开源 北京理工大学工程硕士学位论文 8 2 C OS C OS 是美国人 Jean J Labross 编写的嵌入式操作系统 C OS 的大部分代码采用 C 语言写成 它的优点是系统十分简洁 并且属于开 源系统 让开发者学习起来十分方便 目前已被移植到 ARM PowerPC MIPS 和 X86 等多种体系结构上 但不足之处在于很多驱动模块必须要自己去编写 3 Windows CE Windows CE 是 Microsoft 公司 1997 年开发出的嵌入式操作 系统 由于是 Microsoft 公司开发的 所以拥有很好的兼容性 其开发过程和 window 一下的各操作系统类似 并兼容很多软件 因而近年来也深受开发者喜 欢 但它也不是开源系统 4 Linux 因为嵌入式 Linux 操作系统是一款开源 自由和可裁剪的嵌入式 操作系统 所以成为了很多开发工程师的首选 目前 如果要开发一款带操作系 统的嵌入式产品 70 以上的项目会选择嵌入式 Linux 作为操作系统 并且 Linux 对新硬件 新协议有着十分完美的支持 根据 IDC 的报告 Linux 已经成为全球 第二大操作系统 此外 还有 palm05 QNX lynxOS pSOS Hopen05 等嵌入式操作系统 Error Reference source not found 嵌入式操作系统就如嵌入式产品的血液 它给了嵌入式 产品的灵魂 在嵌入式系统的设计过程中 操作系统的选择十分重要 因为这影 响到工程开发的工作量 软件兼容性及工程后期开发 升级和维护的可靠性 嵌 入式有商业型和免费型 商业型的一般有完整的技术支持 但它却要定期支付费 用 而免费的不仅成本上节约了 并且拥有系统所有的开源代码 对于经验丰富 的开发者更是完美 另一方面需要考虑是否能很好的支持我们的硬件平台 那么 对我们开发的工作量具有决定性的作用 目前的嵌入式都能满足我们系统开发的要求 但是需要结合我们系统开发的 一些自身条件来选择 综合以上来说本系统选择 Linux 作为本控制器的操作系统 更为合适 结合我们控制系统的硬件架构 性能需求和可扩展的要求 Linux 主 要有以下几个方面的优势 1 系统稳定 功能强大 良好的硬件支持 应用软件多 简单易用 Linux 是个和 UNIX 相似 以核心为基础的 完全内存保护 多任务 多进程的 操作系统 它可以非常稳定地运行在许多种体系结构的处理器上 Linux 内核与 用户空间的内存管理分开 提高了系统安全可靠性 因此不会由于一个用户程序 错误而引起系统崩溃 北京理工大学工程硕士学位论文 9 2 模块化设计 Linux 操作系统的驱动和应用程序可以以模块的形式存在 需要时 可以把 相应模块编译到内核 这样可以结合特定的环境定制不同的模块 3 使用成本低 Linux 具有开放的源码 免费的网络技术支持 大量的文档和丰富的软件资 源 是进行嵌入式操作系统开发非常好的选择 Linux 下可以免费获得遵循 GPL 规定的 C C Java 等一系列的软件工具开发包 这样可以大大降低系统开发 的成本 Linux2 6 于 2003 年发布 它的多种内核机制都有了重大改进 无论对大系统还 是小系统的支持都有很大提高 Error Reference source not found 因此 本系统设计采用了 嵌入式 Linux2 6 38 作为操作系统 2 4 本章小结本章小结 本章首先介绍了嵌入式系统的概念 给出了嵌入式系统的定义 并阐述了嵌 入式系统的发展过程以及特点 然后介绍了 ARM 处理器 本文从兼容性 价格 功耗等方面分析了目前几种常用的 ARM 处理器 并最终选定 ARM1176JZF S 为 核的 S3C6410 作为控制系统的处理器 最后介绍了嵌入式操作系统 并列举了几 种常见的嵌入式操作系统 重点介绍了 Linux 操作系统的特点 最终结合各种因 素 选择嵌入式 Linux2 6 38 作为控制系统的操作系统 北京理工大学工程硕士学位论文 10 第第 3 章章 系统总体设计系统总体设计 3 1 开关柜概述开关柜概述 3 1 1 开关柜基本概念开关柜基本概念 开关柜 9 是输配电系统中的重要设备 作为接受与分配电能之用 根据电压 高低 可分为高压开关柜和低压开关柜两大类 按装置地点的不同 可分为户外 式与户内式 按是否可以移动 又可分为固定式和手车式 它是以断路器为主的 电气设备 是制造商根据电气一次主接线图的要求 将有关的高低压电器 包括 保护电器 控制电器 测量仪表 以及母线 绝缘子 载流导体等装配在封闭的 或敞开的金属柜体内 开关柜承担着接通 断开电力线路 故障保护等重要作用 电路线路中的外线先进入开关柜内主控开关 然后进入分控开关 各分路按其需 要进行设置 开关柜结构图如图 3 1 所示 图 3 1 开关柜结构图 1 手里操动及连锁机构 2 主开关室 3 电磁操动机构 4 接地母线 10 电缆室 5 母线室 6 压力释放通道 7 仪表室 8 二次小母线室 9 组合开关室 北京理工大学工程硕士学位论文 11 开关柜防护必须做到的 五防 要求 1 防止带负荷分 合隔离开关 断路器 负荷开关 接触器合闸状态不能 操作隔离开关 2 防止误分 误合断路器 只有操作指令与操作设备对应才能对被操作设 备操作 3 防止接地开关处于闭合位置时关合断路器 负荷开关 只有当接地开关 处于分闸状态 才能合隔离开关或手车才能进至工作位置 才能操作断路器 负 荷开关闭合 4 防止在带电时误合接地开关 只有在断路器分闸状态时 才能操作隔离 开关或手车才能从工作位置退至试验位置 才能合上接地开关 5 防止误入带电间隔 只有隔室不带电时 才能开门进入隔室 3 1 2 开关柜的特点开关柜的特点 1 有一 二次方案 这是开关柜具体的功能标志 包括电能汇集 分配 计量和保护功能电气线路 一个开关柜有一个确定的主回路 一次回路 方案和 一个辅助回路 二次回路 方案 当一个开关柜的主方案不能实现时可以用几个 单元方案组合而成 2 开关柜具有一定的操作程序及机械或电气联锁机构 实践证明 无 五 防 功能或 五防功能不全 是造成电力事故的主要原因 3 具有接地的金属外壳 其外壳有支承和防护作用 因此要求它应具有足 够的机械强度和刚度 保证装置的稳固性 当柜内产生故障时 不会出现变形 折断等外部效应 同时也可以防止人体接近带电部分和触及运动部件 防止外界 因素对内部设施的影响 以及防止设备受到意外的冲击 4 具有抑制内部故障的功能 内部故障 是指开关柜内部电弧短路引起的 故障 一旦发生内部故障要求把隐患限制在隔室以内 3 1 3 开关柜使用条件开关柜使用条件 1 环境温度 周围空气温度不超过 40 上限 一般地区为 5 严寒地 区可以为 15 环境温度过高 金属的导电率会降低 电阻增加 表面氧化作用 加剧 另一方面 过高的温度 也会使柜内的绝缘体的寿命大大缩短 绝缘强度 下降 反之 环境温度过低 在绝缘件中会产生内应力 最终会导致绝缘件的破 北京理工大学工程硕士学位论文 12 坏 因此需要温度控制 2 海拔高度 一般不超过 1000 米 对于安装在海拔高于 1000 米处的设备 外绝缘的绝缘水平应将所要求的绝缘耐受电压乘以修正系数来决定 由于高海拔 地区空气稀薄 电器的外绝缘易击穿 所以采用加强绝缘型电器 加大空气绝缘 距离 或在开关柜内增加绝缘防护措施以进行湿度控制 3 环境湿度 日平均值不大于 95 月平均值不大于 90 4 地震烈度 不超过 8 级 5 其他条件 安装在没有火灾 爆炸危险 严重污染 化学腐蚀及剧烈振 动的场所 3 2 开关柜的智能化技术开关柜的智能化技术 智能化开关柜 10 是在计算机技术 传感器技术 数据处理技术等基础上发展 起来的新型电器产品 它的发展大致可以分为以下三个阶段 第一个阶段 初级智能型 微机保护 个别在线监测功能及通信 第二个阶段 基本智能型 电子传感器的应用 控制 操作集成化 电动 操作 在线监测 通信 第三个阶段 智能型 全面在线监测 统一架构的系统平台及三层网络集 成的通信模式 即变电站层与上级调度中心通信 网络层设备间的信息集成和点 对点通信 间隔层设备内部各种 LED 的集成 为此 开关柜智能化应从以下三方面考虑 1 开关柜作为供电设备 如变压器 电动机 馈电线等等 的基本控制与 保护电路 应能保障他所控制 保护对象在任何工作状态下都能可靠工作 2 应加强对开关柜这一机 电 磁结合的装置自身工作状态的监测与控制 主要是指非电量的测试 提高工作可靠性 3 智能开关柜作为基本元件 它是电网运行自动化 工厂自动化 过程控 制自动化等自动化系统的组成基础 它应保障上述系统的安全 可靠 经济运行 在上述三个方面都达到了最佳性能指标的开关柜称为 智能型开关柜 鉴 于开关柜本身 开关柜控制对象和开关柜组成的电力网三者具有物理成功的复杂 性 不确定性和模糊性 难以有精确的数学模型 所以智能型开关柜需要采用各 北京理工大学工程硕士学位论文 13 种先进的技术 通过感知 学习 记忆和自适应手段来进行有效的处理和控制 以使各方面都基本达到最佳性能指标 3 2 1 现代传感器技术现代传感器技术 以往电力系统中作为测量和保护用的互感器普遍使用电磁式 随着现代电力 系统电压的升高和容量的增长 某些复杂的继电保护装置不仅能反映短路电流的 大小 还能反映相位和波形 甚至反映电流的突变率 因而使用传统的电磁式互 感器已不能满足目前高压开关设备多功能的需要 这就对现代传感器技术提出了 更严格的要求 随着现代光纤技术的发展 基于法拉第旋光效应的光电互感器和 光电传感器相继出现 现己投入使用的光学电力互感器由于测量范围宽 绝缘简 单可靠 无二次开路危险 抗电磁干扰能力强 体积小 易于同微机保护接口等 优点 已在高压开关设备中得到应用 3 2 2 微机处理技术微机处理技术 微机处理技术的发展是实现智能化控制的前提 它是集测量 运算 决策 控制 保护及遥控与一体的综合化智能体系 可以安装于高压开关设备内部 直 接面向一次设备或者设备组合 能完成个子对象的保护 实时电力监控 状态信 息记录和历史记录功育跳微机处理技术还可作为计算机分层网络的终端 具有多 种可选的通用网络接口 便于事故分析和状态监视 形成微机防误操作和安全保障 系统 适应变电站自动化的需要 3 2 3 状态监测和故障诊断技术状态监测和故障诊断技术 电气设备的状态监测和故障诊断是其智能化的基本手段 起源于 20 世纪 70 年代 经过多年的发展 现代高压开关设备的检测工作正日趋完善 例如 对电 压 电流 断路器合 分工作状态等的检测功能 对温湿度超过正常范围的报警功 能 这些功能依靠先进的通信手段将各单元有机联系起来 实现电力系统的集中 微机监控 电力设备状态监测系统是指在设备使用期内连续不断检查和判断设备 状态 预测设备状态发展趋势的系统 通常通过设备运行状态量反映设备运行情 况 首先获取诊断对象的状态信息 采集电力设备的电压 电流 频率 局部放 电量以及磁力线密度等信号 电力设备故障诊断过程如图 3 2 所示 北京理工大学工程硕士学位论文 14 图 3 2 电力设备故障诊断过程 3 3 系统总体设计方案系统总体设计方案 系统开发的方案是根据开关柜的组成 监控系统的特点 温湿度的采集 故 障诊断 通信技术等方面进行仔细分析的基础上提出来的 系统不仅要达到对开 关柜实现数据与操控的目的 还要符合开关柜智能化的要求 因此系统的设计需 要考虑实时性 可靠性及安全性等方面的要求 在总体设计方案中 采用了核心 板加外围模块组成完整的平台 同时在底层硬件基础上逐步构建系统的软件框架 引入实时操作系统 不但能满足目前系统的要求 同时便于系统的升级与扩展 系统总体功能结构框图 如图 3 3 所示 图 3 3 系统总体功能结构框图 3 3 1 硬件设计方案硬件设计方案 本课题硬件设计以高集成度微处理器 ARM 为核心 辅以相应的外围电路 管理电路 以实现对信号的采集和控制 作为配电自动化产品 其运行的可靠性 应摆在首位 否则因产品自身故障反而提高了开关柜的故障率 这是与配电自动 化的初衷相背离的 因此对开关柜的电磁兼容设计应摆放在重要地位 在整体设 信号测取 状态趋势 故障情况 状态征兆特征信号电力设备 状态分析状态诊断特征提取 16路输入 输出温湿传感器 LCD 电源 ARM RTC I OUART UART 6路继电 器输出 调试接口UART 61850协议设备网口 摄像头 断口可视化光耦 I O U盘 键盘USB 验电核相I O 北京理工大学工程硕士学位论文 15 计中采用模块化的设计思想 以提高研制产品的通用性和降低开发的风险 提高 调试速度 具体模块如下 1 开关量输入 根据开关柜的工作特点及其作用 本系统需要实时采集开关柜内部工作位置 状态及缺相监测 判断开关柜运行是否正常 并通过指示灯和 LCD 显示及时反 应出来 2 LCD 显示 开关柜内部的温湿度直接关系到开关柜是否处在正常的环境下运行 根据环 境不同需要对采集的温湿度设置相应的上下限预值 以及切换界面来显示不同界 面的操作流程 3 温湿度控制 为了更准确的控制开关柜内部环境变化 提高开关内部工作环境的可靠性 系统中在采用高精度温湿传感器对开关柜内部进行温湿度采集的同时 加入了温 湿调节电路 当环境出现异常的时候 通过 CPU 控制加热除湿电路 及时有效 地调节开关柜内部工作环境 4 加热电路监测 加热器故障是开关柜使用中较常见的故障 一旦加热器出现故障 开关柜设 备内部极有可能产生凝露 凝露将直接影响到机构的动作 因此 有必要对加热 器是否正常工作进行智能检测 5 人机通信 为了方便操作人员能在 PC 机前实时的监控开关柜的工作状态 实时接收从 开关柜操控系统上传的运行参数 系统设计了与 PC 机通信的模块 模块采用可 视化界面实时显示开关柜运行状态以及温湿度变化 3 3 2 软件设计方案软件设计方案 软件设计是开关柜智能操控系统作为一个完整系统的重要组成部分 本课题 设计的软件应实现对在线监测 温湿度监控 数据通信 人机交换等功能 设计 中引入嵌入式 Linux 系统 采用 C 语言开发工具 实现高效运行 优化中断的应 用 使软件结构清晰 调试方便 软件模块化设计的思想 使编写的代码更具有 可读性和可维护性 同时 软件模块化有利于开发过程中快速运行 嵌入式操作系统 Embedded Operating System 简称 EOS 是一种用于嵌入 北京理工大学工程硕士学位论文 16 式系统的操作系统 它是嵌入式系统极为重要的组成部分 通常包括与硬件相关 的底层驱动软件 系统内核 设备驱动接口 通信协议 图形界面 标准化浏览 器等 嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软 硬件资源的分配 任务调度 控制 协调并发活动 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点 如能够有 效管理越来越复杂的系统资源 能够把硬件虚拟化 使得开发人员从繁忙的驱动 程序移植和维护中解脱出来 能够提供库函数 驱动程序 工具及应用程序 与 通用操作系统比较 嵌入式操作系统在系统实施高效性 硬件的相关依赖性 软 件固化有较为突出的特点 本设计在确定软件设计的整体框架后 在具体实施架构的过程中 采用了分 系统 分模块实现的思路 整个系统共设计了操作系统的移植设计 初始化任务 设计 各功能模块的设计等三个步骤来完成整个系统功能 1 操作系统的移植 操作系统最主要的功能之一就是管理系统的硬件资源 而 CPU 作为最重要 的硬件资源 必然由操作系统直接管理 一般基于嵌入式 Linux 系统的开发环境 是由目标板和宿主机共同构成 目标板用于运行嵌入式操作系统以及开发的程序 由于目标板处理器内存以及主频的限制 需要宿主机先将目标板所用到的系统内 核以及各种开发的程序进行编译 然后再下载到目标板运行 2 初始化任务 完成 ARM 和应用系统的初始化工作以及对系统进行初始参数设置工作 主 要通过共享内存和消息队列的方式向各子任务系统提供各种标准参数和进行相关 的参数设置工作 3 各功能模块设计 主要处理所有核心功能 包括在线监测工作状态 验电核相 温湿控制和数 据通信等各任务的实现 3 4 本章小结本章小结 实现开关柜智能操控系统的各项功能 本章首先对开关柜内部结构及使用条 件进行分析 在根据开关柜的组成 监控系统的特点 温湿度的采集 故障诊断 通信技术等方面进行仔细分析的基础上提出了整个系统的结构框图 其次 对硬 件软件设计方案进行了详细的说明 最终确定了采用基于 ARM 的 Linux 操作系 北京理工大学工程硕士学位论文 17 统的总体方案 第第 4 章章 系统硬件设计系统硬件设计 4 1 ARM 开发板开发板 Tiny6410 开发板包括核心板和底板两部分 如下逐一进行介绍 1 Tiny6410 核心板 Tiny6410 是一款以 ARM11 芯片 SAMSUNG S3C6410 作为主处理器的嵌入 式核心板 该 CPU 基于 ARM1176JZF S 核设计 它集成了强大的多媒体处理单 元 能够实现对视频文件格式进行编解码 可同时输出至 LCD 和 TV 显示 Tiny6410 采用 6 层板设计 尺寸为 64 50mm 它内部集成了 128M 256M DDR RAM SLC NAND Flash 256M 1GB 存储器 采用 5V 供电 在板实现 CPU 必需的各种核心电压转换 还带有专业复位芯片 通过 2 0mm 间距的排针 引 出各种常见的接口资源 以供二次开发使用 2 Tiny6410SDK 底板 Tiny6410SDK 是针对 Tiny6410 核心板而设计的底板 它能够对核心板的各 种功能进行验证 并在此基础上进行开发 其资源特性如表 4 1 所示 表 4 1 Tiny6410 资源特性 项目描述项目描述 供电5V频率 运行频率 533Mhz 最高可达 667Mhz CPU Samsung S3C6410A ARM1176JZF S RAM 128M DDR RAM 可升级至 256M 2D 支持图形图像无极缩放 旋转 翻 转 3D支持 3D 硬件加速处理 USB 主实现 4 个 USB Host 接口 USB 从 1 x mini USB 底板没有设计 OTG 功能 Nand Flash 128M 256M 512M 1GB 缺省为 256M 测试 按键 8 x User Buttons 中断式按键 网络 接口 10 100M MB 以太网 RJ 45 接口 LCD 接口 3 种 LCD 接口引出座 串口4 x RS232 DB9 串口 多媒 体 支持 Mpeg4 H 264 H 263 硬件编 解码 调试口COM0 JTAG USB Slave指示4 x User LED 在核心板 1 x 北京理工大学工程硕士学位论文 18 灯Power LED 音频 3 5mm 标准双声道音频输输入输 出口 SD 卡普通 SD 卡座 4 2 电源电路设计电源电路设计 在本设计中 需要提供 3 路电源 11 采用 NK203 电源管理芯片 其中 核 心开发板的电源电压是 5V LCD 的电源电压为 24V 16 路光耦输入和 6 路继电 器输出的电源电压是 24V 三路电源各自独立 电路原理图如图 4 1 所示 图 4 1 电源电路 4 3 开关量输入电路开关量输入电路设计设计 开关量输入及动态输出显示电路主要是在线监测开关柜各设备功能是否正常 运行 通过模拟输出显示目前开关柜运行的状态 本系统设计中需要将上隔离开 关 下隔离开关 断路器 接地开关等信号提供给控制系统来监测开关柜的运行 状态 并进行相应的处理 由于在采集各种工作状态的信号时 相互之间会有多 个干扰 为防止各种信号的干扰 本系统利用光电耦合元件 TLP181 实现现场隔 离 光电耦合元件是以光作为媒体来传输电信号的一组装置 其功能是平时维持 电信号输入 输出间有良好的隔离作用 需要时可以使电信号通过隔离层进行传 送 光电耦合元件 Optical Coupler 亦称光耦合器 光隔离器以及光电隔离器 简称光耦 光耦合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 北京理工大学工程硕士学位论文 19 输入的电信号驱动发光二极管 使之发出一定波长的光 被光探测器接收而 产生光电流 再经过进一步放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到 输入 输出 隔离的作用 由于光耦合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有 单向性等特点 因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输 入端属于电流型工作的低阻元件 因而具有很强的共模抑制能力 所以 它在长 线传输资讯中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比 在电脑数位通信及即时控 制中作为信号隔离的接口器件 可以大大增加其工作之可靠性 其内部结构图如 图 4 2 所示 图 4 2 光电耦合器内部结构图 开关量输入电路如图 4 3 所示 当有开关量输入时 光电耦合器内部二极管 导通 使光敏三极管饱和导通 于是输出信号就会有电位的变化 当没有信号时 S3C6410 的 I O 口为高电平 当有信号时 I O 口为低电平 本系统开关量输入电 路设计有 16 路 实际上只用到了其中的 8 路 分别为上隔离合 上隔离分 下 隔离合 下隔离分 断路器合 断路器分 接地刀合 接地刀分 其余做备份使 用 北京理工大学工程硕士学位论文 20 图 4 3 开关量输入电路 4 4 温湿度控制电路设计温湿度控制电路设计 北京理工大学工程硕士学位论文 21 开关柜中的电子器件的正常工作对温度和湿度是有要求的 温度过低 电子 器件不能正常工作或损坏 湿度过高会在绝缘表层形成凝露 降低绝缘性能而放 电 因此准确的温湿度测量控制是保障开关柜安全运行的必要条件 本课题采用 SHT71 温湿传感器 12 每隔一定时间采集开关柜温度与湿度信 息 当温