基于MC9S08AW32芯片的开关柜智能测控装置设计及应用

0 引言

开关柜一般有断路器（负荷开关）、隔离刀闸、接地刀闸等一次开关设备。在运行或调试中，监测这些一次开关设备状态是至关重要的。在传统的开关柜上，一般使用信号灯来指示这些状态的，这样做显示不直观，且接线不方便。开关柜智能测控装置将一次设备状态显示与开关柜的一次方案图相结合，LED显示器件置于一次方案图中设备符号所处位置，电路状态一目了然，生动直观，如图1所示。

同时集成的高压带电显示、自动温湿度控制、电参数测量功能使开关柜盘面简洁大方，降低二次接线工作量。

1 硬件设计方法

1.1 设计平台

 ***处理器采用Freescale公司的***款基于高度节能型S08核的器件MC9S08AW32高性能单片机，该单片机片上资源丰富，支持BDM片上调试功能，片内集成看门狗电路，抗干扰能力突出，具有业内***佳的EMC性能。CPU总线频率***高可达20MHz，***高运行速率可达40MHz。丰富的片上资源：32KB在线可编程FLASH存储器，内部时钟发生器，带有2个可编程定时器，丰富的I/O口：双SCI口，SPI、I2C等接口，极大的方便了硬件的扩展。

1.2 设计框图

装置硬件电路设计框图如下，整个系统以MC9S08AW32为核心，按功能可划分为***处理单元、电源模块、电压电流采样及运算、开关量控制模块、温湿度采集模块、人机交互模块、通讯模块等。

1.3 部分电路

 1.3.1***处理单元

 ***处理单元电路图如图3所示，CPU对采样信号进行处理计算，根据测量得到的电流、电压、温湿度值与预先设定的各种保护数值进行对比，由此来判断开关柜的电压电流是否正常、温湿度状况是否正常，若不正常则输出相应的告警信息。外部扩展了铁电存储器，用于存储一些重要的参数，即使以后升级程序也不会丢失先前的重要数据。

1.3.2开关量控制模块

开关量控制模块包括开关量输入和告警输出，其电路图如图4所示。开关量输入经光电耦合接入CPU；告警由GPIO口经光电耦合器连接到继电器输出。开关量输入设有8路，依次对应一次图中的断路器合、断路器分、手车工作位置、手车试验位置、接地刀位置以及弹簧储能指示，其余预留。开关量输入对应一次图可编程设置。开关量输出设有6路，依次输出加热器1、加热器2、风扇、告警、照明、闭锁的状态。

3 实现的技术指标及性能

ASD系列开关柜智能测控装置的技术指标见表1。产品设计时采用优异的电磁干扰PCB设计技术，生产时经过整机带电老化与出厂检验测试，确保了产品的长期工作的稳定性和可靠性。

 

               表1 ASD装置技术指标

技术参数		指标
输入	网络	三相三线、三线四线
	频率	45～60 Hz
	电压 /电流	额定值：AC 100V/5A
		过负荷：1.2倍额定值（持续）；2倍额定值持续1秒
		功耗：电压回路小于 0.5VA；电流回路小于1VA
输出	电能	输出方式：集电极开路的光耦脉冲
		脉冲常数：32000imp/kWh
	通讯	RS485接口，MODBUS-RTU协议
精度	电参量	频率0.05Hz、无功电能1级，其余0.5级
	温湿度	温度：&plu***n;1℃；湿度：&plu***n;4%
开关量输入		8路干接点输入，内置+12V电源
开关量输出		输出方式：6路继电器输出
		触点容量：AC250V/5A
电源		AC90-285V，DC100-300，功耗≤8VA
安全性		工频耐压：AC2kV/1min；绝缘电阻：＞100MΩ
电磁兼容性 兼容		静电测试：3级；脉冲群测试：4级；浪涌测试：4级
环境		工作温度：-10～55℃；存储温度-20～70℃；相对湿度：5%～95%不结露；海拔高度：小于2500米

 

 

 

4 应用案例

 

在某水泥厂高压开关柜设计中，全部采用了ASD系列开关柜智能测控装置。应用方案见图6。图中信号指示回路通过开关量输入采集来实现一次原理图指示；带电显示回路通过高压传感器输入来指示母线是否带电；温湿度控制回路通过温湿度传感器输入来实现温湿度控制。并带有Modbus通讯输出, 供用户远程监测和控制。一改以往每个开关柜需配备不同厂家的多种产品，既减少了工程量节约了成本，又提高了系统的可靠性。投入试用的开关柜智能测控装置以其良好的稳定性和可靠性能保证了对开关柜内的一次设备的保护，并且保证了对于电压、电流、功率等参数的准确测量和对电能的准确计量，同时方便了用户对开关柜的实时监控。

 

 

5 结语

开关柜智能测控装置针对电力开关柜的控制要求设计，适用于中置柜、手车柜、固定柜、环网柜等多种开关柜。该产品已经系列化，集操作、显示于一体，满足多种客户的需求，具有功能齐全、运行可靠、抗干扰性能优越等特点，应用前景十分广阔。

 

 

参考文献：

[1] 任致程，周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M].北京:中国电力出版社，2007.

[2] 王威. 嵌入式微控制器S08AW原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[3] ADE7758数据手册[EB/OL].Analog Devices，2006.

[4] 孙兴丽，刘曙光. 一种开关柜智能操控装置的设计与实现[J]. 高压电器，2009.

 

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