智能开关设备电动控制系统的设计与实现

摘 要： 介绍一种智能开关设备电动系统的设计方案，设计硬件采用严格逻辑控制电路、电机正反转电路来对智能开关设备实现可靠的控制，采用校准过流电压电路来适应不同规格电机，采用RS 485数字通信接口电路，通信协议符合现场总线标准来实现系统组网构成分布式远程电动控制系统。软件采用冗余逻辑分析处理算法实现控制逻辑，从而可靠的实现对智能开关设备的本地及远程控制。在此分别从硬件和软件方面阐述了智能开关设备电动控制系统的设计方案。

关键词： 智能开关设备； 电动控制系统； 电动底盘控制； 电动接地刀控制

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）16?0156?04

Design and implementation of electric control system for intelligent

switchgear equipments

XU Kai1， HU Rui2， LI Feng3， HUANG Xinchun4， ZHU Yafeng1， SHA Xiaofeng1

（1. Changzhou Senlong Electrical Technology Co.， Ltd， Changzhou 213014， China； 2. Shanghai Electric Power Industrial Co.， Ltd， Shanghai 200001， China；

3. Shanghai Electric Power Company， State Grid， Shanghai 200122， China； 4. Shanghai Nanhua?Lanling Industrial Co.， Ltd， Shanghai 201111， China）

Abstract： A design scheme of electric system for intelligent switch equipments is introduced in this paper. The strict logic control circuit and motor positive inversion control circuit are adopted in the designed hardware to realize reliable control to intelligent switchgear equipments. over current voltage calibration circuit is adopted to adapt different specifications of motor. RS485 digital communication interface circuit is adopted in the design. The communication protocol accords with fieldbus standard to realize the system networking to constitute a distributed remote electric control system. The redundant logic analysis algorithm is adopted in the designed software to achieve the control logic， and then realize the reliable local and remote control for intelligent switchgear equipments. The design scheme of the electric control system of intelligent switchgear equipment is elaborated in the aspects of hardware and software.

Keywords：intelligent switchgear equipment； electric control system； electric chassis control； electric control of earth switch

0 引 言

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。

图1 系统框图

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。

图2 主CPU控制电路图

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。

图3 电动控制逻辑电路图

图4 电动控制逻辑电路逻辑功能

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。

图5 电机正反转电路图

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。

图6 主程序流程图

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。

表1 开关设备电动控制装置机械寿命试验数据

4.2 EMC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。

表2 开关设备电动控制装置型式试验项目

5 结 语

综上所述，本文分别从硬件及软件设计方面简述了智能开关设备电动控制系统的设计方案，并且经过系统试验测试满足实际工程应用要求。智能开关设备电动控制系统集成了底盘车本地/远程控制功能，接地刀闸本地/远程控制功能，具备智能五防功能、完备电气和机械闭锁功能、过载保护功能，操作上可以根据用户需求选择就地控制操作或远程控制操作。电动控制装置上还具备手动优先开关，可以在电动不可靠的情况下选择手动优先控制底盘车及接地刀闸。该系统抗干扰能力强，联锁可靠，可以显著提高电力控制系统的安全可靠性，降低电力事故的可能性和人员财产损失，促进电力设备自动化水平提高。

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