CN104701988A - 一种柱上开关智能控制器及智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柱上开关智能控制器，包括处理器核心电路模块及分别与之连接的电流电压采样通道电路模块、开关本体状态判断模块、开关本体控制模块、人机界面模块、通信模块和电源模块，电流电压采样通道电路模块采集柱上开关的电流或电压信息，并送入处理器核心电路模块；开关本体状态判断模块读取控制器的内部开关量和外部开关量；开关本体控制模块根据处理器核心电路模块发出的控制指令控制与之连接的开关本体的动作；电源模块为处理器核心电路模块供电。此种控制器具有较高的通用性，能够满足不同的开关本体、不同的控制功能、不同的应用条件对控制器硬件的要求。本发明还公开一种柱上开关智能控制方法。

Description

一种柱上开关智能控制器及智能控制方法

技术领域

本发明属于电气领域，特别涉及一种具有通用性的柱上开关控制器结构，以及应用该结构的控制方法。

背景技术

柱上开关是安装在户外架空线路上接通和开断送电支路（馈线）的电力设备，由开关本体和控制器构成。开关本体主要包括负荷开关和断路器,结构的区别，以及用途的区别，造成不同的柱上开关的控制功能有所不同，从而需要不同的控制器。目前市面上的柱上开关都是开关本体与控制器一一对应的模式，一种控制器只能用于同一个厂家的同一种设备，不具有通用性。这就造成用户为应对设备故障需要储备的备用控制器种类繁杂的局面，这既增加了成本，又增加了设备管理的复杂度。

实现控制器的通用性，必须开发具有通用性的硬件平台，并且在硬件平台上建立不同的控制软件，并且这些软件要能够方便地进行更新、修改，从而方便地改变其控制功能，进而实现用同样的控制器硬件对不同的开关本体的控制。现有一些采用了嵌入式硬件系统的柱上开关控制器虽然可以通过专业人员用专用工具进行重新刷写程序的方式实现控制器软件的修改，但这样的方式操作复杂，对操作人员的专业要求高，是柱上开关的实际使用者很难做到的。

基于目前柱上开关在使用中出现的问题，本发明人对柱上开关的控制器结构及控制方法进行研究改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种柱上开关智能控制器及智能控制方法，其具有较高的通用性，能够满足不同的开关本体、不同的控制功能、不同的应用条件对控制器硬件的要求。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种柱上开关智能控制器，包括处理器核心电路模块及分别与之连接的电流电压采样通道电路模块、开关本体状态判断模块、开关本体控制模块、人机界面模块、通信模块和电源模块，其中，电流电压采样通道电路模块采集柱上开关的电流或电压信息，并送入处理器核心电路模块；所述开关本体状态判断模块读取控制器的内部开关量和外部开关量并送入处理器核心电路模块；所述开关本体控制模块根据处理器核心电路模块发出的控制指令控制与之连接的开关本体的动作；所述电源模块为处理器核心电路模块供电，并通过处理器核心电路模块为其它组件提供工作电源。

上述控制器用于电压型柱上开关时，该电压型柱上开关装设有1-4台电压互感器，所述电流电压采样通道电路模块采用电压采样通道，且电压采样通道的数量与前述电压互感器的数量相同并一一对应连接，所述电压采样通道用于测量相电压、线电压或零序电压。

上述控制器用于电流型柱上开关时，该电流型柱上开关装设有1-3台相电流互感器，所述电流电压采样通道电路模块采用电流采样通道，每一相的相电流互感器都配有2个电流采样通道与之对应，其中一个电流采样通道的电路参数满足保护级电流互感器采样需求，另一个电流采样通道的电路参数满足测量级电流互感器采样需求。

上述控制器用于电流型柱上开关且该电流型柱上开关还装设有1台零序电流互感器时，所述电流电压采样通道电路模块还另外包含有与该零序电流互感器对应的1个电流采样通道。

上述控制器用于复合型柱上开关时，该复合型柱上开关装设有1-4台电压互感器和1-3台相电流互感器，所述电流电压采样通道电路模块包括电压采样通道和电流采样通道，其中，电压采样通道的数量与前述电压互感器的数量相同并一一对应连接，所述电压采样通道用于测量相电压、线电压或零序电压；每一相的相电流互感器都配有2个电流采样通道与之对应，其中一个电流采样通道的电路参数满足保护级电流互感器采样需求，另一个电流采样通道的电路参数满足测量级电流互感器采样需求。

上述控制器用于复合型柱上开关且该复合型柱上开关还装设有1台零序电流互感器时，所述电流电压采样通道电路模块还另外包含有与该零序电流互感器对应的1个电流采样通道。

上述人机界面模块包括分别与处理器核心电路模块连接的按键、指示灯和液晶显示器，其中，液晶显示器和指示灯在处理器核心电路模块的控制下进行显示，按键用以供操作人员直接对控制器进行操作。

上述通信模块包含分别与处理器核心电路模块连接的RS232模块、以太网模块、SIM卡模块和100BaseFX模块。

一种柱上开关智能控制方法，将嵌入式Linux操作系统植入控制器，在QT应用程序开发环境中，架构于嵌入式Linux操作系统之上，采用面向对象的程序开发方式，采用模块化程序设计，包括人机界面模块、参数设置模块、通信模块、共享数据模块和继电保护模块，其中，参数设置模块和共享数据模块用于存储控制器的数据，并提供其余模块读取；人机界面模块用于提供操作人员向参数设置模块写入设置参数，继电保护模块用于读取采样值及开关状态值并写入共享数据模块；通信模块用于从参数设置模块读入设置参数，或向参数设置模块写入远端设置的参数；共享数据模块的数据通过通信模块与集控中心进行交互。

所述继电保护模块包括采样值计算模块和保护逻辑模块两部分，其中，采样值计算模块采用全波傅里叶算法，将采样得到的电流、电压量的瞬时值转化为保护逻辑模块需要使用的有效值；所述保护逻辑模块包含7种逻辑，分别是三段式相间电流保护逻辑、零序电流保护逻辑、自动重合闸逻辑、电压-时间型负荷开关配电自动化逻辑、电流-计数型负荷开关配电自动化逻辑、电流-电压型负荷开关配电自动化逻辑和联络开关逻辑，根据不同的需求，从其中选择一种或几种逻辑的组合，实现不同的控制功能。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

（1）利用嵌入式操作系统管理柱上开关智能控制器的各种硬件资源，降低柱上开关控制器的开发复杂程度和升级难度；

（2）实现用统一的硬件控制不同结构和功能的开关本体，降低用户备用控制器的储备数量和种类；

（3）开关本体需要升级或因故障需要更换时不再需要更换控制器，只需将实现新的控制功能的应用程序通过通信接口传输到控制器硬件中，控制器即可自动完成控制功能的修改，从而实现对新的开关本体的控制，降低了设备升级和更换成本以及工作难度，加速了工作过程；

（4）新程序的输入通过串口或以太网口实现，不需要专用的烧写工具，降低了对维护人员的专业技术要求；

（5）新程序的输入可以通过从集控中心远程下载的方式实现，从而不再需要维护人员到每一台柱上开关的安装处并攀登到电线杆上对控制器进行操作。

附图说明

图1是本发明控制器的整体架构图；

图2是本发明控制方法的模块化设计原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种柱上开关智能控制器，包括处理器核心电路模块、电流电压采样通道电路模块、开关本体状态判断模块、开关本体控制模块、人机界面模块、通信模块和电源模块，下面分别介绍。

处理器核心电路模块采用ARM920T处理器，以便植入嵌入式Linux操作系统来管理硬件资源，并通过对软件程序结构的优化设计而非增加CPU等硬件方法来使其满足控制器运算速度的要求，降低控制器成本，在具体实现时，可将处理器核心电路模块独立设计在一块电路板上。

在本实施例中，所述电流电压采样通道电路模块设计为11个，包含4个电压采样通道和7个电流采样通道，分别与处理器核心电路模块连接，每个通道都可以独立开启或关闭，从而满足装设有1-4台电压互感器的电压型柱上开关、装设有1-3台相电流互感器（含1-6个二次侧绕组）以及0-1台零序电流互感器的电流型及复合型柱上开关的电气量检测需求。其中，电压采样通道采用复用方式，在控制功率单向流动的柱上开关时，4个电压采样通道分别可以根据电压互感器的装设方式用于测量柱上开关单侧的A、B、C三相相电压和零序电压，或者AB、BC、CA三个线电压和零序电压；在控制功率可能双向流动的柱上开关（即联络开关）时，4个电压采样通道分别用于可以测量柱上开关两侧的AB和BC线电压；所述7个电流采样通道分为测量相电流的通道6个（A、B、C相各2个）和测量零序电流的通道1个，其中测量每一相电流的2个通道又分为1个测量级通道和1个保护级通道，分别针对电流互感器配置为测量级和保护级的柱上开关，对于同时具有测量级和保护级电流互感器的柱上开关，所述控制器具有自动切换机制——在测量级电流互感器进入饱和区前控制器从测量通道读取数据，而当测量级电流互感器进入饱和区后自动关闭测量通道转而从保护通道读取数据，从而保证测量的准确性，也保证测量通道电路不被过大的电流所损坏。

需要说明的是，在具体实施时，有关电流电压采样通道电路模块的具体通道数目及类型可根据具体情况进行设计，众所周知，互感器有两个端子，一端（即一次侧）设在高电压大电流侧，另一端（即二次侧）用于输出低电压小电流，且该低电压小电流的数据与前述高电压大电流的数据呈正比，从而实现了通过测量二次侧低电压小电流而获知一次侧高电压大电流的目的。一台互感器只有1个一次侧，而二次侧可以有1个或多个，其中，电流互感器的多个二次侧是为了得到不同精度和过载能力的输出（分为“计量级”、“测量级”、“保护级”），为了测量不同级别的二次侧输出，柱上开关智能控制器的采样通道要做不同的设计，而电压互感器的多个二次侧中有的是为了作为电源对控制器供电，其余的才是需要测量的，并且一般不需要再区分精度和过载能力；一般用于柱上开关的电流互感器都只有一个二次侧，要么是“测量级”，要么是“保护级”，所以其中的电流采样通道一般设计成适用于其中一种的方案，这种情况下就相当于是每台电流互感器对应设置一个电流采样通道；本发明为了实现通用性，对于电流采样通道的设计原则是，对电压互感器按1:1配置电压采样通道，且对于电压型柱上开关，只需要设计电压采样通道；而对电流互感器采用1:2配置电流采样通道（包括一个针对“测量级”的二次侧输出和一个针对“保护级”的二次侧输出），从而使得无论互感器如何配置，本发明都能够满足测量要求。

开关本体状态判断模块与处理器核心电路模块连接，其输入端用于读取控制器的内部开关量和外部开关量，并将前述内部开关量和外部开关量送入处理器核心电路模块，其中，内部开关量包括按键操作、各电路模块的使能等，外部开关量包括开关本体操作机构的分闸线圈、合闸线圈、储能电机开关等，外部开关量的输入和输出都通过光耦器件进行电气隔离，对外部开关量的输出采用IGBT进行控制功率的放大，从而实现内部弱电信号对外部强电回路通断的控制。

开关本体控制模块与处理器核心电路模块连接，用于接收处理器核心电路模块发出的控制指令，并根据控制指令控制与之连接的开关本体的动作。

人机接口包括分别与处理器核心电路模块连接的按键、指示灯和液晶显示器，其中，液晶显示器采用3寸图形液晶作为主要的显示界面，实现设备状态、采样数据、参数设置、工作模式等信息的显示；指示灯用以直接反应开关本体的合分闸状态、储能状态、控制器工作模式、是否存在故障等信息；按键包括合分闸控制键、方向键、确认与返回键、设置键，用以操作人员直接对控制器进行操作。

在本实施例中，所述通信模块包含4个实现通信功能的电路模块，可实现处理器核心电路模块与外界之间五种方式的通信，分别是RS232模块（串行通信）、以太网模块（TCP-IP通信）、SIM卡模块（GSM通信和GPRS通信）和100BaseFX模块（光纤通信），分别连接处理器核心电路模块，可在处理器核心电路模块的控制下控制各个通信模块的独立开启或关闭。

所述电源模块与处理器核心电路模块连接，为处理器核心电路模块供电，并通过处理器核心电路模块，为与之连接的电流电压采样通道电路模块、开关本体状态判断模块、开关本体控制模块、人机界面模块和通信模块提供工作电源。

基于以上一种柱上开关智能控制器，本发明还提供一种柱上开关智能控制方法，其将嵌入式Linux操作系统植入控制器硬件平台，在QT应用程序开发环境中，架构于嵌入式Linux操作系统之上，采用面向对象的程序开发方式，采用模块化程序设计，包括人机界面模块、参数设置模块、通信模块、共享数据模块和继电保护模块，其中继电保护模块内又含有采样值计算模块和保护逻辑模块，前述各个模块均可以独立进行修改而不对依赖或影响其它模块。

各模块间的相互关系如图2所示：

1）控制器的数据由参数设置模块和共享数据模块两个模块存储，其余三个模块中所需要读取或修改的所有数据都存放于这两个模块中；

2）操作人员可以通过控制器面板上的按键经HMI模块向参数设置模块写入设置参数，也可以在远端集控中心经由通信模块向控制器远程写入参数；

3）继电保护模块从采样值计算模块读入采样值，从保护逻辑模块读入开关状态值，并将其写入共享数据模块以供其它模块利用，从参数设置模块读入系统参数和整定值，从而实现柱上开关是否动作的判断；

4）通信模块既可以从参数设置模块读入设置参数，也可以向它写入远端设置的参数；

5）共享数据模块的数据通过通信模块与集控中心进行交互。

程序中采用QT应用程序开发环境提供的“信号——槽”机制，减少了线程和进程的使用，提高了程序运行速度。

继电保护模块中的采样值计算模块采用全波傅里叶算法，将采样得到的电流、电压量的瞬时值转化为保护逻辑模块需要使用的有效值；所述保护逻辑模块包含了7种逻辑，分别是三段式相间电流保护逻辑、零序电流保护逻辑、自动重合闸逻辑、电压-时间型负荷开关配电自动化逻辑、电流-计数型负荷开关配电自动化逻辑、电流-电压型负荷开关配电自动化逻辑和联络开关逻辑，根据不同的需求，从其中选择一种或几种逻辑的组合，即可实现不同的控制功能。

通信模块可实现IEC61870-101和IEC61870-104两种通信规约。

综上所述，本发明一种柱上开关智能控制器，通过采用嵌入式系统设计，采用可复用的多个电压采样通道，将电流采样通道分为测量通道和保护通道，从而实现在测量电流过大时能够自动切换，并设计多种通信功能电路，得到的控制器能够满足不同的开关本体（包含断路器和负荷开关）对控制器硬件的要求，能够满足不同的控制功能（继电保护、重合闸、配电自动化）对控制器硬件的要求，也能满足不同的应用条件（不同的电流互感器配置条件、不同的电压互感器配置条件）对控制器硬件的要求，具有较高的通用性。

本发明一种柱上开关智能控制方法，将嵌入式Linux操作系统移植入控制器硬件平台，编写驱动程序，由操作系统管理控制器硬件，使实现控制功能的应用程序与对控制器硬件的直接操作隔离开来。由于控制器硬件的统一性，当控制器的控制对象（即开关本体）的功能发生变化时，只需修改应用层的控制器软件即可，而无需修改驱动程序。正是由于控制器软件不直接与硬件相关联，所以在修改控制功能应用程序开时只需在操作系统上进行卸载与安装的操作，不需要用专用工具对硬件进行刷写。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柱上开关智能控制器，其特征在于：包括处理器核心电路模块及分别与之连接的电流电压采样通道电路模块、开关本体状态判断模块、开关本体控制模块、人机界面模块、通信模块和电源模块，其中，电流电压采样通道电路模块采集柱上开关的电流或电压信息，并送入处理器核心电路模块；所述开关本体状态判断模块读取控制器的内部开关量和外部开关量并送入处理器核心电路模块；所述开关本体控制模块根据处理器核心电路模块发出的控制指令控制与之连接的开关本体的动作；所述电源模块为处理器核心电路模块供电，并通过处理器核心电路模块为其它组件提供工作电源。

2.如权利要求1所述的一种柱上开关智能控制器，其特征在于：所述控制器用于电压型柱上开关时，该电压型柱上开关装设有1-4台电压互感器，所述电流电压采样通道电路模块采用电压采样通道，且电压采样通道的数量与前述电压互感器的数量相同并一一对应连接，所述电压采样通道用于测量相电压、线电压或零序电压。

3.如权利要求1所述的一种柱上开关智能控制器，其特征在于：所述控制器用于电流型柱上开关时，该电流型柱上开关装设有1-3台相电流互感器，所述电流电压采样通道电路模块采用电流采样通道，使得每一相的相电流互感器都配有2个电流采样通道与之对应，其中一个电流采样通道的电路参数满足保护级电流互感器采样需求，另一个电流采样通道的电路参数满足测量级电流互感器采样需求。

4.如权利要求3所述的一种柱上开关智能控制器，其特征在于：所述控制器用于电流型柱上开关且该电流型柱上开关还装设有1台零序电流互感器时，所述电流电压采样通道电路模块还另外包含有与该零序电流互感器对应的1个电流采样通道。

5.如权利要求1所述的一种柱上开关智能控制器，其特征在于：所述控制器用于复合型柱上开关时，该复合型柱上开关装设有1-4台电压互感器和1-3台相电流互感器，所述电流电压采样通道电路模块包括电压采样通道和电流采样通道，其中，电压采样通道的数量与前述电压互感器的数量相同并一一对应连接，所述电压采样通道用于测量相电压、线电压或零序电压；每一相的相电流互感器都配有2个电流采样通道与之对应，其中一个电流采样通道的电路参数满足保护级电流互感器采样需求，另一个电流采样通道的电路参数满足测量级电流互感器采样需求。

6.如权利要求5所述的一种柱上开关智能控制器，其特征在于：所述控制器用于复合型柱上开关且该复合型柱上开关还装设有1台零序电流互感器时，所述电流电压采样通道电路模块还另外包含有与该零序电流互感器对应的1个电流采样通道。

7.如权利要求1所述的一种柱上开关智能控制器，其特征在于：所述人机界面模块包括分别与处理器核心电路模块连接的按键、指示灯和液晶显示器，其中，液晶显示器和指示灯在处理器核心电路模块的控制下进行显示，按键用以供操作人员直接对控制器进行操作。

8.如权利要求1所述的一种柱上开关智能控制器，其特征在于：所述通信模块包含分别与处理器核心电路模块连接的RS232模块、以太网模块、SIM卡模块和100BaseFX模块。

9.一种基于如权利要求1所述的一种柱上开关智能控制器的智能控制方法，其特征在于包括如下内容：将嵌入式Linux操作系统植入控制器，在QT应用程序开发环境中，架构于嵌入式Linux操作系统之上，采用面向对象的程序开发方式，采用模块化程序设计，包括人机界面模块、参数设置模块、通信模块、共享数据模块和继电保护模块，其中，参数设置模块和共享数据模块用于存储控制器的数据，并提供其余模块读取；人机界面模块用于提供操作人员向参数设置模块写入设置参数，继电保护模块用于读取采样值及开关状态值并写入共享数据模块；通信模块用于从参数设置模块读入设置参数，或向参数设置模块写入远端设置的参数；共享数据模块的数据通过通信模块与集控中心进行交互。

10.如权利要求9所述的一种柱上开关智能控制方法，其特征在于：所述继电保护模块包括采样值计算模块和保护逻辑模块两部分，其中，采样值计算模块采用全波傅里叶算法，将采样得到的电流、电压量的瞬时值转化为保护逻辑模块需要使用的有效值；所述保护逻辑模块包含7种逻辑，分别是三段式相间电流保护逻辑、零序电流保护逻辑、自动重合闸逻辑、电压-时间型负荷开关配电自动化逻辑、电流-计数型负荷开关配电自动化逻辑、电流-电压型负荷开关配电自动化逻辑和联络开关逻辑，根据不同的需求，从其中选择一种或几种逻辑的组合，实现不同的控制功能。