110KV高压隔离开关智能控制器的设计与开发

论文摘要

智能高压开关设备是智能电网和智能化变电站的关键组成部分，是智能变电站系统中信息采集、传输、处理、通信的功能设备。近年来，随着各国建设坚强智能电网和智能变电站战略步伐的加快，智能高压开关设备得到了迅速发展。高压隔离开关作为使用量最大的一次设备，一直是和高压断路器配合使用的，高压断路器智能控制设备发展较快并得到大量使用，高压隔离开关控制设备相对滞后且没有实现智能化，断路器的智能化控制也对隔离开关的控制提出了智能化的要求。研究开发高压隔离开关智能组件，使高压隔离开关具有自监测、自诊断和自控制的能力是势在必行的，也是为实现电网安全稳定协调控制提供技术基础和设备保障。本课题高压隔离开关智能控制器的设计开发是110KV高压开关智能组件柜工程项目的一部分，针对110KV高压开关柜设备的使用特点，本文提出并设计了110KV高压隔离开关智能化控制的方案。利用高性能的ARM和CPLD微处理器作为控制核心，使用固态继电器和光电耦合器等电力电子器件，配合温湿度传感器、角度传感器等各种传感器设计一种开关控制模块（Switch Control Module简写SCM），系统地集成到高压开关智能组件柜中，对高压隔离开关的运行进行控制，同时还集成状态采集、故障检测、信息通信等功能，使隔离开关具有自检测、自诊断、自控制以及数据传输的智能化功能。本文基于ARM和CPLD对SCM模块进行设计，先从硬件角度描述硬件设计思路、方法和电路实现，对电机控制电路、继电器驱动电路、温湿度采集电路和角度采集电路等各个部分硬件电路的设计做了具体描述，并给出了详细的电路原理图；然后对软件程序的设计进行详细阐述，给出了程序设计流程、算法和部分程序代码，并对其进行仿真调试；最后从系统总体角度设计其电磁兼容性能，特别是控制器抗干扰能力的设计。经过调试和结果分析表明，课题中设计的SCM控制模块能够较好地对高压隔离开关进行控制、检测和信息传输，可以基本满足工程使用中隔离开关自检测、自诊断、自控制以及数据传输的智能化要求，具有一定的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 本课题的国内外研究现状及发展动态
• 1.3 论文的研究内容及安排
• 2 系统总体方案设计
• 2.1 系统总体方案
• 2.1.1 110KV 高压智能开关柜
• 2.1.2 控制器总体设计原则
• 2.1.3 隔离开关 IED 的功能和特点
• 2.2 SCM 模块设计
• 3 系统硬件设计
• 3.1 硬件总体介绍
• 3.2 SCM 模块设计
• 3.2.1 主控制芯片 STM32F103RBT6
• 3.2.2 辅助控制芯片 EPM240
• 3.3 电机控制电路设计
• 3.3.1 电机控制电路的设计
• 3.3.2 继电器驱动电路设计
• 3.4 温度检测电路设计
• 3.4.1 温度传感器 DS18B20
• 3.4.2 DS18B20 硬件电路
• 3.5 湿度检测电路设计
• 3.5.1 数字温湿度传感器模块 AM2301
• 3.5.2 AM2301 的使用
• 3.6 角度测量
• 3.6.1 旋转变压器
• 3.6.2 AD2S90 旋转变压器数字变换器
• 3.7 电机过流保护
• 3.7.1 过流保护原理
• 3.7.2 TA25P 保护用电流传感器
• 3.8 通信模块设计
• 3.8.1 一对一串口光纤通信方式
• 3.8.2 总线式串口光纤多机通信方式
• 4 软件程序设计及仿真调试
• 4.1 开发工具软件介绍
• 4.1.1 ARM 程序开发工具 RealView MDK
• 4.1.2 Quartus II 软件开发工具
• 4.1.3 VHDL 硬件描述语言
• 4.2 控制器主程序设计
• 4.2.1 系统程序总体设计流程
• 4.2.2 STM32 程序设计及调试
• 4.2.3 CPLD 程序设计
• 4.2.4 电机控制子程序
• 4.3 各采数据集模块软件程序
• 4.3.1 温度采集和显示
• 4.3.2 基于 AM2301 的湿度采集及通信程序
• 4.3.3 隔离开关转角实时监控的编程
• 4.3.4 电机过流保护
• 4.4 调试结果分析
• 5 系统电磁兼容设计
• 5.1. 电磁干扰原理以系统防干扰措施
• 5.1.1 系统级防电磁干扰设计
• 5.1.2 电磁耦合的屏蔽
• 5.1.3 滤波技术
• 5.1.4 硬件隔离与软件冗余设计
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢