基于单片机的10kV高压开关柜智能操控系统设计

摘 要：针对现有的操控系统响应时间长、CPU使用程度高的问题，提出基于单片机的10kV高压开关柜智能操控系统设计。在智能操控系统硬件设计方面，以TE215G为核心，基于不同类型的传感器采集的数据实现控制；在智能操控系统软件设计方面，利用CNN卷积网络算法对高压开关柜信号时频谱图进行识别，获得不同位置的温升数据特征，然后添加传感器获取温度信息，建立温升状态预测模型，运用蝙蝠优化算法寻找GRNN的X因子最优解，判断温度与阈值的大小，进而实现10kV高压开关柜智能操控。测试结果表明，经过20次测试系统的响应时间均在5s以内，CPU使用率均在42%以内，符合预期目标，设计系统的应用效果良好。

关键词：单片机；高压开关柜；操控系统

中图分类号：TM 591" " " 文献标志码：A

通过添加开关柜设备，对电力系统的各种参数进行实时采集和监测[1]，不仅能够提高工作效率，还能够对系统的运行状态进行分析，在系统运行异常的情况下能够及时处理，在一定程度上避免事故发生。智能操控系统可以将电力系统的运行数据进行集中管理，有助于提高运行效率。通过动态指示反映设备状态，为操作人员提供保障。同时，使用智能操控系统可以减少资源投入，在一定程度能够降低运营成本，使系统的可靠性得到提升。由于传统的智能开关柜的制造成本高，需要集成更多的电子设备和传感器，增加了操控过程中安装调试难度[2]。智能开关柜的电子元件较多，出现故障的概率不断增加，电源的质量和稳定性问题得不到控制。同时，在与外部网络进行连接过程中，存在攻击和信息泄露的风险，因此这些缺陷会导致结果难以符合预期[3]。基于上述背景，本次研究以控制器件温升作为判断条件，优化10kV高压开关柜智能操控，设计基于单片机的10kV高压开关柜智能操控系统，并结合实际情况进行试验分析，验证方法性能。

1 智能操控系统硬件设计

本次设计的基于单片机控制的高压开关柜智能操控系统以TE215G为核心，具体如下。

1.1 单片机设计

TE215G单片机的标准功能完全符合设计要求，具有3k字节的Flash闪存，可存储数据，128字节内存RAM。通信接口为全双工结构，系统内部具有振荡器，I/O口负责数据和控制信号传输。当单片机的吸流较小时，I/O口要上拉电阻[4]。具体的硬件系统设计图如图1所示。

本次选取的单片机具有2个数据指针，2个计数器T0、T1。T0作为时钟信号控制智能芯片的CP口，T1与通信芯片的RT/CP连接，能够在信号检测过程中进行计数。INT0为中断单片机，通过键盘来中断信号输入。在主控系统中，不同端口的连接功能均不相同。P0口能够进行A/D数据转换，是总线路的复用口。P1口为控制信号引脚的连接口，通常为双向的I/O口。P2口为各芯片的RD脚，RST为复位电路。同时，设计中的液晶显示电路为并行接口，VO口能够对显示的对比度进行调节，其电压的调节范围在0V～2.5V。当单片机将指令下达后，会驱动模块进行内部中断，并对指令操作进行执行，将操作结果反馈给单片机，从而能够解析并执行接下来的操作。由于支持1A的判断模式，因此即使在待机状态下，接收器也能保持运行状态，这样能够降低电路板的能耗，提升电源的使用寿命。基于ARM架构开发通信模块，支持全网通的网络定制，硬件接口丰富。采用引脚的双排接口直接与上位机相连。开发板为TRR454，可提供与单片机主控芯片相兼容的通信接口。

1.2 模拟信号输入处理电路设计

利用传感器完成模拟信号采集后，会将其传输给单片机，以便于后续控制。为了实现该过程，本次设计模拟信号输入处理模块。由于本次选用的TE215G单片机芯片具有3路A/D输入通道，共用一个10位的ADC模块。完成一次10位数据的转换的最短时间为19.2μs，2次转换间至少间隔3.2μs。TE215G可提供16种A/D输入通道组合，可通过控制字ADCON1设置0～8个引脚作为模拟信号输入通道。此外，TE215G还支持外接参考电压以提高A/D转换的分辨率。本次通过采用二阶滤波电路和交-直流变换的方法对输入的模拟信号进行处理，从而滤除高频干扰信号，并将正弦波信号转换为与其幅值成正比的直流信号，以便于利用ADC模块进行采样。在本次研究中，每隔1.25ms对各输入通道进行一次采样，一个工频周期对一个输入通道采样16点，然后进行数据处理，以便于后续开关柜控制，其电路设计如图2所示。

1.3 开关状态反馈电路设计

开关状态反馈电路也是硬件系统中发挥重要功能的一个模块，本文对其进行了设计。在本控制系统发出开合闸命令后，可能出现由高压开关动作失灵等原因造成操作失败的情况。如果开关不能及时恢复到理想状态，可能会发生事故。因此，本文利用三相触头的常开触点作为反馈信号，并通过适当的逻辑电路将开关状态反馈给单片机，从而能够根据此信号判断开关状态是否符合操作目的，以便及时进行处理。具体的实现方法如下：当触头合上时，其常开触点输出逻辑信号1；当触头断开时，其常开触点输出逻辑信号0。将三相触头的常开触点输出信号输入如图3所示的逻辑电路。

当三相触头都合上时，逻辑与电路输出信号CLOSE STATE为高电平，其他情况下CLOSE STATE为低电平；当三相触头都断开时，逻辑或电路输出信号OPEN STATE为低电平，其他情况下OPENSTATE为高电平。开闸操作结束后，如果OPEN STATE为低电平，则说明三相触头均已成功断开，否则需要再次进行开闸操作。合闸操作结束后，如果CLOSE STATE为高电平，则说明三相触头均已成功闭合，否则需要再次进行合闸操作。

2 智能操控系统软件设计

2.1 高压开关柜控制回路温升数据特征提取

利用CNN卷积网络算法对10kV高压开关柜采集的控制回路信号时频谱图进行温升数据特征提取，即从输入量中提取不同的关联特征，利用卷积核对整个图像进行扫描，获得不同位置的温升特征量[5]。设置A个卷积核，对不同卷积核进行计算，得到尺寸为w×h×k的特征图谱。在池化层中筛选特征图谱中的特征，提取出最具代表性的特征量。这样能够有效剔除冗余，降低特征矩阵维度。将多个卷积层和池化层交替组合，加入激励函数增加网络特征。选择线性整流函数，防止模型梯度消失，其函数的表达式如公式（1）所示。

（1）

式中：x为步长。

设置2层隐藏层，并将池化结构输入全连接层中。为了能够精准识别开关柜局部特征量，在输出层中运用softmax函数进行分类。设定模型的训练集为S={（x1，y1），（x2，y2），…，（xm，ym）}，类别数量为k。在每个神经元softmax函数输出过程中，设定输出样本为x，则温升数据特征提取如公式（2）所示。

（2）

式中：θT为卷积神经网络参数。

分类输出的k=5维向量，表示识别中的不同放电类型的概率。在学习过程中，通过清除一部分神经元参数来防止对部分特征产生的过拟合问题[6]。设置学习率为0.001，在卷积池化前加入批标准化，从而减少梯度消失问题，使算法收敛速度得到提升。使用adam优化函数，判断样本归属的类别，对其器件放电过程进行操控。使用交叉熵作为误差函数，其计算过程如公式（3）所示。

（3）

式中：x为样本的预测类别概率；yi为类别标签。

通过对训练完的模型进行改良，经过多次迭代后获得最终的特征量结果，得到最终需要采集的数据。

2.2 高压开关柜控制回路温升操控设计

在完成高压开关柜控制回路温升数据特征提取后，通过单片机实现高压开关柜控制回路温升操控。本次添加红外、温度湿度等传感器，能够直观获取温度信息。利用传感器完成温度数据采集后，使用GRNN模型对样本数据进行处理，以建立温升状态预测模型。在这个过程中，唯一需要设置的变量是X因子，其作用是最大限度地减少外界因素对预测结果的干扰。输入层的神经元数量与样本向量的维度p相对应，输入样本将直接传递到模式层。然后运用蝙蝠优化算法来寻找GRNN的X因子最优解[7]。在种群中，蝙蝠利用回声定位进行移动和搜索，从而在D维空间中计算出最优解。在搜索过程中，蝙蝠会不断发射恒定频率的脉冲进行回声定位，并根据与目标的距离自动调整脉冲频率，从而完成位置更新。设定种群中有c个蝙蝠，将属性初始化，设置最大迭代次数，则在t时刻脉冲频率的计算如公式（4）所示。

（4）

式中：fmax、fmin为频率最值；α为随机参数。

计算在t+1时刻的蝙蝠所处位置，获得所有蝙蝠中的全局最优解，并使用适应度函数对其进行评价。经过全局搜索后，生成一个rand，当rand与计算值不同时，需要围绕当前蝙蝠中的最优位置进行随机漫步。更新位置后，将全局与局部寻优结合起来。当训练结果满足适应度函数的要求或达到设置的最大迭代次数时，停止迭代并输出当前最优的参数值。将得到的平滑因子作为温升操控阈值。当实际值大于平滑因子时，说明温度较高，需要利用高压开关柜对其进行降温操控；当实际值小于平滑因子时，说明温度较低，不对其进行处理。基于此，完成基于单片机的10kV高压开关柜智能操控系统设计。

3 测试与分析

3.1 测试准备

高压开关柜智能操控系统将所有电力信息等数据信息传递到变电站后台中，对数据信息进行采集整理。将新型智能操控装置放置在10kV出线结构上，高压开关柜智能操作系统配置如下：操作系统为Ubuntu 15.3，程序语言采用Python 4.0，配备Intel i7处理器和RTX1204显卡，内存容量为8GB，硬盘容量达1TB。为了保证系统能够正常运行，通过汤姆猫支撑对神经网络模型进行搭建，并运用cuda对图形进行处理，将其与GPU并行运算。同时，运用via对视频帧中的开关柜图像与元件进行标注。使用supervisor对开关柜的开启状态进行监控。从高压室监控摄像头抓取开关柜原始图像，判断操控过程中监视部分的高压电路是否带电，当线路有电时，会在显示器屏上显示“高温”，同时下方的带电指示灯呈现亮灯状态；当线路没电时，会保持熄灭状态。对系统的稳定性进行测试，以预期系统的响应时间为5s以内、CPU使用率为42%以内为目标。

3.2 测试结果分析

分析系统的稳定性能，经过20次试验，系统的响应时间结果具体如图4所示。

由图4数据可知，系统的响应时间均保持在5s以内，说明本文设计系统具有较好的反映速度，通过系统响应时间测试能够确定操控系统的应用性能，并能在短时内查看到操控结果，顺利完成关于开关柜的控制流程，取得了良好的应用效果。同时，使用本文设计系统进行操控后，其系统中CPU使用程度见表1。

由表1数据可知，在20次测试中，系统的CPU使用率均较低，小于预期目标的42%，说明本文设计的系统具有较强的稳定性，满足设计需求。综上所述，本文设计的智能操控系统具有接地开关状态指示灯带电显示的综合性优势，能够通过动态指示过程准确反映实际运行状态，获得相关数据信息，还可以通过传感器设备实现控制回路温度采集，基于单片机可以实现控制回路的合理控温。

4 结语

本文从单片机入手，结合智能操控方法，探究了基于单片机的10kV高压开关柜智能操控系统设计。明确系统需要实现的功能，选择一个适合的单片机作为主控制器。在单片机上编写控制程序，实现远程监控与诊断等多种功能。但本文方法中还存在一些不足之处，例如控制程序的实时性问题、系统状态监测问题和操作设备优化问题等。在完成硬件电路和软件控制程序后，根据测试和调试结果，使操控步骤在实时性问题上有了突破，对系统进行优化和完善，满足算法对系统维护的需求。通过不断优化算法，在设计和实现过程中，使基于单片机的10kV高压开关柜能够高安全性运行。

参考文献

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[3]王洁，伍弘，詹仲强，等.基于Lazy Snapping混合模拟退火算法的高压开关柜温度场红外三维图像重建仿真[J].红外技术，2023，45（3）：276-281.

[4]黄俊宁，于群.基于多源数据融合与设备相似性的高压开关柜评价模型[J].高压电器，2023，59（2）：198-204.

[5]陈荣，曹梦，田涛，等.微环境对高压开关柜电场分布及绝缘净距离的影响研究[J].绝缘材料，2021，54（8）：83-88.

[6]郭赉佳，王国庆，徐帅，等.直流高压开关柜用无线电能传输系统优化研究[J].电气传动，2021，51（12）：74-80.

[7]王岩，欧阳子卿，屈莹莹，等.开关柜工频磁场计算及壳体屏蔽效能分析[J].高压电器，2023，59（2）：61-68.