智能高壓開關(guān)柜自動識別系統(tǒng)研究

近年來,隨著我國電力事業(yè)的迅猛發(fā)展,高壓開關(guān)柜設(shè)備越來越多,開關(guān)柜設(shè)備誤操作事故是整個電力行業(yè)安全生產(chǎn)事故中最嚴(yán)重的事故,也是多發(fā)的事故之一.誤操作事故的后果輕則引起系統(tǒng)解列運行，重則導(dǎo)致人身傷亡。開關(guān)設(shè)備誤操作事故的發(fā)生雖然有著管理和人為主觀方面的因素，但是開關(guān)設(shè)備本身存在安全隱患也是極其重要的因素。

目前各電力企業(yè)中所采用的開關(guān)柜能在一定程度上防止電氣誤操作。然而，由于操作人員的疏忽大意，走錯間隔等類似事故仍時有發(fā)生，為了避免操作人員疏忽而造成的觸電事故頻繁發(fā)生，迫切需要一種能夠在操作人員操作開關(guān)設(shè)備前對操作設(shè)備進(jìn)行語音提示的信息裝置。

本文在此背景下提出并開發(fā)了一套智能高壓開關(guān)柜自動識別系統(tǒng)，實現(xiàn)開關(guān)柜開啟后的間隔語音信息提醒，通知操作人員所打開開關(guān)柜的相關(guān)信息，并記錄開關(guān)柜的開啟和關(guān)閉時間,形成歷史記錄。各語音提醒裝置擬采用微機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理和信息查詢。

1系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)功能

圖1所示為本智能高壓開關(guān)柜自動識別系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)由兩部分組成，分別是開關(guān)柜發(fā)送端和接收、記錄的系統(tǒng)后臺。其中，發(fā)送端完成以下功能：當(dāng)開關(guān)柜門打開時,發(fā)送端裝置開始間接播放開關(guān)柜的語音信息，以便于工作人員確認(rèn)是否操作正確的開關(guān)柜，并向后臺發(fā)送經(jīng)PT2262編碼后的開門事件信息，供后臺記錄開關(guān)柜編號及開門時間；當(dāng)工作人員確認(rèn)并按下裝置的確認(rèn)按鈕后，語音提醒關(guān)閉，發(fā)送端向后臺發(fā)送編碼后的確認(rèn)操作事件信息；當(dāng)工作人員完成操作后關(guān)閉開關(guān)柜門時，裝置向后臺發(fā)送編碼后的關(guān)門事件信息，供后臺記錄開關(guān)柜編號及關(guān)門時間；此外，當(dāng)裝置電池電量低于一定值時發(fā)送端發(fā)送低電量報警事件信息至系統(tǒng)后臺。系統(tǒng)后臺主要功能是負(fù)責(zé)記錄各開關(guān)柜開門、關(guān)門及確認(rèn)操作的時間，提供操作記錄查詢以及裝置低電量報警等。

1.2發(fā)送端設(shè)計

本系統(tǒng)的發(fā)送端結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括電池、傳感器、語音模塊、無線發(fā)送模塊、編碼器、電壓監(jiān)視電路和單片機(jī)控制模塊等幾個功能模塊，其中，電池給整個發(fā)送端供電。

傳感器選用磁性開關(guān)，用于向以單片機(jī)為核心的控制模塊提供柜門的開關(guān)狀態(tài)。

語音模塊以WT588D為核心。WT588D是具有51單片機(jī)內(nèi)核的語音芯片，可以通過個人計算機(jī)上錄制好的語音信息下載到芯片內(nèi)置的SPI-Flash存儲器，或者外掛的大容量存儲器。

WT588D中共有220個語音地址，每個地址可以組合多段語音是WT588D具有的獨特優(yōu)點叫在開關(guān)柜的自動識別系統(tǒng)中，播放的語音基本相似，只是各個開關(guān)柜名稱及編號不同而已。如果將所有的語音完整地存放進(jìn)存儲器中，在錄音時需要針對每個開關(guān)柜單獨錄制，比較復(fù)雜，容易出錯。而采用WT588D分段錄制，然后加以組合，這樣只改變與開關(guān)柜名稱及編號相對應(yīng)部分的錄音既可，大大簡化了錄制過程。

語音播報功能主要由單片機(jī)控制語音輸出。利用單片機(jī)3條普通的I/O端口線模擬二線串口總線時序與WT588D語音芯片連接，控制語音芯片播放。

無線發(fā)送選用DF發(fā)射模塊。DF無線發(fā)射模塊通訊方式為調(diào)幅AM,工作頻率為315MHz,為ISM頻段,發(fā)射功率小于500mW。DF超再生式接收模塊通訊方式為調(diào)頻AM,接收靈敏度高,用示波器觀察輸出波形干凈，抗干擾能力強(qiáng)叫DF模塊的傳輸距離與調(diào)制信號頻率及幅度，發(fā)射電壓及電池容量，發(fā)射天線，接收機(jī)的敏感度等有關(guān)。一般在開闊區(qū)最大發(fā)射距離約800m[²]。作者實測空曠環(huán)境在四節(jié)5號電池供電的情況下有效發(fā)射距離可達(dá)100m以上。作為開關(guān)柜自動識別的無線通信可以滿足要求。

編碼器采用PT2262。PT2262是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路，是目前在無線通訊電路中作地址編碼識別最常用的芯片之一叫PT2262芯片中有3個12位（A0~A11）三態(tài)地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平），并有6位（D0~D5）數(shù)據(jù)端管腳。本系統(tǒng)中采用六位地址碼和六位數(shù)據(jù)碼。通過撥碼開關(guān)控制地址碼，使各開關(guān)柜有唯一對應(yīng)的地址。通過六位數(shù)據(jù)位編碼對應(yīng)不同的事件。由六位地址碼和六位數(shù)據(jù)位組成一組編碼。從而任何一個開關(guān)柜事件都有唯一的編碼對應(yīng)表示，只需要正確識別數(shù)據(jù)可以判別。

電壓監(jiān)視電路實際采用滯回比較電路檢測電池電壓。當(dāng)電壓過低，影響芯片正常工作或語音播報時，電路輸出端會產(chǎn)生一個負(fù)跳變。單片機(jī)采集到以后做出相應(yīng)動作。

1.3系統(tǒng)后臺結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)后臺接收端的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括無線接收模塊、單片機(jī)和觸摸屏等設(shè)備。無線接收電路接收發(fā)送方的物理信號,將信號反相后傳輸?shù)紺8051F330單片機(jī)，作為軟件解碼信號的輸入。單片機(jī)解碼后將結(jié)果發(fā)送至觸摸屏，由觸摸屏根據(jù)解碼結(jié)果中六位地址碼和六位數(shù)據(jù)位記錄開關(guān)柜編號及事件形成歷史記錄。 

無線接收模塊同樣選用DF接收模塊，DF接收模塊又可分為超再生接收模塊和超外差接收模塊。二者具體的比較這里就不一一列出，如有需要請讀者參考相關(guān)文獻(xiàn)。基于抗干擾能力及和單片機(jī)配合工作時的穩(wěn)定性，本為選用DF超外差RX3600高可靠性高靈敏的接收模塊。

觸摸屏采用昆侖通態(tài)（MCGS）觸摸屏TPC1063H，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的高性能嵌入式一體化工控機(jī)。該產(chǎn)品采用10.4英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率640X480）,四線電阻式觸摸屏（分辨率1024X1024），同時還預(yù)裝了微軟嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)WinCE.NET和MCGS嵌入式組態(tài)軟件。

2無線通信

2.1編碼傳輸

保證開關(guān)柜端的發(fā)送模塊和接收的后臺系統(tǒng)能夠可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵。基于開關(guān)柜體和事件類型識別的角度考慮，每個開關(guān)柜的地址編碼必須不同，每個
事件的數(shù)據(jù)編碼也必須不同，這樣，當(dāng)接收端接收到發(fā)送端發(fā)出的事件編碼信號后，方可根據(jù)信息編碼判斷出是某個開關(guān)柜發(fā)生了某個事件，從而做出相應(yīng)的動作響應(yīng)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、通信距離和功耗等因素，本系統(tǒng)選擇臺灣普城公司生產(chǎn)的、一種CMOS工藝制造的低功耗、低價位、通用編碼芯片PT2262作為無線數(shù)據(jù)編碼芯片。

PT2262采用CMOS工藝制造，功耗低，外部元器件少,工作電壓范圍寬(2.6~15V)。芯片有12位(A0~A11)三態(tài)地址端管腳(懸空、接高電平、接低電平)，通過任意組合可提供531441地址碼，PT2262有6位(D0~D5)數(shù)據(jù)管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17管腳輸出，可用于無線發(fā)射電路。

編碼芯片PT2262每次發(fā)射時，至少發(fā)射4組字碼，發(fā)送的編碼信號是由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成的一個完整碼字。設(shè)計時，可將編碼芯片PT2262的D0接高電平，D1~D3接低電平，其余懸空。圖4所示是系統(tǒng)無線輸出端的波形圖。其中數(shù)據(jù)碼輸出的波形如圖4(a)所示，而將一組字碼放大后的波形圖如圖4(b)所示，每個地址碼和數(shù)據(jù)碼用兩種脈沖寬度表示。兩個窄脈沖表示“0”，兩個寬脈沖表示“1”，前一個窄脈沖后一個寬脈沖表示F“懸空”，同步碼為一個同步頭和一個時間較長的低電平組成。通過判斷脈沖的寬窄即可判斷編碼信息。

2.2軟件解碼

PT2272是通常與PT2262配套使用的硬件解碼芯片，當(dāng)PT2272接收到與其地址碼相同的PT2262編碼時，才能有效解碼，驅(qū)動數(shù)據(jù)管腳輸出編碼中對應(yīng)數(shù)據(jù)位。對于多發(fā)送端的解碼任務(wù)，需采用多片PT2272進(jìn)行解碼，且由于PT2272芯片解碼屬于固定解碼，不便于現(xiàn)場頻繁更改和系統(tǒng)擴(kuò)展。因此，本系統(tǒng)采用C8051F330單片機(jī)進(jìn)行軟件解碼。

C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SoC),具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置FLASH程序存儲器、內(nèi)部RAM，大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM，即XRAM。C8051F單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。

2.3硬件抗干擾

在無線通訊中使用單片機(jī)會對通訊系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾,根據(jù)文獻(xiàn)，設(shè)計時應(yīng)采取以下抗干擾措施：

(1) 收發(fā)模塊應(yīng)采用目前國家允許無線遙控使用的頻率315MHz；

(2) 對于單片機(jī)振蕩頻率，為了解決單片機(jī)運行速度與電磁干擾的矛盾，應(yīng)采用頻率為4MHz的晶體。

⑶另外，就是隔離。為了有效抑制單片機(jī)對接收模塊的電磁干擾，建議采用電源隔離和端口隔離等措施。端口隔離可采用三極管或比較器。

3結(jié)語

本系統(tǒng)針對智能高壓開關(guān)柜的自動識別任務(wù)進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)，采用了超外差的無線通信和基于單片機(jī)的軟件解碼技術(shù)，充分利用了超外差可靠的短距離通信品質(zhì)以及軟件解碼的簡單、靈活的特點，該產(chǎn)品樣機(jī)目前已成功應(yīng)用于現(xiàn)場運行中,取得了良好的應(yīng)用效果。

本項目成果的投入使用將對因誤操作引起的人身威脅和傷害具有重要意義。