1  引言

“双碳”目标及建设新型电力系统背景下，促进高比例可再生能源并网消纳，将成为我国构建新型电力系统的当务之急。随着新能源不断发展，装机比例不断提高，大电网的安全稳定运行面临巨大挑战，对新能源并网控制技术研究已成为当前热点。由于新能源实测建模、并网检测等工作需要，在开展硬件在环仿真实验时需进行待测设备点表校对、设备端口接线等工作，该过程由于设备通信引脚过多，需逐一引脚进行接线及调试，目前仅以人工方式选线，准确性和时效性较差，容易发生误选漏选等问题，且不易排查和修改^[1-3]。同时，不同控制器或测试设备的部分引脚所需电平信号并不统一，需要单独提供直流电平信号或在线路上串接电阻，不同实验平台的端口通信协议不兼容，更换试验平台需重新进行接线，给测试带来极大不便^[4-5]。

2  一次消谐器保护装置研究

2.1工作原理

本项目主要思路为开发DB37等通用接口的可编程智能选线装置，通过硬件开发和控制策略设计，可在线自由设定每个端口引脚定义，更改输入、输出两侧任意端口的连通关系，赋予端口任意电平值，实现仿真测试平台、控制器装置等设备间数据信号的智能选通。

图1 智能选线装置原理简图

本项目研究的智能选线装置系统架构如图2所示，主要包括主控模块、数据采集模块、动作执行模块、电源模块、显示模块，装置的软硬件功能均基于此架构进行设计。

图2 智能选线装置系统框图

2.2硬件设计

主控模块采用STM32L151C8T6型单片机，STM32L151C8T6系列单片机是由意法半导体生产的超低功耗32位MCU微控制器，集成了Cortex-M3内核，最高主频可达32MHz，性能较强，数据存储空间适中，集成了64 KB闪存和16 KB RAM，支持多种通信接口，包括UART、SPI、I2C、CAN等，满足选线设备的通信需求。

建立40×37的开关阵列，其中输入端为40路端子，包括2路冗余端子1路调压端子，输出端为37路端子；阵列节点处安置有干簧管继电器，通过分析上位机选通指令，驱动相应节点位置处的干簧管继电器通断，实现对应线路的选通。其次，对选通指令的分析由控制单元进行解析，硬件信号通过SPI下发到各个单元模块，同时，为保证选通过程中由于误操作而造成设备内部行程闭环通路的短路，输入端通过硬件设计实现各个接线端子间硬件互斥，输出端从软件方面实现互斥，进而保证设备在使用期间的安全性^[6-8]，开关矩阵的详细示意如图3所示。

图3 开关阵列示意图

图4所示为驱动单元的设计原理图，MCU通过SPI下发串行指令至每块单元板的74HC595，实现继电模块的片选以及位选，74HC238从硬件方面保证了单元板输入引脚间的互斥，ULN2803完成对应干簧管的驱动。由于MCU驱动单元板数量较大，驱动信号弱，因此在接入前需经过74HC244对信号进行放大，74HC595接收到穿行的8位SPI数据信号，转换为片选E3、E2、E1以及位选信号A、B、C，完成5片74HC238的片选以及选中的74HC238位号，通过ULN2803增强驱动信号驱动相应干簧管继电器^[9]。

图4 驱动模块示意图

2.3 软件设计

本项目软件系统框架为主从机模式，显示系统作为服务端，控制主板作为客户端，客户端遵循modbus协议轮询向服务端发送请求，查询服务端信息更新状态，及时更新驱动板开关阵列状态。

服务端如有选线更新，客户端请求成功，即客户端收到包含37个字节的消息包，该37个字节为输入输出的选通状态。客户端MCU对消息包进行消息规则检查，检查通过即对消息包编码，转换为片选和位选信号，实现相应干簧管继电器的通断^[10]。具体软件系统流程如下：

图5 软件系统流程框图

3 实验结论

经实验验证，本装置可通过测量DB37输入输出端口的连通情况来进行结果验证。将主板通过RS232与上位机相连，通过下发相应的闭合指令驱动单元板继电器通断，通过万用表验证输入输出端口连通情况与下发指令是否对应一致。经实验验证，本装置可准确实现设定的连通效果及无极调压。可辅助技术人员快速开展硬件在环测试调试工作，显著提升实验室安全性和智能水平，节省调试时间，缩短测试工期，装置操作便捷、可靠性高，具有较强的可扩展性，且目前市面上没有类似装置，在建设以新能源为主体的新型电力系统前景下，对科研院所、高校、控制器厂家具有极高的推广应用价值和成果转化潜质。

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作者简介：郑博文（1993-），男，汉族，江苏省宿迁县人，2017年毕业于哈尔滨工业大学电气工程专业，硕士研究生，中级工程师，现从事研究方向为电力系统及其自动化。