鄭小梅

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高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

鄭小梅

（泉州億興電力有限公司，福建泉州 362000）

智能高壓開關(guān)柜是智能電網(wǎng)的重要組成，是電力系統(tǒng)核心的保護和控制設(shè)備。原始的高壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)簡單，需要人工巡檢和控制，尤其是電流測量精確度較低，且接口兼容性較差，難以與快速發(fā)展的智能電網(wǎng)相適應(yīng)。因此，需要一種新型的高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)對開關(guān)柜進行有效地在線監(jiān)測和控制。本文針對高壓開關(guān)柜的應(yīng)用需求，從軟件和硬件入手研究了一套高壓柜在線監(jiān)控系統(tǒng)，具有一定的應(yīng)用價值。

高壓開關(guān)柜；在線監(jiān)測；抗干擾

原始的高壓開關(guān)柜功能比較簡單，只能顯示用戶端的電壓電流值，甚至市場上還存在采用指針表顯示的產(chǎn)品。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，智能高壓開關(guān)柜必將成為市場應(yīng)用的主流[1]。本文對智能開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)進行了介紹，從硬件和軟件兩方面入手對智能高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計和研究，并對其防干擾措施進行了分析，對高壓開關(guān)柜的智能化發(fā)展具有一定的借鑒意義。

1 高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮谋O(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，其主要由現(xiàn)場層、監(jiān)測層以及管理層三部分構(gòu)成?，F(xiàn)場層的主要設(shè)備有現(xiàn)場監(jiān)測單元和傳感器以及相關(guān)二次元件，重要功能為高壓開關(guān)柜的現(xiàn)場監(jiān)測?，F(xiàn)場層和檢測層通過總線連接，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。監(jiān)測層和電站控制中心通過以太網(wǎng)連接。監(jiān)測層的主要設(shè)備為監(jiān)測主機、路由器以及打印機等相關(guān)設(shè)備，監(jiān)測層和管理層的數(shù)據(jù)通信通過以太網(wǎng)完成[2]。圖1為高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 開關(guān)柜監(jiān)測裝置硬件設(shè)計

開關(guān)柜監(jiān)測裝置在高壓開關(guān)柜的儀表室中安裝，其主要負(fù)責(zé)高壓開關(guān)柜的數(shù)據(jù)測量、保護控制、參數(shù)顯示以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，并提供人機交互接口。主要對傳感器陣列以及互感器信號進行測量，并進行運算處理求得電壓、電流值[3]。在系統(tǒng)出現(xiàn)過載時，及時向斷路器發(fā)送過載保護信號。監(jiān)測裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu)，其主要包括1#主控保護單片機以及2#監(jiān)測保護單片機，兩個CPU通過雙口RAM存儲器實現(xiàn)了內(nèi)存空間的共享，監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

由圖2可見，裝置的硬件主要包括1#主控保護單片機、2#監(jiān)測保護單片機、模擬量接口以及電源模塊等部分。傳感器的模擬量信號通過調(diào)理模塊的轉(zhuǎn)化成為0～10V的信號，2#監(jiān)測保護單片機控制A/D采集芯片進行模擬量信號的采集，并將采集數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，同時對系統(tǒng)的電壓、電流信號以及短路、過載等故障進行監(jiān)測。當(dāng)有故障發(fā)生時，裝置根據(jù)計算分析，執(zhí)行故障保護以及報警信號的發(fā)出等動作。1#主控保護單片機在2#單片機完成信號采集功能后，將存儲器中的數(shù)值取出，從而對當(dāng)前電壓和電流值進行計算，并在LCD上顯示。此外，1#單片機還負(fù)責(zé)CAN通信功能。電壓模塊為裝置提供運行所需的5V和±12V電壓[4]。

裝置的電流測量采取磁傳感器矩陣法，TMR傳感器的信號需進行調(diào)理和轉(zhuǎn)換后才能進行運算處理。傳感器的輸出信號電壓大約在±600mV之間，需要對其進行放到大處理，放大7倍到4.2V，剩余部分電壓余量作為過載電流以及沖擊電流的報警區(qū)間。由于系統(tǒng)的運行環(huán)境干擾較為嚴(yán)重，因此放大器應(yīng)安裝在傳感器探頭中，并采用12V電壓供電[5]。另外，TMR傳感器是新型的磁電阻效應(yīng)傳感器，與其他監(jiān)測器件相比具有溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高、線性范圍寬，功耗較低的特點，芯片化的TMR傳感器體積小成本低，十分適于PCB設(shè)計。但TMR傳感器輸出信號中存在大量高頻干擾信號，在信號進行取樣處理前，需進行濾波處理。應(yīng)用最為普遍的巴特沃斯濾波器的通帶較為平坦，濾波性能較為優(yōu)越[6]。本文采用模擬低通濾波電路，其原理圖如圖3所示。

圖3 裝置低通濾波電路原理圖

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件整體設(shè)計

2#監(jiān)測保護單片機主要的外圍硬件電路包括A/D采集芯片、高速雙口RAM以及保護驅(qū)動電路。單片機上電復(fù)位后首先對外圍設(shè)備執(zhí)行初始化操作，然后對整個系統(tǒng)進行檢測，確認(rèn)正常后，執(zhí)行信號采集程序，對電壓電流信號進行采集。完成一次信號的循環(huán)采集存儲后，主芯片則可以執(zhí)行運算處理操作。系統(tǒng)主控CPU程序流程如圖4所示。監(jiān)測保護單片機的采集程序運行后，只有在監(jiān)測到系統(tǒng)出現(xiàn)短路等重故障跳閘保護或者主控CPU發(fā)出停止中斷命令后，才會中斷采集[7]。

圖4 主控CPU主程序流程圖

此外，1#主控單片機主要功能為控制監(jiān)測單元以及數(shù)據(jù)的運算和輸出。在系統(tǒng)上電復(fù)位后，1#CPU對系統(tǒng)進行初始化操作并進行自檢。然后檢測2#CPU是否完成準(zhǔn)備工作。在整個系統(tǒng)都準(zhǔn)備完成以后，1#CPU向2#CPU發(fā)出信號采集信號。每當(dāng)2#CPU完成一個信號采集周期，就會發(fā)出一個中斷信號，此時，1#CPU對數(shù)據(jù)進行讀取，對電壓電流值進行計算，并將計算結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C[8]。

監(jiān)測單元的雙CPU架構(gòu)雖然硬件配置較低，但可以進行多任務(wù)監(jiān)測，為確保兩個CPU的協(xié)調(diào)，CPU之間需約定握手協(xié)議，兩個CPU之間通過通信口和外部中斷完成通信和握手。2#CPU通向1#CPU有采集完成中斷和故障報警中斷兩個中斷，1#CPU到2#CPU有一個停止中斷信號。在CPU自檢和線路故障時會進行握手，下面用自檢為例對握手的流程進行說明。CPU在復(fù)位或上電后分別進行初始化和自檢，2#CPU自檢完成后開放中斷將自身狀態(tài)發(fā)送給1#主控CPU。1#CPU進入中斷將串口打開并發(fā)送代碼查詢2#CPU的自檢狀態(tài)，收到查詢命令后2#CPU將狀態(tài)碼持續(xù)發(fā)送給1#CPU，直到接收到來自1#CPU的狀態(tài)接收成功的返回碼為止。在自檢確認(rèn)完成以后，1#CPU向2#CPU發(fā)送信號采集啟動命令，系統(tǒng)開始運行，否則將有相應(yīng)的故障報警顯 示[9]。CPU自檢中斷握手流程如圖5所示。

1.4 系統(tǒng)的測試

首先對CPU聯(lián)機調(diào)試，采用在程序中進行脈沖觸發(fā)計時的方式計算各功能模塊的運行時間。本文記錄系統(tǒng)在一個采集周期內(nèi)能否實現(xiàn)有效值完成一次計算、LCD屏幕兩次刷新、數(shù)據(jù)上傳一次、按鍵響應(yīng)一次，同時不會對監(jiān)測保護 CPU的中斷響應(yīng)造成影響。經(jīng)測試得出系統(tǒng)各功能模塊的極限消耗時間見表1。

圖5 自檢握手流程

表1 系統(tǒng)功能模塊極限消耗時間

由于上述功能通常在不同的掃描周期內(nèi)完成，系統(tǒng)掃描周期大約為15ms，因此系統(tǒng)的執(zhí)行效率滿足要求。

然后對系統(tǒng)功能進行測試，測試電流采用大電流發(fā)生器供應(yīng)，羅氏線圈提供電流標(biāo)準(zhǔn)值，并對監(jiān)測裝置的電流值進行記錄。橫坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)電流有效值，縱坐標(biāo)為顯示電流有效值，在測試中系統(tǒng)量程分為峰值0～50A和50～1200A兩種，測試結(jié)果如圖6所示。

（a）峰值0～50A標(biāo)準(zhǔn)電流有效值/A

（b）峰值50～1200A標(biāo)準(zhǔn)電流有效值/A

圖6 系統(tǒng)測試電流測量結(jié)果曲線圖

從測試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在峰值0～50A的區(qū)間內(nèi)，最大誤差為1.1A，在50～1200A的區(qū)間內(nèi)，受干擾的影響，最大誤差為2.3A，誤差率為0.192%，精度達到0.2級，滿足系統(tǒng)測量要求。為了進一步驗證裝置的可靠性，對系統(tǒng)在不同的天氣狀況下又進行了多次測試，其最大誤差結(jié)果見表2。系統(tǒng)仍能滿足0.2級監(jiān)測的要求，重復(fù)性較好。

表2 重復(fù)實驗結(jié)果

系統(tǒng)電流監(jiān)測只是監(jiān)測裝置的基本功能，作為綜合性的智能監(jiān)測設(shè)備，系統(tǒng)還應(yīng)融合高壓柜的電壓監(jiān)測、觸頭和柜內(nèi)溫度監(jiān)測開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測以及操作安全聯(lián)鎖功能，只需在系統(tǒng)中加入相應(yīng)的檢測模塊和輔助電路，并結(jié)合相應(yīng)的程序功能塊即可。需要注意的是，隨著功能的復(fù)雜化，可能需要選擇運算速率更快的單片機芯片，以提高系統(tǒng)運行速率，滿足執(zhí)行效率的要求[10]。通過裝置的通信接口和變電站的智能監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)，即可實現(xiàn)高壓柜的遠程 監(jiān)控。

2 結(jié)論

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)保護和控制的核心設(shè)備。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)，高壓開關(guān)柜運行狀態(tài)的智能監(jiān)測變得愈發(fā)重要，本文結(jié)合以往的工作經(jīng)驗，從硬件和軟件兩方面入手，設(shè)計了一款智能高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)，針對系統(tǒng)運行的環(huán)境特點，對系統(tǒng)的抗干擾措施進行了分析，并通過測試對系統(tǒng)測量精度進行了檢驗，對高壓開關(guān)柜的智能化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

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Design and Research of on Line Monitoring System for High Voltage Switchgear

Zheng Xiaomei

(Quanzhou Yixing Electric Power Co., Ltd, Quanzhou, Fujian 362000)

Intelligent high-voltage switchgear is an important component of smart grid, is the core of power system protection and control equipment. The original high voltage switch cabinet has the advantages of simple structure, manual inspection and control, especially the low accuracy of current measurement, and poor interface compatibility. Therefore, a new type of high voltage switchgear online monitoring system is needed to monitor and control the switch cabinet effectively. In this paper, based on the software and hardware, a set of online monitoring system for high voltage switchgear is studied. Has certain application value.

high voltage switchgear; on line monitoring; anti-interference

鄭小梅（1984-），女，福建永定人，學(xué)士，工程師，技術(shù)部電氣設(shè)計員，主要從事從事電力、電氣設(shè)備設(shè)計和智能化研究工作。