泉州市宜興電力有限公司研究員鄭小妹在2017年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，智能高壓開關(guān)柜是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是電力系統(tǒng)的核心保護(hù)和控制設(shè)備。

原有的高壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)簡單，需要人工檢測和控制，特別是電流測量精度低，接口兼容性差，難以適應(yīng)快速發(fā)展的智能電網(wǎng)。因此，需要一種新型的高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)來有效地監(jiān)測和控制開關(guān)柜。

根據(jù)高壓開關(guān)柜的應(yīng)用要求，本文從軟件和硬件兩方面研究了一套高壓柜在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

高壓開關(guān)柜的原始功能相對(duì)簡單。它只能顯示用戶終端的電壓和電流值，甚至市場上也有通過指針表顯示的產(chǎn)品。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，智能高壓開關(guān)柜必將成為市場應(yīng)用的主流。

摘要:介紹了智能0+監(jiān)控系統(tǒng)，從硬件和軟件兩方面對(duì)智能高壓0+監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，并分析了其抗干擾措施，對(duì)高壓0+的智能化發(fā)展具有一定的參考意義。

1高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)

高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮谋O(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，主要由現(xiàn)場層、監(jiān)控層和管理層組成?，F(xiàn)場層的主要設(shè)備包括現(xiàn)場監(jiān)控單元、傳感器和相關(guān)的輔助部件。其重要功能是高壓開關(guān)柜的現(xiàn)場監(jiān)測。現(xiàn)場層和檢測層通過總線連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和控制命令的傳輸。監(jiān)控層和電站控制中心通過以太網(wǎng)連接。監(jiān)控層的主要設(shè)備是監(jiān)控主機(jī)、路由器、打印機(jī)等相關(guān)設(shè)備。監(jiān)控層和管理層之間的數(shù)據(jù)通信通過以太網(wǎng)完成。下圖為高電壓開關(guān)柜時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

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

1.2 開關(guān)柜監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

開關(guān)柜監(jiān)控裝置安裝在高壓開關(guān)柜的儀表室內(nèi)，主要負(fù)責(zé)高壓開關(guān)柜的數(shù)據(jù)測量、保護(hù)控制、參數(shù)顯示、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，并提供人機(jī)交互界面。主要測量和計(jì)算傳感器陣列和變壓器信號(hào)，以獲得電壓和電流值。

當(dāng)系統(tǒng)過載時(shí)，過載保護(hù)信號(hào)會(huì)及時(shí)發(fā)送到斷路器。監(jiān)控裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu)，主要由1#主控保護(hù)單片機(jī)和2#監(jiān)控保護(hù)單片機(jī)組成。這兩個(gè)處理器通過一個(gè)雙端口內(nèi)存實(shí)現(xiàn)內(nèi)存空間共享。監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

圖2監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖

可以看出，該裝置的硬件主要包括1#主控保護(hù)單片機(jī)、2#監(jiān)控保護(hù)單片機(jī)、模擬量接口、電源模塊等部分。傳感器的模擬信號(hào)由調(diào)節(jié)模塊轉(zhuǎn)換為0-10V信號(hào)。2#監(jiān)控保護(hù)單片機(jī)控制A/D采集芯片采集模擬信號(hào)，并將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，監(jiān)控系統(tǒng)的電壓、電流信號(hào)以及短路、過載等故障。

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備根據(jù)計(jì)算和分析執(zhí)行故障保護(hù)和報(bào)警信號(hào)發(fā)出等動(dòng)作。2#單片機(jī)的信號(hào)采集功能完成后，1#主控保護(hù)單片機(jī)取出存儲(chǔ)器中的值，計(jì)算出當(dāng)前的電壓和電流值，并顯示在液晶顯示器上。此外，1#單片機(jī)還負(fù)責(zé)CAN通信功能。電壓模塊提供設(shè)備運(yùn)行所需的5V和12V電壓。

1模擬信號(hào)處理電路。

該裝置的電流測量采用磁傳感器矩陣法，在進(jìn)行運(yùn)算處理之前，需要對(duì)TMR傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和轉(zhuǎn)換。由于傳感器的輸出信號(hào)電壓約為600毫伏，需要進(jìn)行大處理，放大7倍至4.2伏，剩余的電壓裕量作為過載電流和沖擊電流的報(bào)警間隔。由于系統(tǒng)的操作環(huán)境受到嚴(yán)重干擾，放大器應(yīng)安裝在傳感器探頭中，并由12V電壓供電。

此外，TMR傳感器是一種新型的磁阻效應(yīng)傳感器。與其他監(jiān)測設(shè)備相比，TMR傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高、線性范圍寬、功耗低等特點(diǎn)。片式溫度傳感器體積小，成本低，非常適合于印刷電路板的設(shè)計(jì)。然而，TMR傳感器輸出信號(hào)中存在大量高頻干擾信號(hào)，需要在采樣前進(jìn)行濾波。巴特沃斯濾波器是最常用的濾波器，具有平坦的通帶和出色的濾波性能。

本文采用模擬低通濾波電路，其原理圖如下圖所示。

圖3該裝置的低通濾波電路示意圖

以上，我們已經(jīng)分析了該設(shè)備的主要硬件，將不再詳細(xì)介紹系統(tǒng)的其他硬件部分。

1.3監(jiān)控系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

2#監(jiān)控保護(hù)單片機(jī)的主要外圍硬件電路包括A/D采集芯片、高速雙端口RAM和保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)上電復(fù)位后，首先對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行初始化操作，然后檢測整個(gè)系統(tǒng)，確認(rèn)正常后，執(zhí)行信號(hào)采集程序采集電壓和電流信號(hào)。在完成信號(hào)的循環(huán)采集和存儲(chǔ)之后，主芯片可以執(zhí)行操作處理操作。

系統(tǒng)主控中央處理器程序流程如下圖所示。監(jiān)控保護(hù)單片機(jī)的采集程序運(yùn)行后，只有在系統(tǒng)因短路等嚴(yán)重故障被監(jiān)控到有跳閘保護(hù)或主控中央處理器發(fā)出停止中斷命令后，采集才會(huì)中斷。

圖4主控CPU主程序流程圖

另外，1#主控單片機(jī)的主要功能是控制監(jiān)控單元和數(shù)據(jù)的操作和輸出。系統(tǒng)通電并復(fù)位后，1 #中央處理器初始化系統(tǒng)并執(zhí)行自檢。然后，檢測2 #中央處理器是否完成準(zhǔn)備工作。整個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，1 #中央處理器向2 #中央處理器發(fā)送信號(hào)采集信號(hào)。每當(dāng)2 #中央處理器完成一個(gè)信號(hào)采集周期，它將發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。此時(shí)，1 #中央處理器讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算電壓和電流值，并將計(jì)算結(jié)果傳送給上位機(jī)。

雖然監(jiān)控單元的雙CPU架構(gòu)的硬件配置較低，但它可以執(zhí)行多任務(wù)監(jiān)控。為了保證兩個(gè)處理器之間的協(xié)調(diào)，處理器之間需要協(xié)商一個(gè)握手協(xié)議，兩個(gè)處理器之間的通信和握手是通過一個(gè)通信端口和一個(gè)外部中斷來完成的。2 #中央處理器通過兩個(gè)中斷連接到1 #中央處理器:采集完成中斷和故障報(bào)警中斷。1號(hào)中央處理器到2號(hào)中央處理器有一個(gè)停止中斷信號(hào)。

握手將在中央處理器自檢和線路故障期間進(jìn)行。下面將以自檢為例解釋握手過程。復(fù)位或通電后，中央處理器分別執(zhí)行初始化和自檢。2 #中央處理器自檢完成后，打開的中斷向1#主中央處理器發(fā)送自己的狀態(tài)。1 #中央處理器進(jìn)入自檢狀態(tài)，打開串口，發(fā)送代碼查詢2 #中央處理器。在接收到查詢命令后，2 #中央處理器繼續(xù)向1 #中央處理器發(fā)送狀態(tài)代碼，直到它從1 #中央處理器接收到狀態(tài)接收成功的返回代碼。

自檢確認(rèn)完成后，1 #中央處理器向2 #中央處理器發(fā)出信號(hào)采集啟動(dòng)命令，系統(tǒng)開始運(yùn)行，否則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的故障報(bào)警顯示。CPU自檢中斷握手過程如下。

圖5自檢握手過程

1.4系統(tǒng)測試

首先，對(duì)中央處理器進(jìn)行在線調(diào)試，通過程序中的脈沖觸發(fā)時(shí)序計(jì)算各功能模塊的運(yùn)行時(shí)間。我們記錄系統(tǒng)是否能在一個(gè)采集周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次有效值計(jì)算、兩次液晶屏刷新、一次數(shù)據(jù)上傳和一次按鍵響應(yīng)，而不影響監(jiān)控和保護(hù)中央處理器的中斷響應(yīng)。測試后，系統(tǒng)各功能模塊的極限消耗時(shí)間如下表所示。

表1系統(tǒng)功能模塊的極限消耗時(shí)間

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

然后測試系統(tǒng)的功能，測試電流由大電流發(fā)生器提供，羅果夫斯基線圈提供電流標(biāo)準(zhǔn)值，并記錄監(jiān)控裝置的電流值。橫坐標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)電流有效值，縱坐標(biāo)是顯示電流有效值。在測試中，系統(tǒng)范圍分為兩種類型:峰值0-50A和50-1200A。測試結(jié)果如下圖所示。

圖6系統(tǒng)測試電流測量結(jié)果圖

從測試結(jié)果可以看出，在峰值0-50 a范圍內(nèi)，系統(tǒng)的最大誤差為1.1A，在50-1200A范圍內(nèi)，由于干擾，最大誤差為2.3A，誤差率為0.192%，精度達(dá)到0.2級(jí)，滿足系統(tǒng)的測量要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)備的可靠性，該系統(tǒng)在不同的天氣條件下進(jìn)行了多次測試。下表顯示了最大誤差結(jié)果。該系統(tǒng)仍能滿足0.2級(jí)監(jiān)測的要求，重復(fù)性好。

表2重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的當(dāng)前監(jiān)控只是監(jiān)控設(shè)備的基本功能。該系統(tǒng)作為綜合智能監(jiān)控裝置，還應(yīng)集成高壓柜的電壓監(jiān)控、柜內(nèi)觸點(diǎn)和溫度監(jiān)控開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)控以及運(yùn)行安全聯(lián)鎖功能。只需在系統(tǒng)中增加相應(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。

應(yīng)當(dāng)注意，隨著功能變得更加復(fù)雜，可能需要選擇具有更快操作速度的單個(gè)芯片來提高系統(tǒng)操作速度并滿足執(zhí)行效率的要求。高壓柜的遠(yuǎn)程監(jiān)控可以通過設(shè)備的通信接口和變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)保護(hù)和控制的核心設(shè)備。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)控變得越來越重要。本文根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，從硬件和軟件兩方面設(shè)計(jì)了一種智能高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)的抗干擾措施，并通過測試測試了系統(tǒng)的測量精度，對(duì)高壓開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的參考意義。