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)用價值。

高壓開關(guān)柜的原始功能相對簡單。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智能高壓0+監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和研究，并分析了其抗干擾措施，對高壓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

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。現(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，實現(xiàn)監(jiān)控數(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

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。主要測量和計算傳感器陣列和變壓器信號，以獲得電壓和電流值。

當(dāng)系統(tǒng)過載時，過載保護(hù)信號會及時發(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。這兩個處理器通過一個雙端口內(nèi)存實現(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。傳感器的模擬信號由調(diào)節(jié)模塊轉(zhuǎn)換為0-10V信號。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，并將采集的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，監(jiān)控系統(tǒng)的電壓、電流信號以及短路、過載等故障。

當(dāng)發(fā)生故障時，設(shè)備根據(jù)計算和分析執(zhí)行故障保護(hù)和報警信號發(fā)出等動作。2#單片機(jī)的信號采集功能完成后，1#主控保護(hù)單片機(jī)取出存儲器中的值，計算出當(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TMR傳感器的信號進(jìn)行調(diào)理和轉(zhuǎn)換。由于傳感器的輸出信號電壓約為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。然而，TMR傳感器輸出信號中存在大量高頻干擾信號，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

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)動電路。單片機(jī)上電復(fù)位后，首先對外圍設(shè)備進(jìn)行初始化操作，然后檢測整個系統(tǒng)，確認(rèn)正常后，執(zhí)行信號采集程序采集電壓和電流信號。在完成信號的循環(huán)采集和存儲之后，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)送信號采集信號。每當(dāng)2 #中央處理器完成一個信號采集周期，它將發(fā)送一個中斷信號。此時，1 #中央處理器讀取數(shù)據(jù)，計算電壓和電流值，并將計算結(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。為了保證兩個處理器之間的協(xié)調(diào)，處理器之間需要協(xié)商一個握手協(xié)議，兩個處理器之間的通信和握手是通過一個通信端口和一個外部中斷來完成的。2 #中央處理器通過兩個中斷連接到1 #中央處理器:采集完成中斷和故障報警中斷。1號中央處理器到2號中央處理器有一個停止中斷信號。

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)出信號采集啟動命令，系統(tǒng)開始運(yùn)行，否則會出現(xiàn)相應(yīng)的故障報警顯示。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)時序計算各功能模塊的運(yùn)行時間。我們記錄系統(tǒng)是否能在一個采集周期內(nèi)實現(xiàn)一次有效值計算、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間如下表所示。

表1系統(tǒng)功能模塊的極限消耗時間

由于上述功能通常在不同的掃描周期內(nèi)完成，系統(tǒng)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，滿足系統(tǒng)的測量要求。

為了進(jìn)一步驗證設(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級監(jiān)測的要求，重復(fù)性好。

表2重復(fù)實驗結(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，從硬件和軟件兩方面設(shè)計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，對高壓開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用具有一定的參考意義。