喬向陽　劉明春　李少勇　王嗣常

摘 要：變電站開關柜管理工作是安全生產(chǎn)的重要工作之一，對開關柜工作狀態(tài)和開關柜內(nèi)有害氣體監(jiān)測是防止工作人員檢修開關柜時受到傷害的有效輔助手段。本文介紹了一套針對開關柜工作狀態(tài)及工作過程中可能產(chǎn)生的有害氣體的監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)基于傳感器技術、嵌入式技術和數(shù)字通訊技術，實現(xiàn)對開關柜狀態(tài)及柜內(nèi)有害氣的有效監(jiān)測，有效保護開關柜檢修人員及設備安全。

關鍵詞：開關柜；有害氣體監(jiān)測；嵌入式技術

1、概述

隨著我國現(xiàn)代化經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，電網(wǎng)容量的不斷增加，為保證電網(wǎng)的輸配電質量，電力系統(tǒng)對輸配電設備提出了越來越高的要求。從早期的水泥間隔式開關柜到固定式開關柜，再到落地式手車開關柜，一直發(fā)展到現(xiàn)在的中置式開關柜，開關柜的性能逐步提高，尤其在開關柜的防止誤操作和保證設備及維護人員安全方面更是得到了一定的發(fā)展及完善。但是因為帶電間隔導致的人身意外傷害事故依然時有發(fā)生，在電力系統(tǒng)的異常事故中，誤操作事故、誤入帶電間隔造成的人身傷亡、設備損壞、系統(tǒng)停電事故比例占絕大多數(shù)。

針對以上存在的問題，基于當今快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術，結合傳感器網(wǎng)絡、網(wǎng)絡通信等，設計一套變電站開關柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對開關柜狀態(tài)及柜內(nèi)有害氣的有效監(jiān)測，有效保護開關柜檢修人員及設備安全。

2、系統(tǒng)功能介紹

變電站開關柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)安裝于變電站內(nèi)開關柜系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)對開關柜工作狀態(tài)、開關柜內(nèi)有害氣體和是否有人員進入開關柜進行監(jiān)測，從而確保檢修人員能夠在安全的工作環(huán)境進行檢修公共，保證檢修人員人身安全和變電站內(nèi)設備安全。

監(jiān)控主機通過各傳感器單元對開關柜監(jiān)控結果確定所采取的具體操作，如：當有害氣體監(jiān)測單元檢測到開關柜內(nèi)有害氣體超標，監(jiān)控主機會啟動風扇，將開關柜內(nèi)有害氣體排除柜外，確保開關柜內(nèi)環(huán)境適合檢修人員正常工作。當控制器檢測到檢修人員進入帶電開關柜內(nèi)室，系統(tǒng)啟動報警功能，提示檢修人員所檢修的開關柜帶電，須立即停止操作。

3、系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)由電源管理單元、主控單元、有害氣體監(jiān)測單元、風扇電機驅動單元、開門狀態(tài)監(jiān)測單元、人員活動監(jiān)測單元、RS485通訊單元和報警單元組成。

3.1電源管理單元設計

電源設計是整個系統(tǒng)設計的基礎，電源設計的好壞直接影響著終端設備能否實現(xiàn)設計目標，因此，系統(tǒng)采用較為成熟可靠的設計電路，作為本終端設備電源管理單元。本系統(tǒng)的電源共有DC12V、DC6V、DC3.3V以及VCC_485四部分組成。其中DC12V為外部電源輸入，為整個終端提供系統(tǒng)工作電源。DC12V經(jīng)由開關穩(wěn)壓芯片LM2596穩(wěn)壓，獲得DC6V電源，用于驅動風扇電機和有害氣體監(jiān)測傳感器。DC6V經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片AMS1117芯片穩(wěn)壓到DC3.3V，為主控系統(tǒng)和其他傳感器提供電源。DC3.3V經(jīng)過電源隔離芯片B0505S和LP3985芯片，獲得VCC_485電源，為RS485通訊提供獨立的電源，從而減少因系統(tǒng)電源溫不穩(wěn)影響RS485通訊系統(tǒng)正常工作。

3.2主控單元設計

終端選用ARM公司的STM32F105RBT6作為控制芯片，本芯片采用較為先進的Cortex-M3內(nèi)核，并結合豐富的外設接口可以很好滿足設計需要，從而使電路設計更加簡單。其256K字節(jié)的閃存程序存儲區(qū)，使其能夠應用于較大工程文件系統(tǒng)中。

3.3有害氣體檢測及排氣系統(tǒng)設計

系統(tǒng)通過MWA4218-0901傳感器實現(xiàn)對開關柜內(nèi)有害氣體的檢測，當開關柜內(nèi)有還氣體超過預設閾值時啟動排氣扇，將開關柜內(nèi)有害氣體排出。

有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)原理如下圖六所示，傳感器MWA4218-0901把把檢測到的有害氣體濃度值轉換為對應的電壓值輸入到終端接口JP1中，系通過把輸入的電壓信號經(jīng)過運放電路之后輸入到終端AD轉換接口，終端把輸入的模擬信號量轉換為數(shù)字信號量進行處理，并與系統(tǒng)設置的閾值進行比較，當檢測得到的有害氣體濃度超過閾值，系統(tǒng)啟動排氣扇，將有害氣體排出。

3.4開關柜狀態(tài)、人員活動及報警系統(tǒng)設計

由于變電站開關柜經(jīng)常有檢修人員進行檢修作業(yè)，因此對開關柜狀態(tài)檢測、開關柜內(nèi)人員活動情況進行監(jiān)測顯得尤為重要。

首先，檢測終端通過RS485通訊單元與開關柜控制器進行通訊，獲得開關柜內(nèi)觸點帶電情況，并判斷開關柜箱門是否被打開，當開關柜內(nèi)帶電，且有人員進入開關柜內(nèi)時，終端系統(tǒng)啟動現(xiàn)場報警設備，提醒現(xiàn)場檢修人員已經(jīng)進入危險帶電設備區(qū)，請立即退出開關柜。只有系統(tǒng)檢測到開關柜內(nèi)觸點不帶電情況下，才允許檢修人員進入開關柜內(nèi)。紅外人體監(jiān)測系統(tǒng)設計如下圖2所示：

4、系統(tǒng)軟件設計

變電站開關柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)的驅動程序采用模塊程序結構。根據(jù)模塊化軟件設計要求，將系統(tǒng)驅動分為以下模塊。

1）系統(tǒng)初始化模塊：初始化主控芯片寄存器、I/O口、定時器、AD轉換及系統(tǒng)中斷方式。

2）開關柜箱門狀態(tài)監(jiān)測模塊：檢測開關柜箱門開/閉狀態(tài)。

3）有害氣體濃度監(jiān)測及排氣扇驅動模塊：有害氣體采集、AD轉換、分析，排氣風扇啟動/關閉及排氣量大小控制。

4）RS485通訊模塊：驅動RS485通訊芯片，實現(xiàn)與開關柜主機通訊。

5）人員活動和報警模塊：監(jiān)測開關柜內(nèi)人員活動信息，并根據(jù)檢測結果啟動/關閉報警單元。

5、結束語

本文設計的變電站開關柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)整合了最新的傳感器技術與嵌入式技術，實現(xiàn)對開關柜內(nèi)多參量、全方位、實時在線監(jiān)測及安全高效的防誤入預警提示功能，減少因工作疏忽導致誤入開關柜事件的發(fā)生，提高現(xiàn)場工作人員工作安全性。

參考文獻

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