蔡翠

摘 要：高壓開關(guān)柜作為礦井供配電系統(tǒng)的重要控制與保護設(shè)備，是智能電網(wǎng)重要組成部分。由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境惡劣，長期高負荷運行狀態(tài)下高壓開關(guān)柜易高溫引發(fā)故障。為保證礦井供電系統(tǒng)安全，本文基于物聯(lián)網(wǎng)對高壓開關(guān)柜實時監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，給出了系統(tǒng)前端的采集信號裝置及主控芯片的型號，及前端傳感設(shè)備的觸頭溫度測量單元，電壓電流測量單元和開關(guān)量測量單元等設(shè)計選型。利用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片作為實時監(jiān)測主控模塊，實現(xiàn)了信號的采集處理處理及轉(zhuǎn)換。保證高壓開關(guān)柜的安全穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;在線監(jiān)測;溫度傳感器;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

高壓開關(guān)柜是礦井高壓供電系統(tǒng)的主要控制與保護設(shè)備。隨著，煤礦綜采工作面機械化、自動化和智能化水平的提高，煤礦井下的大型機電設(shè)備應(yīng)用也越來越多越大，而這些機電設(shè)備驅(qū)動能力均以電能為主，無形增加礦井的供電負荷，影響礦井的供電安全，為此，對電力系統(tǒng)進行預(yù)先診斷對電力系統(tǒng)的保護十分重要。高壓開關(guān)柜是礦井變配電的重要設(shè)備，其可以很好的隔斷電路和監(jiān)測線路運行情況，高壓開關(guān)柜的可靠性在一定程度上決定著電力系統(tǒng)的效率。高壓開關(guān)柜過熱是引起開關(guān)柜故障的重要原因，所以對高壓開關(guān)柜的運行狀態(tài)進行監(jiān)測及故障報警是提升開關(guān)柜可靠性的有效措施。此前眾多學(xué)者對高壓開關(guān)柜的實時監(jiān)測和故障報警做出過一定的研究。為了提升高壓開關(guān)柜的可靠性，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對開關(guān)柜的監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，給出了提升開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)可靠性的方法，保證礦井的供電安全。

1 實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

隨著供電系統(tǒng)的規(guī)模不斷加大，且對其運行的條件不斷增高，電網(wǎng)機組發(fā)生故障的幾率也在不斷增大，所以為了對故障做到實時監(jiān)測，提出高壓開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)的無線溫度、電流傳感器實時監(jiān)測裝置，實現(xiàn)高壓開關(guān)柜的實時監(jiān)測。設(shè)計前對系統(tǒng)的要求及其功能進行分析，首先高壓開關(guān)柜的故障主要有絕緣子絕緣故障、開斷和關(guān)合故障及據(jù)動、誤動故障。所以對監(jiān)測系統(tǒng)的要求為：

①監(jiān)測系統(tǒng)裝置選擇合理，性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝;②裝置在工況下精度較高，受電磁影響小，抗系統(tǒng)干擾能力強;③系統(tǒng)在實際工況下運行低耗，且可實現(xiàn)遠距離控制及數(shù)據(jù)傳輸和實時監(jiān)測及故障預(yù)警，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄及保存功能;④系統(tǒng)安裝應(yīng)留存一定的空間，方便后續(xù)裝置對監(jiān)測系統(tǒng)的實時優(yōu)化。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)

實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計采用無線通訊結(jié)合有線通訊并基于物聯(lián)網(wǎng)對高壓開關(guān)柜進行設(shè)計。監(jiān)測系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成。三個部分為別為數(shù)據(jù)傳輸基站、前端傳感器及線上監(jiān)測平臺。

前端傳感器也可以稱之為數(shù)據(jù)采集裝置，是在開關(guān)柜布置多個采集點和傳輸點組成的一個系統(tǒng)。前端傳感器包含了溫度測試裝置、電壓電流測量裝置及局部電流測量裝置。系統(tǒng)通過分析開關(guān)柜內(nèi)部母排電壓、局部放電、觸頭溫度等進行監(jiān)測采集，將采集的數(shù)據(jù)輸送至傳輸?shù)碾娔X終端，實現(xiàn)溫度、電流、電壓等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。電腦終端對監(jiān)收到的信息進行分析，并根據(jù)相應(yīng)的監(jiān)測異常系數(shù)進行優(yōu)先級數(shù)的劃分，對監(jiān)測到的異常數(shù)據(jù)進行預(yù)警，報至監(jiān)測平臺。測平臺是系統(tǒng)的核心部分，是一個具有完整功能的管理平臺，其功能具備人機交互功能，且擁有完整的數(shù)據(jù)分析庫，通過以太網(wǎng)進行控制主機的監(jiān)測，通過分析控制主機傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)，實現(xiàn)隨工作環(huán)境轉(zhuǎn)變預(yù)警閥值。首先根據(jù)高壓開關(guān)柜的設(shè)計要求，對信號采集單元及物聯(lián)網(wǎng)進行設(shè)置。對物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部的斷路器進行溫度電流數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、存儲。所以選定CORTEX-M4和STM32F103RCT6為主控單元，系統(tǒng)整體硬件框架圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)的處理單元通過對數(shù)據(jù)進行濾波、放大、抽樣等程序進行電流電壓等數(shù)據(jù)的采集，并達到A/D的要求，經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸送至主控單元，后傳輸至上位管理機。高壓開關(guān)柜內(nèi)部的結(jié)十分復(fù)雜，強電電路都存在一個狹小的空間內(nèi)部，帶電體與內(nèi)部絕緣體相互交錯，所以需要通過一定的裝置進行內(nèi)部實時監(jiān)測。所以本文通過對高壓開關(guān)靜觸頭的溫度進行監(jiān)測，實現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部的控制。溫度傳感器選定時需要滿足無線溫度測量的要求。無線溫度測量裝置主要由溫度傳感器、微處理器、無線通信接口組義、微處理器組成。溫度傳感器主要用于測量觸頭節(jié)點實時的溫度變化;通信接口主要用于無線溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)的傳輸。溫度傳感單元的微處理器選定具備抗干擾能力強且系統(tǒng)低耗的元件MC9S08QG8芯片，芯片可以實現(xiàn)互感方式的自給供電。同時MC9S08OG8芯片較普通芯片具有更長的使用壽命，當(dāng)芯片電壓大于2.1V，此時的微處理器的工作頻率高達20MHz;當(dāng)小于2.1V時，此時的工作頻率為16MHz;工作的電壓小于1.8V時，仍可以繼續(xù)工作。微處理器具有SCISPI和IC三個外接通訊接口，設(shè)置有增強型8通道、512字節(jié)RAM，8KFLASH存儲器，10位ADC轉(zhuǎn)換器;微處理器可以支持32個中斷/復(fù)位源，及上電復(fù)位電路，可以較好的滿足工作要求。同時無線溫度測量單元復(fù)位即可接收配置命令，當(dāng)配置完成后對采集的溫度數(shù)據(jù)進行傳輸。

并對系統(tǒng)開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測單元進行設(shè)計，系統(tǒng)的輸入信號通過輔助觸點獲得。高壓開關(guān)柜采集開關(guān)量的狀態(tài)是根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)部斷路器的閉合及開啟狀態(tài)所確定的。通過監(jiān)測開關(guān)觸頭的接通狀態(tài)，對應(yīng)輸入系統(tǒng)中的邏輯語言進行狀態(tài)監(jiān)測。

電壓測量單元設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)選定的10kV開關(guān)柜，設(shè)計選定為二次降壓方式進行數(shù)據(jù)的采集。選定型號為JSZW3-10電壓互感器進行降壓處理，將電路中10kV的高電壓降底至100V后傳輸至二級互感器，將其輸出的電流信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進行翻譯后傳輸至系統(tǒng)控制中心，完成相應(yīng)的電壓信號的采集。考慮實際的工作環(huán)境及設(shè)計需要選定LV25-P/SP5電壓傳感器，實現(xiàn)三路電壓監(jiān)測。

對主控模塊的電路進行設(shè)計，考慮到STM32接口齊全，應(yīng)用范圍廣泛，是目前主流的MCU，所以根據(jù)系統(tǒng)的需要選定基于STM32F103RCT6芯片的ARM。針對在后續(xù)發(fā)展中開關(guān)柜設(shè)備的增加，提供了裝載空間，將AD7606模塊和ARM通過外部連接的形式進行分開設(shè)計。ARM的主控模塊含有：FLASH存儲單元、STM32芯片、電源模塊和通信模塊。

對系統(tǒng)的通信電路進行設(shè)計，根據(jù)高壓開關(guān)柜工況需求及各通信方式的優(yōu)缺點，設(shè)定系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的通信方式對主控芯片與上位機通信進行連接，選用高性能的W5500型號芯片作為通信電路核心芯片。芯片內(nèi)部含有集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧，和物理層（PHY）工藝及集成10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC），通訊電路可靠性高、穩(wěn)定性好。W5500內(nèi)部嵌入32K字節(jié)片緩存，可以使得用戶同時使用8個Socket獨立通訊。同時通過SPI接口實現(xiàn)W5500與MCU的快速網(wǎng)絡(luò)通訊。

3 結(jié)論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)對高壓開關(guān)柜實時監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，分別對系統(tǒng)前端的采集信號裝置及主控芯片進行選型和設(shè)計。并對前端傳感設(shè)備的觸頭溫度測量單元，電壓電流測量單元和開關(guān)量測量單元進行分析設(shè)計。重點給出了基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32芯片的實時監(jiān)測主控模塊，并通過AD7606的AD轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)口通信模塊，完成了信號的采集處理處理及轉(zhuǎn)換。滿足了煤礦井下供電系統(tǒng)可靠性，安全性和連續(xù)性的要求。

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