基于ARM的高壓開關柜在線監測系統的研究

蔡翠

摘 要：高壓開關柜作為礦井供配電系統的重要控制與保護設備，是智能電網重要組成部分。由于煤礦井下作業環境惡劣，長期高負荷運行狀態下高壓開關柜易高溫引發故障。為保證礦井供電系統安全，本文基于物聯網對高壓開關柜實時監測系統進行設計，給出了系統前端的采集信號裝置及主控芯片的型號，及前端傳感設備的觸頭溫度測量單元，電壓電流測量單元和開關量測量單元等設計選型。利用ARM Cortex-M3內核的STM32芯片作為實時監測主控模塊，實現了信號的采集處理處理及轉換。保證高壓開關柜的安全穩定運行。

關鍵詞：高壓開關柜;在線監測;溫度傳感器;監控系統

0 引言

高壓開關柜是礦井高壓供電系統的主要控制與保護設備。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備應用也越來越多越大，而這些機電設備驅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，對電力系統進行預先診斷對電力系統的保護十分重要。高壓開關柜是礦井變配電的重要設備，其可以很好的隔斷電路和監測線路運行情況，高壓開關柜的可靠性在一定程度上決定著電力系統的效率。高壓開關柜過熱是引起開關柜故障的重要原因，所以對高壓開關柜的運行狀態進行監測及故障報警是提升開關柜可靠性的有效措施。此前眾多學者對高壓開關柜的實時監測和故障報警做出過一定的研究。為了提升高壓開關柜的可靠性，利用物聯網技術對開關柜的監測系統進行研究，給出了提升開關柜監測系統可靠性的方法，保證礦井的供電安全。

1 實時監測系統設計

隨著供電系統的規模不斷加大，且對其運行的條件不斷增高，電網機組發生故障的幾率也在不斷增大，所以為了對故障做到實時監測，提出高壓開關柜監測系統，利用物聯網的無線溫度、電流傳感器實時監測裝置，實現高壓開關柜的實時監測。設計前對系統的要求及其功能進行分析，首先高壓開關柜的故障主要有絕緣子絕緣故障、開斷和關合故障及據動、誤動故障。所以對監測系統的要求為：

①監測系統裝置選擇合理，性能可靠、結構簡單，便于安裝;②裝置在工況下精度較高，受電磁影響小，抗系統干擾能力強;③系統在實際工況下運行低耗，且可實現遠距離控制及數據傳輸和實時監測及故障預警，對監測數據進行記錄及保存功能;④系統安裝應留存一定的空間，方便后續裝置對監測系統的實時優化。

2 監測系統的架構

實時監測系統設計采用無線通訊結合有線通訊并基于物聯網對高壓開關柜進行設計。監測系統主要由三個部分構成。三個部分為別為數據傳輸基站、前端傳感器及線上監測平臺。

前端傳感器也可以稱之為數據采集裝置，是在開關柜布置多個采集點和傳輸點組成的一個系統。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。系統通過分析開關柜內部母排電壓、局部放電、觸頭溫度等進行監測采集，將采集的數據輸送至傳輸的電腦終端，實現溫度、電流、電壓等數據的實時監測。電腦終端對監收到的信息進行分析，并根據相應的監測異常系數進行優先級數的劃分，對監測到的異常數據進行預警，報至監測平臺。測平臺是系統的核心部分，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，且擁有完整的數據分析庫，通過以太網進行控制主機的監測，通過分析控制主機傳輸數據的狀態，實現隨工作環境轉變預警閥值。首先根據高壓開關柜的設計要求，對信號采集單元及物聯網進行設置。對物聯網內部的斷路器進行溫度電流數據的采集、分析、處理、存儲。所以選定CORTEX-M4和STM32F103RCT6為主控單元，系統整體硬件框架圖如圖1所示。

數據的處理單元通過對數據進行濾波、放大、抽樣等程序進行電流電壓等數據的采集，并達到A/D的要求，經過轉換輸送至主控單元，后傳輸至上位管理機。高壓開關柜內部的結十分復雜，強電電路都存在一個狹小的空間內部，帶電體與內部絕緣體相互交錯，所以需要通過一定的裝置進行內部實時監測。所以本文通過對高壓開關靜觸頭的溫度進行監測，實現復雜內部的控制。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點實時的溫度變化;通信接口主要用于無線溫度數據發送給數據的傳輸。溫度傳感單元的微處理器選定具備抗干擾能力強且系統低耗的元件MC9S08QG8芯片，芯片可以實現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，當芯片電壓大于2.1V，此時的微處理器的工作頻率高達20MHz;當小于2.1V時，此時的工作頻率為16MHz;工作的電壓小于1.8V時，仍可以繼續工作。微處理器具有SCISPI和IC三個外接通訊接口，設置有增強型8通道、512字節RAM，8KFLASH存儲器，10位ADC轉換器;微處理器可以支持32個中斷/復位源，及上電復位電路，可以較好的滿足工作要求。同時無線溫度測量單元復位即可接收配置命令，當配置完成后對采集的溫度數據進行傳輸。

并對系統開關量狀態監測單元進行設計，系統的輸入信號通過輔助觸點獲得。高壓開關柜采集開關量的狀態是根據開關柜內部斷路器的閉合及開啟狀態所確定的。通過監測開關觸頭的接通狀態，對應輸入系統中的邏輯語言進行狀態監測。

電壓測量單元設計，根據系統選定的10kV開關柜，設計選定為二次降壓方式進行數據的采集。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過A/D轉換器進行翻譯后傳輸至系統控制中心，完成相應的電壓信號的采集?？紤]實際的工作環境及設計需要選定LV25-P/SP5電壓傳感器，實現三路電壓監測。

對主控模塊的電路進行設計，考慮到STM32接口齊全，應用范圍廣泛，是目前主流的MCU，所以根據系統的需要選定基于STM32F103RCT6芯片的ARM。針對在后續發展中開關柜設備的增加，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。

對系統的通信電路進行設計，根據高壓開關柜工況需求及各通信方式的優缺點，設定系統采用以太網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。芯片內部含有集成全硬件TCP/IP協議棧，和物理層（PHY）工藝及集成10/100M以太網數據鏈路層（MAC），通訊電路可靠性高、穩定性好。W5500內部嵌入32K字節片緩存，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W5500與MCU的快速網絡通訊。

3 結論

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

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