變電站開關(guān)柜防誤入預(yù)警系統(tǒng)

錢誠　潘翔　杜乾　王云承

摘 要：開關(guān)柜是一種應(yīng)用于變電站內(nèi)的特殊電氣設(shè)備，因工作人員工作疏忽或安全保護(hù)措施不到位導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生。本文針對(duì)開關(guān)柜特點(diǎn)及供電公司已有開票系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)與無線通信技術(shù)的開關(guān)柜防誤入預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過安裝于開關(guān)柜內(nèi)的電場檢測傳感器、紅外人體檢測傳感器、行程開關(guān)和檢修標(biāo)志傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)柜狀態(tài)，并在開關(guān)柜被非法操作時(shí)把監(jiān)測信息發(fā)送到報(bào)警單元，由報(bào)警單元進(jìn)行現(xiàn)場語音提示、現(xiàn)場聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程GSM短信報(bào)警。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式、報(bào)警系統(tǒng)

1引言

開關(guān)柜是一種應(yīng)用于變電站內(nèi)的特殊電氣設(shè)備，在操作開關(guān)柜實(shí)時(shí)有嚴(yán)格的要求，但是由于現(xiàn)場檢修人員缺乏安全意識(shí)及開關(guān)柜缺乏配套保護(hù)裝置，導(dǎo)致誤操作事故及誤入帶電開關(guān)柜的事情時(shí)有發(fā)生。

針對(duì)以上間隔操作管理中遇到的問題，基于當(dāng)今快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)通信等方面多年的技術(shù)積累，設(shè)計(jì)了一套變電站間隔防誤入預(yù)警系統(tǒng)，在操作人員誤入帶電間隔前，給出聲光預(yù)警提示，同時(shí)系統(tǒng)可以擴(kuò)展到遠(yuǎn)程短信預(yù)警。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由現(xiàn)場感應(yīng)裝置、監(jiān)測主機(jī)及報(bào)警裝置三部分組成。其中現(xiàn)場感應(yīng)裝置由觸點(diǎn)監(jiān)測、開門感應(yīng)、人體感應(yīng)及誤入監(jiān)測裝置組成，監(jiān)測主機(jī)通過對(duì)感應(yīng)裝置數(shù)據(jù)的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的實(shí)時(shí)把控，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)誤操作或者誤入間隔的情況時(shí)，主控裝置通過無線系統(tǒng)向報(bào)警裝置發(fā)送報(bào)警信息，報(bào)警裝置接收到現(xiàn)場主控裝置的報(bào)警信息后，根據(jù)報(bào)警情況，通過短信、語音和聲光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模塊劃分，將系統(tǒng)主要分為2個(gè)模塊：檢測主機(jī)模塊、報(bào)警主機(jī)模塊。

3.1檢測主機(jī)模塊：

檢測主機(jī)模塊主要包括紅外人體檢測、電場強(qiáng)度檢測及無線通訊單元。

（1）紅外人體檢測傳感器為D203S紅外熱釋電人體檢測傳感器，信號(hào)處理采用EG4002芯片。D203S輸出的檢測信號(hào)接入到運(yùn)放的反相輸入端，使第一級(jí)運(yùn)放工作于反相比例放大狀態(tài)，第一級(jí)增益參數(shù)是由R2和R3進(jìn)行設(shè)定，絕對(duì)增益為A1=R3/R2，第一級(jí)運(yùn)放增益A1=R4/R8，第二級(jí)A2增益為固定30倍，總體增益為A=A1*A2，用戶可以根據(jù)紅外熱釋電探頭特性適當(dāng)調(diào)節(jié)A1的增益改變探測的距離，圖中的C10為隔直電容，C8為高頻抗干擾濾波電容。

EG4002工作頻率是通過R11和C13進(jìn)行設(shè)定，近似的工作頻率和電阻電容之間關(guān)系由公式 （電阻單位為K，電容單

位為nF， Tosc 單位為uS），頻率f=1/Tosc確定，如R11=100K，C13=1nF 時(shí)， 對(duì) 應(yīng) 的 工 作周 期 為T=0.4×100×1×1.25=50uS，振蕩器頻率為f=1/T=20KHz。選擇上拉電阻R11時(shí)，需大于100K以上的電阻。

EG4002信號(hào)輸出端通過限流電阻R6與主控單元P1.5相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員活動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測，EG4002的A引腳通過上拉電阻R10與主控單元的P1.6引腳相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)EG4002觸發(fā)方式的控制，EG4002的VC引腳通過上拉電阻R12與主控單元P1.7引腳相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)EG4002芯片的使能控制。

（2）電場強(qiáng)度檢測單元采用GM3120傳感器，傳感器輸出為模擬電壓信號(hào)，運(yùn)放及ADC轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并通過查表方式計(jì)算出對(duì)應(yīng)電場強(qiáng)度值。

其設(shè)計(jì)電路如下圖1所示：

（3）無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式：無線傳輸模塊采用JTT-433-UDI 嵌入式微功率SPI接口透明傳輸模塊，本模塊通信頻率可在400MHZ到480MHZ之間隨意設(shè)定，可以超低功耗和自休眠，中斷喚醒等特點(diǎn)，在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，當(dāng)接收到傳輸中斷之后會(huì)自動(dòng)喚醒，無需外部軟件和硬件參與，使得在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)無需過多考慮其與主系統(tǒng)之間的硬件和軟件設(shè)置，只需要分配一個(gè)SPI與模塊相連和基本的軟件設(shè)置即可，大大減低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和程序的編寫量，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單靈活。

3.2報(bào)警主機(jī)模塊：

報(bào)警主機(jī)模塊主要包括語音提示、聲光報(bào)警及短信報(bào)警單元組成。

（1）現(xiàn)場語音提示單元以維創(chuàng)科技的ISD1700作為語音處理芯片，芯片可以實(shí)現(xiàn)多段語音的錄制與播放，并可通過通信接口實(shí)現(xiàn)不同語音的切換。如下圖電路中U13為語音錄放芯片ISD1700，主要用于實(shí)現(xiàn)語音的錄制、存儲(chǔ)與播放。U2為蜂鳴器，用于實(shí)現(xiàn)語音的播放功能，其引腳分別于ISD1700芯片的SP-和SP+引腳相連。C5和C6為芯片電源輸入端濾波電容，R3、R5、R6、C7、MK1、C13和C14組成錄音電路，實(shí)現(xiàn)報(bào)警語音的錄制功能，按鍵S3為錄音選擇按鍵，當(dāng)按下S3按鍵時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入錄音功能。圖中R7與芯片Rosc引腳相連，用于設(shè)定芯片的工作頻率，C16與芯片AGC引腳相連，用于設(shè)置芯片自動(dòng)增益大小，AGC若直接接到地，則增益為最大，若直接接到Vcca，則增益為最小。按鍵S1、S2分別用于擦除已錄制的語音內(nèi)容和復(fù)位語音芯片功能。ISD1700芯片的FWD引腳通過R1上拉電阻與控制器的P1.4引腳相連，用于實(shí)現(xiàn)不同播報(bào)語音的選擇。PLAY引腳通過上拉電阻R2與控制器的P5.2引腳相連，用于實(shí)現(xiàn)語音的播報(bào)功能。

（2）短信提示單元采用SIM900A模塊，其AT指令與標(biāo)準(zhǔn)AT指令相同，同時(shí)采用PDU的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變電站開關(guān)柜防誤入預(yù)警系統(tǒng)基本工作流程為：監(jiān)測—判斷—預(yù)警。

系統(tǒng)通根據(jù)工作票系統(tǒng)確定待檢測開關(guān)柜位置，并在待檢測開關(guān)柜門指定區(qū)域安放待檢測標(biāo)志，監(jiān)測系統(tǒng)檢測開關(guān)柜指定位置是否安放待檢測標(biāo)志，確定開關(guān)柜是否允許操作，在開關(guān)柜禁止操作狀態(tài)時(shí)，無論開關(guān)柜是否帶電，如果開關(guān)柜被操作，系統(tǒng)會(huì)通過遠(yuǎn)程短信、現(xiàn)場語音及聲光系統(tǒng)報(bào)警。如果開關(guān)柜處于允許操作狀態(tài)，且開關(guān)柜帶電情況下，現(xiàn)場操作人員不允許操作開關(guān)柜后門，在操作開關(guān)柜前門時(shí)須在箱門打開后規(guī)定時(shí)間內(nèi)關(guān)閉開關(guān)柜門，否則系統(tǒng)依然會(huì)啟動(dòng)遠(yuǎn)程短信、現(xiàn)場語音及聲光報(bào)警系統(tǒng)。

5結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)合供電公司原有開票系系統(tǒng)，利用傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜內(nèi)電場強(qiáng)度檢測、開關(guān)柜狀態(tài)及檢修狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，能夠?yàn)楝F(xiàn)場開關(guān)柜檢修人員提供可靠的開關(guān)柜狀態(tài)信息，確?，F(xiàn)場檢修工作安全進(jìn)行，并在檢修人員誤操作開關(guān)柜時(shí)使給出報(bào)警提示。

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