10kV環(huán)網(wǎng)柜放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

黃俊鴻

摘? ?要：針對(duì)珠海地區(qū)潮濕多雨，容易造成10 kV環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部放電，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成重大影響的現(xiàn)狀，通過(guò)研究提出了一套基于單片機(jī)系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜在線放電臭氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)主要由臭氧傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)和GPRS模塊構(gòu)成。文章介紹了該系統(tǒng)方案的硬件、軟件組成框架。通過(guò)臭氧傳感器，可監(jiān)測(cè)柜體中臭氧濃度，以正確檢測(cè)電力設(shè)備的放電情況，結(jié)合無(wú)線GPRS模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜放電的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與報(bào)警。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能有效地防止由放電引起的電力事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：10 kV環(huán)網(wǎng)柜;臭氧;單片機(jī)系統(tǒng);GPRS模塊

本文將臭氧檢測(cè)技術(shù)與單片機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)一種針對(duì)10 kV環(huán)網(wǎng)柜的放電遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其目的是要徹底解決珠海市10 kV環(huán)網(wǎng)柜眾多與配網(wǎng)運(yùn)維人員有限之間的矛盾。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜放電短信報(bào)警、溫濕度短信報(bào)警等功能。本系統(tǒng)的出現(xiàn)，不僅能夠減輕運(yùn)維人員的工作量，提高巡視效率，而且能夠有效地預(yù)防因局部放電而導(dǎo)致的設(shè)備故障，極大地提高了供電的可靠性。

1? ? 環(huán)網(wǎng)柜放電臭氧檢測(cè)原理

從電力設(shè)備放電機(jī)理可以看出，運(yùn)行中的10 kV電力設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)強(qiáng)交變電場(chǎng)，當(dāng)設(shè)備對(duì)絕緣薄弱位置放電時(shí)，放電空間流動(dòng)的氧氣在放電作用下發(fā)生分解反應(yīng)，出現(xiàn)游離的氧原子，氧原子與氧氣反應(yīng)生成臭氧，放電越厲害，產(chǎn)生的臭氧越多。因此，檢測(cè)放電產(chǎn)生的臭氧濃度可以判斷放電強(qiáng)弱，從而確定電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。采用高靈敏度的臭氧傳感器能對(duì)設(shè)備的絕緣下降、裂傷、污穢發(fā)展等進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

根據(jù)GB/T 18202—2000室內(nèi)空氣中臭氧衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，正常情況下，1 h平均臭氧最高容許濃度為0.1 mg/m3，也是人類能覺(jué)察臭氧氣味的臨界點(diǎn)。根據(jù)電力師傅的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)入配電站或環(huán)網(wǎng)柜室，能夠聞到有臭氧氣味的時(shí)候，就能確定設(shè)備在放電。換而言之，當(dāng)環(huán)網(wǎng)柜空間中臭氧濃度低于0.1 mg/m3時(shí)，設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)，反之，則能判斷設(shè)備在放電狀態(tài)。

2? ? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 單片機(jī)系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用的是基于處理器為Atmel公司生產(chǎn)的ATMega 328的Arduino開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)采用開(kāi)源的軟硬件系統(tǒng)，對(duì)編程指令集進(jìn)行二次精簡(jiǎn)封裝，大大降低編程難度，提高了程序的可二次開(kāi)發(fā)性。系統(tǒng)功能強(qiáng)大，帶有16個(gè)數(shù)字輸入/輸出接口，6個(gè)0～5 V模擬量輸入/輸出接口，能提供5 V DC輸出并支持USB在線程序燒錄及供電。另外，本單片機(jī)系統(tǒng)價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)成熟，抗干擾能力強(qiáng)，能夠在如高壓環(huán)網(wǎng)柜室中等惡劣的條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2? 臭氧檢測(cè)模塊

本項(xiàng)目采用的是鄭州煒盛電子科技公司生產(chǎn)MQ131臭氧檢測(cè)模塊，其檢測(cè)范圍為0.02～4 mg/m3。

MQ131氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在臭氧氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中臭氧氣體濃度的增加而增大。MQ131連接電路（見(jiàn)圖1）即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)（0～5 V）接于單片機(jī)系統(tǒng)的模擬量輸入端。

2.3? DH11溫濕度傳感器模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，測(cè)量范圍為濕度20%～90% RH，溫度0～50 ℃并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該模塊具有超快響應(yīng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，與單片機(jī)系統(tǒng)采用同步單總線雙向傳輸模式。本模塊共有3個(gè)接口，分別是正負(fù)極電源與數(shù)據(jù)傳輸口，數(shù)據(jù)傳輸口與單片機(jī)的模擬量輸入口連接。

2.4? GPRS模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中，數(shù)據(jù)通信是重要的組成部分。而通用分組無(wú)線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）是目前解決移動(dòng)通信服務(wù)的一種完美的業(yè)務(wù)，其以數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)、覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。GPRS無(wú)線模塊作為GPRS終端的無(wú)線收發(fā)模塊，把從TCP/IP模塊接收的TCP/IP包和從基站接收的GPRS分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。

2.5? 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，臭氧傳感器將會(huì)檢測(cè)到局部放電時(shí)候所產(chǎn)生的臭氧，經(jīng)控制電路把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)的軟件系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算會(huì)得出一單位時(shí)間內(nèi)（查資料所得，臭氧在常溫常態(tài)下的半衰期為40 min，軟件設(shè)定每10 min采集一次數(shù)據(jù)，以40 min為單位時(shí)間）臭氧的平均濃度。在監(jiān)控臭氧的同時(shí)，單片機(jī)也在監(jiān)控著溫度，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)也會(huì)向監(jiān)控人員發(fā)送報(bào)警短信，讓監(jiān)控人員第一時(shí)間了解環(huán)網(wǎng)柜中的狀況。

3? ? 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共采用了兩種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)分別控制Arduino單片機(jī)系統(tǒng)與GPRS模塊。

3.1? Arduino單片機(jī)系統(tǒng)語(yǔ)言

Arduino語(yǔ)言實(shí)際上是建立在C/C++語(yǔ)言的基礎(chǔ)上的，本質(zhì)也就是基礎(chǔ)的C語(yǔ)言，Arduino語(yǔ)言只不過(guò)把AVR單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置函數(shù)化，把單片機(jī)的一些功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程封裝成模塊，供使用者直接調(diào)用。使得不用去了解單片機(jī)的底層硬件驅(qū)動(dòng)，儲(chǔ)存位置等。這樣極大地減輕了使用者的編程負(fù)擔(dān)，提高了編程效率。

3.2? GPRS模塊系統(tǒng)語(yǔ)言

AT即Attention，AT指令一般應(yīng)用于終端數(shù)據(jù)設(shè)備（GPRS模塊）與PC、單片機(jī)應(yīng)用之間的連接與通信。AT指令集是從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配器或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的。

本系統(tǒng)單片機(jī)通過(guò)物理串口引腳與GPRS模塊串口引腳相連接，單片機(jī)通過(guò)串口將AT指令與數(shù)據(jù)傳送到GPRS模塊，以到達(dá)控制GPRS模塊向監(jiān)控人員發(fā)送手機(jī)短信的目的。

3.3? 整體程序結(jié)構(gòu)

本程序分為初始化程序、主程序以及短信發(fā)送子程序。初設(shè)化程序主要用于定義程序所涉及的變量，用于被電腦監(jiān)控的通信串口的波特率以及用于與GPRS模塊通信串口的波特率。

子程序包括短信發(fā)送子程序gsm__msm（String text，float ）與溫濕度采集子程序：短信發(fā)送子程序內(nèi)容為一系列使用單片機(jī)串口發(fā)送函數(shù)mySerial.printIn（）發(fā)送出去的AT指令，通過(guò)這些AT指令的組合，可以控制GPRS模塊發(fā)送信息。溫濕度采集子程序作用是把溫濕度模塊中的8位數(shù)值依次采集轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的數(shù)值。主程序的主要任務(wù)是采集臭氧、溫濕度等數(shù)據(jù)。采集完成后，把在某時(shí)段內(nèi)采集到的臭氧、溫濕度平均值與預(yù)先設(shè)定的安全值作比較，如果平均值大于預(yù)先設(shè)定值，則調(diào)用短信子程序，通過(guò)GPRS模塊把相應(yīng)的報(bào)警短信發(fā)送到監(jiān)控人員的手機(jī)上，從而監(jiān)控人員可以對(duì)此電力設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的處理，再結(jié)合報(bào)警短信中包含的臭氧、溫濕度的數(shù)據(jù)，讓監(jiān)控人員可以初步判定放電的程度。

4? ? 模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有如下兩點(diǎn)。（1）把溫度報(bào)警值設(shè)置為40 ℃，將溫度傳感器靠近火源，模擬溫度升高。并在電腦串口監(jiān)視器中監(jiān)視各設(shè)備的工作狀態(tài)。（2）將臭氧報(bào)警值設(shè)置為0.02 mg/m3，低于大氣平均質(zhì)量濃度，模擬臭氧升高。并在電腦串口監(jiān)視器中監(jiān)視各設(shè)備的工作狀態(tài)。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

文章研究了利用臭氧放電檢測(cè)原理現(xiàn)實(shí)的10 kV環(huán)網(wǎng)柜放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功地將臭氧檢測(cè)技術(shù)與GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)相結(jié)合。模擬實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證明了此系統(tǒng)是可行的，此系統(tǒng)可以很好地防止電力設(shè)備放電所引起的事故的發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失。目前已經(jīng)完成了樣機(jī)的研制，下一步準(zhǔn)備把系統(tǒng)模塊做成樣機(jī)，試點(diǎn)到放電黑點(diǎn)環(huán)網(wǎng)柜室，進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試與改進(jìn)。如果有機(jī)會(huì)的話，希望能夠與廣達(dá)等高壓環(huán)網(wǎng)柜生產(chǎn)商合作，在這基礎(chǔ)上研究和開(kāi)發(fā)柜內(nèi)放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這樣檢測(cè)的精度性與時(shí)效性將大大提高。該系統(tǒng)具有方便、靈活、成本低、體積小、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)前景。

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