基于ARM的高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

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(hù)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(fù)荷運(yùn)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(duì)高壓開關(guān)柜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)前端的采集信號(hào)裝置及主控芯片的型號(hào)，及前端傳感設(shè)備的觸頭溫度測(cè)量單元，電壓電流測(cè)量單元和開關(guān)量測(cè)量單元等設(shè)計(jì)選型。利用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主控模塊，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)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(yùn)行。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;在線監(jiān)測(cè);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(hù)設(shè)備。隨著，煤礦綜采工作面機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化水平的提高，煤礦井下的大型機(jī)電設(shè)備應(yīng)用也越來越多越大，而這些機(jī)電設(shè)備驅(qū)動(dòng)能力均以電能為主，無形增加礦井的供電負(fù)荷，影響礦井的供電安全，為此，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先診斷對(duì)電力系統(tǒng)的保護(hù)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(cè)線路運(yùn)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(duì)高壓開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警是提升開關(guān)柜可靠性的有效措施。此前眾多學(xué)者對(duì)高壓開關(guān)柜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)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(duì)開關(guān)柜的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，給出了提升開關(guān)柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性的方法，保證礦井的供電安全。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著供電系統(tǒng)的規(guī)模不斷加大，且對(duì)其運(yùn)行的條件不斷增高，電網(wǎng)機(jī)組發(fā)生故障的幾率也在不斷增大，所以為了對(duì)故障做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提出高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)的無線溫度、電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)前對(duì)系統(tǒng)的要求及其功能進(jìn)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(dòng)、誤動(dòng)故障。所以對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求為：

①監(jiān)測(cè)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(qiáng);③系統(tǒng)在實(shí)際工況下運(yùn)行低耗，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制及數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用無線通訊結(jié)合有線通訊并基于物聯(lián)網(wǎng)對(duì)高壓開關(guān)柜進(jìn)行設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成。三個(gè)部分為別為數(shù)據(jù)傳輸基站、前端傳感器及線上監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

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(gè)采集點(diǎn)和傳輸點(diǎn)組成的一個(gè)系統(tǒng)。前端傳感器包含了溫度測(cè)試裝置、電壓電流測(cè)量裝置及局部電流測(cè)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(jìn)行監(jiān)測(cè)采集，將采集的數(shù)據(jù)輸送至傳輸?shù)碾娔X終端，實(shí)現(xiàn)溫度、電流、電壓等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電腦終端對(duì)監(jiān)收到的信息進(jìn)行分析，并根據(jù)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)異常系數(shù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)數(shù)的劃分，對(duì)監(jiān)測(cè)到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，報(bào)至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。測(cè)平臺(tái)是系統(tǒng)的核心部分，是一個(gè)具有完整功能的管理平臺(tái)，其功能具備人機(jī)交互功能，且擁有完整的數(shù)據(jù)分析庫，通過以太網(wǎng)進(jìn)行控制主機(jī)的監(jiān)測(cè)，通過分析控制主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)，實(shí)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(jì)要求，對(duì)信號(hào)采集單元及物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部的斷路器進(jìn)行溫度電流數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、存儲(chǔ)。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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大、抽樣等程序進(jìn)行電流電壓等數(shù)據(jù)的采集，并達(dá)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(jī)。高壓開關(guān)柜內(nèi)部的結(jié)十分復(fù)雜，強(qiáng)電電路都存在一個(gè)狹小的空間內(nèi)部，帶電體與內(nèi)部絕緣體相互交錯(cuò)，所以需要通過一定的裝置進(jìn)行內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。所以本文通過對(duì)高壓開關(guān)靜觸頭的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部的控制。溫度傳感器選定時(shí)需要滿足無線溫度測(cè)量的要求。無線溫度測(cè)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(cè)量觸頭節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)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(qiáng)且系統(tǒng)低耗的元件MC9S08QG8芯片，芯片可以實(shí)現(xiàn)互感方式的自給供電。同時(shí)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(shí)的微處理器的工作頻率高達(dá)20MHz;當(dāng)小于2.1V時(shí)，此時(shí)的工作頻率為16MHz;工作的電壓小于1.8V時(shí)，仍可以繼續(xù)工作。微處理器具有SCISPI和IC三個(gè)外接通訊接口，設(shè)置有增強(qiáng)型8通道、512字節(jié)RAM，8KFLASH存儲(chǔ)器，10位ADC轉(zhuǎn)換器;微處理器可以支持32個(gè)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(shí)無線溫度測(cè)量單元復(fù)位即可接收配置命令，當(dāng)配置完成后對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

并對(duì)系統(tǒng)開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的輸入信號(hào)通過輔助觸點(diǎn)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(cè)開關(guān)觸頭的接通狀態(tài)，對(duì)應(yīng)輸入系統(tǒng)中的邏輯語言進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

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

對(duì)主控模塊的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(duì)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(jìn)行分開設(shè)計(jì)。ARM的主控模塊含有：FLASH存儲(chǔ)單元、STM32芯片、電源模塊和通信模塊。

對(duì)系統(tǒng)的通信電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)高壓開關(guān)柜工況需求及各通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)定系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的通信方式對(duì)主控芯片與上位機(jī)通信進(jìn)行連接，選用高性能的W5500型號(hào)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(shí)使用8個(gè)Socket獨(dú)立通訊。同時(shí)通過SPI接口實(shí)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(duì)高壓開關(guān)柜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對(duì)系統(tǒng)前端的采集信號(hào)裝置及主控芯片進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。并對(duì)前端傳感設(shè)備的觸頭溫度測(cè)量單元，電壓電流測(cè)量單元和開關(guān)量測(cè)量單元進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。重點(diǎn)給出了基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32芯片的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hào)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡凱波，許林波，夏志凌.基于ZigBee技術(shù)高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化與儀表，2020，35（02）：106-109+114.

[2]王玉梅，谷斐，孫抗，等.基于CAN總線的煤礦10kV開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2015（05）：9-16.