電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備設(shè)計

金灣灣，夏 靖，劉 鋼，周 暢

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205）

0 引 言

電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備用于監(jiān)測指定部位的電網(wǎng)電磁環(huán)境，通過對電網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行在線監(jiān)測，掌握重點部位的實時電磁環(huán)境狀態(tài)，工作人員能夠有效掌握設(shè)備因長期使用而出現(xiàn)的電氣性能衰減現(xiàn)象。綜合評估監(jiān)測現(xiàn)場的電磁環(huán)境，以便采取應(yīng)對措施。突發(fā)電磁干擾問題時，也能通過系統(tǒng)性分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供輔助診斷意見，結(jié)合電磁干擾控制技術(shù)，在潛在干擾部位安裝電網(wǎng)監(jiān)測單元，實現(xiàn)電磁干擾的源頭控制功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

充分考慮監(jiān)測部位擴展的電網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測需求，采用開放式、分布式的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)接口設(shè)計，使電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備具有較強的適應(yīng)能力、對接能力和擴展能力。電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備由電網(wǎng)監(jiān)測單元和電網(wǎng)監(jiān)測控制臺組成。電網(wǎng)監(jiān)測單元負(fù)責(zé)采集、處理、分析電網(wǎng)上的各類信息，并將處理分析得到的電網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳至電網(wǎng)監(jiān)測控制臺，控制臺上可以集中顯示電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。在人機交互界面，可以管理電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)，干擾輔助診斷等。此外，還為設(shè)備設(shè)計了耐沖擊、振動防護(hù)、電磁兼容以及箱體熱平衡等功能。

2 電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備樣機組成

電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備樣機由1臺電網(wǎng)監(jiān)測單元和1臺電網(wǎng)監(jiān)測控制臺（樣機研制中以電腦代替）組成，電網(wǎng)監(jiān)測軟件安裝在控制臺上，可以通過增加電網(wǎng)監(jiān)測單元的數(shù)量實現(xiàn)監(jiān)測部位的擴展。

2.1 電網(wǎng)監(jiān)測單元

電網(wǎng)監(jiān)測及濾波裝置主要由集成模塊、指示燈、熔斷器以及總體電網(wǎng)濾波模塊等組成，集成模塊將相應(yīng)的控制采集模塊、電源模塊以及傳感器模塊等進(jìn)行硬件集成，可以實現(xiàn)供電管理和信號采集，并提供接口電路，同時將采集到的信息上傳給上級系統(tǒng)。

電網(wǎng)監(jiān)測單元安裝在待測配電箱的前級，其作用是接收電網(wǎng)監(jiān)測控制臺下發(fā)的監(jiān)測指令,監(jiān)測電網(wǎng)信息品質(zhì)及傳導(dǎo)干擾狀態(tài)。監(jiān)測對象包括電壓有效值、電流有效值、電壓波形畸變率、電網(wǎng)低頻與射頻的傳導(dǎo)發(fā)射以及電網(wǎng)電壓線間的尖峰電壓，同時抑制穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾。

圖1為電網(wǎng)監(jiān)測單元電氣系統(tǒng)原理框圖，從功能上分為電源進(jìn)線電路、直流穩(wěn)壓電路、信號采集電路以及數(shù)據(jù)通信電路。設(shè)備外部輸入相應(yīng)電制的工作電源，經(jīng)電源濾波器濾波后進(jìn)入集成模塊的電源模塊；經(jīng)過電源模塊的濾波、轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓等處理后輸出直流12 V供給控制采集模塊，再由控制采集模塊轉(zhuǎn)換輸出直流15 V電源供給電網(wǎng)傳感器模塊；傳感器從濾波器上采集電網(wǎng)參數(shù)模擬信息，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后上傳給控制采集模塊，控制采集模塊將獲得的電網(wǎng)參數(shù)信息處理后經(jīng)以太網(wǎng)上傳給上級系統(tǒng)；上級系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)下達(dá)工作/停止指令，遠(yuǎn)程控制電網(wǎng)監(jiān)測單元的工作狀態(tài)。

圖1 電網(wǎng)監(jiān)測單元原理

2.2 電網(wǎng)監(jiān)測控制臺

電網(wǎng)監(jiān)測控制臺主要安裝電網(wǎng)監(jiān)測上位機軟件。如果工作環(huán)境有需要，則可設(shè)計控制臺，改用加固機等。電網(wǎng)監(jiān)測軟件包括運行在電網(wǎng)監(jiān)測單元的監(jiān)測分析程序和運行在控制臺的上位機程序。上位機程序主要包括電網(wǎng)環(huán)境分析顯示模塊、干擾輔助診斷模塊以及歷史數(shù)據(jù)檢索分析模塊。

分析顯示模塊可以處理監(jiān)測單元上傳的代碼文件，以便直觀顯示；干擾輔助診斷模塊可以在發(fā)生電磁干擾時，通過系統(tǒng)性分析電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合電磁干擾閾值實現(xiàn)干擾的輔助診斷功能；在電磁環(huán)境歷史數(shù)據(jù)檢索分析模塊，工作人員可以按照檢索時間、部位等回放電網(wǎng)監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)。電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備的軟件組成如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)監(jiān)測軟件組成

3 樣機耐沖擊振動、電磁兼容及熱平衡設(shè)計

在船用等惡劣環(huán)境中使用電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備時，需要考慮耐沖擊、振動防護(hù)設(shè)計、電磁兼容防護(hù)設(shè)計以及箱體熱平衡設(shè)計。

3.1 耐沖擊、振動防護(hù)設(shè)計

實現(xiàn)抗沖擊技術(shù)主要有阻尼和平衡兩種方法。阻尼就是增加加速度的衰減速度，使其減小到運動和支撐部件可以承受的范圍；平衡就是使加速度產(chǎn)生的慣性力能夠相互抵消。斷路器的運動部件采用平衡和阻尼結(jié)合的方法，主要針對脫扣板和鎖扣，支撐部件采用結(jié)構(gòu)加強來保證強度和剛度。

設(shè)備的外殼需要滿足抗沖、振動以及整體強度的要求。硬鋁合金因具有相對密度小、質(zhì)量輕及強度高等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，因此可用作本項目的外殼防護(hù)材料。其具有足夠的耐機械沖擊性，加工工藝成熟，能夠保證質(zhì)量。為滿足船用電器耐振動的需求，控制箱背部采用菱形四組隔震器的設(shè)計，用阻尼的方法實現(xiàn)抗沖擊。

3.2 電磁兼容性防護(hù)設(shè)計

電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備是用來監(jiān)測電磁環(huán)境的設(shè)備，對電磁信號較為敏感，屬于易受干擾的電子設(shè)備，且處理的信號中有較多弱信號，針對該系統(tǒng)的工作特點，采取以下電磁兼容設(shè)計措施。一是系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備均選用低輻射板卡和器件，輸入電源均經(jīng)軍用EMI濾波器濾波，電源濾波器與機箱可靠搭接。二是系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的機箱除有特設(shè)要求外均采用鋁合金材質(zhì)，設(shè)備外殼邊角盡量設(shè)計成一定弧形。機箱表面盡量減少開孔，必須的開孔應(yīng)避免采用與板卡平行的長孔。系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的機箱均采用較充分的屏蔽措施，機箱接縫處采用導(dǎo)電橡膠或屏蔽絲網(wǎng)加強電連續(xù)性，通風(fēng)孔處采用通風(fēng)波導(dǎo)屏蔽，系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的機箱均可靠接地。三是所有直流電纜在連接器處均采用周向屏蔽，設(shè)備內(nèi)部電纜采用加套磁環(huán)和屏蔽護(hù)套等措施，電纜的敷設(shè)盡量避開電力電纜等。四是電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備在布置時盡可能遠(yuǎn)離強輻射干擾源，電纜應(yīng)遠(yuǎn)離大功率電力電纜。五是設(shè)計軟件的抗干擾，增強軟件的健壯性和容錯性。

3.3 箱體熱平衡設(shè)計

熱源的熱平衡主要分為對流、傳導(dǎo)與輻射。為減小設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，在熱平衡設(shè)計時該設(shè)備主要采用熱平衡分層及傳導(dǎo)散熱的方式。

下層主要的發(fā)熱器件濾波器緊貼箱體底部和側(cè)壁，箱體背部設(shè)計有橫向的散熱齒，通過熱傳導(dǎo)將熱量導(dǎo)入箱壁和外部，實現(xiàn)對流散熱。上下箱體之間沒有大面積直接接觸，濾波器與上層箱體存有間隙，并不直接接觸，因此下層箱體對上層箱體的影響較小。

上層的主要發(fā)熱元件為電源模塊和控制采集模塊的中央處理器（Central Processing Unit，CPU），它們分布在不同位置，使設(shè)備內(nèi)部熱量盡可能均勻，避免高功耗芯片相互熱影響。電源模塊緊貼箱壁固定將熱量導(dǎo)向箱壁散熱，控制采集模塊帶有導(dǎo)熱板，通過導(dǎo)熱板將熱量從CPU帶走，導(dǎo)向箱體。箱體側(cè)壁開有散熱齒，增大散熱面積從而提高散熱效率。

通過仿真軟件仿真箱體的熱平衡狀態(tài)，其表面溫度結(jié)果如圖3所示。箱體外表面溫度最高處為濾波器下方與箱體接觸的地方，最高溫度約為31.2 ℃。箱體內(nèi)部溫度分布如圖4所示，濾波器表面最高溫度位于濾波器上側(cè)，約為33.8 ℃，控制采集模塊最高溫度在芯片處，約為50 ℃。通過熱平衡仿真，可以看出整體的最高溫度出現(xiàn)在控制采集模塊的CPU芯片部分，約為50 ℃，控制采集模塊芯片能承受的最高溫度約為70 ℃，因此該設(shè)計滿足要求。

圖3 箱體表面溫度仿真

圖4 箱體內(nèi)部溫度仿真

4 結(jié) 論

為了實現(xiàn)對重點部位電網(wǎng)電磁環(huán)境的監(jiān)測，本文設(shè)計了一套電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備，可實時掌握電網(wǎng)電磁環(huán)境的狀態(tài)，綜合評估電網(wǎng)環(huán)境，突發(fā)電磁干擾時，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分析，提供輔助診斷意見，且結(jié)合電磁干擾控制技術(shù)，能實現(xiàn)電磁干擾的源頭控制。同時，對電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備樣機本身設(shè)計了耐沖擊、振動防護(hù)、電磁兼容性防護(hù)以及箱體熱平衡功能。