海上平臺低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究

魏曉豐 吳長虎 張永佳

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司）

0 引言

實際上，低壓配電開關(guān)柜可通過變壓器的應(yīng)用，確保線路中存在的高壓電向低壓電進行轉(zhuǎn)化，隨后通過低壓柜向不同配電箱中傳輸電能，最終實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)化。海上平臺低壓配電開關(guān)柜運行環(huán)境較為特殊，往往會受到較多不良因素影響，導(dǎo)致低壓配電開關(guān)柜存在故障問題。為實現(xiàn)低壓配電開關(guān)柜的良好運行，需要配備智能監(jiān)控系統(tǒng)，對其進行實時監(jiān)控，因此設(shè)計出更加高效的低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)意義重大。

1 海上平臺低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上平臺低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成： （1）主計算機。通過主計算機的應(yīng)用，監(jiān)控配電及控制設(shè)備，了解各種元器件的運行情況，并且還能實現(xiàn)對各個設(shè)備及元器件的保護及通訊，該部分可以是離散控制系統(tǒng)，也可以是工控機系統(tǒng)、PC機等。（2）智能型低壓配電以及控制設(shè)備。該部分主要是智能型控制器，也可以是低壓配電及控制設(shè)備，其中帶有通訊接口。 （3）通訊網(wǎng)絡(luò)［1］。對于通訊網(wǎng)絡(luò)，為滿足實際需求。應(yīng)有相應(yīng)網(wǎng)卡，還應(yīng)具有主機接口。為便于對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)從站監(jiān)控器。具體運行環(huán)節(jié)借助主機接口，實現(xiàn)主計算機功能，對通訊網(wǎng)絡(luò)加以控制。而其中包含的網(wǎng)絡(luò)從站監(jiān)控，實際上是一種控制器，主要進行二級網(wǎng)控制。在該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用下，可使主計算機更加快速地訪問配電系統(tǒng)，促進監(jiān)控能力的有效提升。

2 海上平臺低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)功能

結(jié)合海上平臺工作環(huán)境及實際需求，進行低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)確保其滿足以下功能要求：（1）通過智能監(jiān)控系統(tǒng)，進行低壓配電開關(guān)柜各項工作參數(shù)的在線測量，包括電能、電壓、有功功率、電流等；對斷路器運行情況，能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測；對低壓開關(guān)柜進行控制，實現(xiàn)斷路器的分閘與合閘操作。（2）能夠?qū)崿F(xiàn)越限報警，診斷存在的故障問題。當?shù)蛪号潆婇_關(guān)柜存在電壓、電流值異常等問題時，能夠發(fā)出報警，同時對于一些故障問題，可進行有效診斷。 （3）具有故障記憶。當?shù)蛪号潆婇_關(guān)柜發(fā)生故障時，智能監(jiān)控系統(tǒng)的主體能夠?qū)⒐收项愋陀涗浵聛?。?）可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠向工控DCS系統(tǒng)實時上傳在線監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)信息，進而使操作人員更加詳細地掌握配電系統(tǒng)運行情況，實現(xiàn)科學(xué)調(diào)控。

3 海上平臺低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

3.1 總體設(shè)計思路

海上平臺低壓配電開關(guān)柜智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)需重點設(shè)計三個部分，分別是工控上位機、智能測控保護單元和監(jiān)控智能通訊接口。其中，工控上位機主要是存儲并處理現(xiàn)場信息，同時借助人機界面監(jiān)管低壓配電開關(guān)柜，通訊方式為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。智能測控保護單元主要是測控現(xiàn)場設(shè)備間隔層，并對其進行保護。而監(jiān)控智能通訊接口主要是在網(wǎng)絡(luò)信息通道的應(yīng)用下，對監(jiān)控單元傳輸?shù)男畔⑦M行收集，并進行控制命令下達。該部分主要通過RS-485，與智能測控單元進行通訊。由于在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，智能從站節(jié)點屬于較為關(guān)鍵的組成部分，所以，在總線系統(tǒng)軟件上，主要涉及以下幾方面：第一部分為主站軟件；第二部分為智能從站軟件；第三部分為監(jiān)控軟件。完成智能從站節(jié)點設(shè)計后，節(jié)點中各項參數(shù)會轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)庫文件，入組態(tài)軟件STEP 7通過這些文件可向通訊網(wǎng)絡(luò)中配置智能從站節(jié)點。

3.2 硬件設(shè)計

（1）模擬量信號采集模塊

1）互感器。本文設(shè)計的智能監(jiān)控系統(tǒng)為交流采樣，互感器選擇時，應(yīng)使交流電壓變?yōu)殡娏餍盘?，且峰值?A，從而進行采樣使用。本設(shè)計選用的是WB系列電量傳感器，精度為0.1級，并且具有以下特點：①精度高、無漂移；②無需輔助電源；③頻率響應(yīng)范圍在25～5kHz，在工頻交流采樣中較為適用；④能夠進行0～120%標稱輸入值的線形測量；⑤可在－10～＋70℃環(huán)境中工作。

2）電子變壓器電路。用電參數(shù)傳輸通道中，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)良好傳輸，應(yīng)配有信號調(diào)理電路。運行中，應(yīng)消除信號干擾，確保信號幅值滿足實際需求。隨后，實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換器對信號的順利接收，以便后續(xù)工作順利開展。進行模擬信號采集工作時，應(yīng)通過小型交流互感器的使用，獲得處于＋5～－5V范圍的弱電信號，經(jīng)過運算放大器，開展信號調(diào)理工作，同時完成濾波操作，并向A／D轉(zhuǎn)換電路中進行傳送。微型互感器體型較小，能夠置于印刷電路板中，通過全樹脂密封的方式，具有較高的隔離度。

3）低通濾波電路。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電流及電壓中會存在諧波，為保證采樣質(zhì)量，需要在采樣前對輸入信號最高頻率進行限制。實際設(shè)計環(huán)節(jié)，可選用有源低通濾波器，其截止頻率在150Hz左右，從而將高頻干擾去除［2］。

4）A／D轉(zhuǎn)換通道。選擇MAX197 A／D轉(zhuǎn)換器，其具有較高的集成度，能夠在一個芯片中集成A／D轉(zhuǎn)換器、采樣保持器與多路開關(guān)，能夠節(jié)省工作環(huán)節(jié)，減少硬件支出。該轉(zhuǎn)換器技術(shù)特性包括：僅需6ms就能實現(xiàn)有效轉(zhuǎn)換，采樣速度能夠達到100kbps；單一電源供電；精度為1／2LSB；可選擇外部時鐘，也可以選擇內(nèi)部時鐘；存在8路模擬量輸入通道；輸出與輸入均能與TTL／CMOS兼容。

（2）數(shù)字信號采集模塊

1）開關(guān)量輸入回路。智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，在低壓開關(guān)柜內(nèi)，需要具有智能測控單元。工作時，對其所在斷路器、開關(guān)進行監(jiān)控。輸入電路中，遙信觸電串聯(lián)存在，借助低通濾波器，進行高頻干擾濾除。電路中的電阻具有限流作用，能夠?qū)㈦娏骺刂圃诤涟布?，確保其順利進入到發(fā)光二極管中。通過光電耦合器的應(yīng)用，能夠隔離CPU總線與現(xiàn)場開關(guān)量，避免電信號傳送受到電磁干擾。

2）開關(guān)量輸出回路［3］。在設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)注重以下幾點：①在跳閘電路設(shè)計上，為避免其受到不良干擾，選擇兩路I／O，其中一路發(fā)生干擾問題時，也不會輸出跳閘信號。②為提升裝置抗干擾能力，需要先對脫口信號進行隔離，再進行輸出。③經(jīng)過運放比較，通過三極管BD237進行繼電器驅(qū)動，最終促使斷路器脫扣。

（3）液晶顯示模塊

智能監(jiān)控系統(tǒng)液晶顯示模塊為OCMJ4×8C，選擇串行方式連接。這種連接方式下，只需5根連接線，即可實現(xiàn)主機與液晶顯示模塊的連接，分別為電源線、地線、CLK線、R／W 線、RS線。該液晶顯示模塊主要包括20個引腳，分別為VSS、VDD、VO、RS（CS）、R／W（STD）、E（SCLK）、DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7、PSB、NC、RST、NC、LEDA、LEDK。

（4）抗干擾電路

本文設(shè)計的智能監(jiān)控系統(tǒng)中，通過以下抗電磁干擾方法，應(yīng)對電磁干擾問題。1）濾波技術(shù)。本系統(tǒng)中，選擇低通無源濾波器作為模擬量輸入通道，以此避免低頻信號存在較大的衰減情況，濾除高頻信號。2）屏蔽技術(shù)。將需要屏蔽的區(qū)域，用磁性或金屬材料包圍起來，避免內(nèi)外磁場相互干擾。可通過噪聲源屏蔽的方式，避免噪聲向外輻射；可通過屏蔽敏感設(shè)備，避免設(shè)備受到噪聲輻射場的影響。本系統(tǒng)中，選擇敏感設(shè)備屏蔽的方式，以免外部場對其產(chǎn)生影響［4］。3）系統(tǒng)電源。本文設(shè)計的智能監(jiān)控系統(tǒng)中，擁有AC／DC電源變換功能。在該功能作用下，可滿足電網(wǎng)運行需求。當交流輸入電壓為85～265V時，可將輸出控制在5V或24V。從而避免出現(xiàn)過熱及短路問題。通過電氣隔離的方式，隔離輸入與輸出端。

3.3 軟件設(shè)計

（1）監(jiān)控終端測量單元軟件設(shè)計

1）主程序軟件。對于整個智能監(jiān)控系統(tǒng)而言，主程序?qū)儆诳傊笓]，其需要對各個程序流程進行控制，并且還需要銜接各子程序模塊。在科學(xué)調(diào)控各功能模塊下檢測、分析各項參數(shù)，確保各種控制功能的良好實現(xiàn)。通過綜合考慮，將主程序設(shè)定為以下流程：開始→CPU初始化→SPC3初始化→清看門狗→判斷CPU是否能夠接受到數(shù)據(jù)幀→處理數(shù)據(jù)幀→FLAGE＝1→處理采樣數(shù)據(jù)，若FLAGE≠1則進行故障針對，完成故障處理后，從SPC3初始化步驟重新開始。

2）交流采樣子程序［5］。該程序中，能夠?qū)崿F(xiàn)捕獲中斷，并且還能實現(xiàn)定時器2中斷。中斷程序捕獲過程中，對于捕獲的信號頻率，做出處理。在定時器2中斷方面，啟動A／D轉(zhuǎn)換。并且在查詢功能作用下，判斷轉(zhuǎn)換狀態(tài)，最終獲得結(jié)果。定時器2周期中斷具有較高的優(yōu)先級，而捕獲定時器優(yōu)先級較低，若處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，不會對轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才會進行捕獲中斷處理。本設(shè)計中，應(yīng)進行A／D中斷屏蔽，定時中斷環(huán)節(jié)，對詢INT FLAG SEQ1狀態(tài)進行查詢，從而對是否完成轉(zhuǎn)換進行判斷，若完成則會讀出數(shù)據(jù)［6］。當采樣數(shù)高于20時，設(shè)置周期采樣標志FLAGE為1，進行定時器初始化，A／D轉(zhuǎn)換中斷返回。

（2）監(jiān)控終端通訊單元軟件設(shè)計

1）SPC3初始化。該環(huán)節(jié)主要是設(shè)置SPC3中存在的寄存器，并開展相應(yīng)計算等工作，初始化主要包含以下部分：①SPC3硬件復(fù)位；②硬件模式；③設(shè)置SPC3中斷屏蔽寄存器；④SPC3內(nèi)部看門狗；⑤設(shè)置標識號和從站地址；⑥設(shè)置各緩沖區(qū)的長度；⑦獲取診斷和輸入緩沖區(qū)首地址；⑧啟動SPC。

2）從站數(shù)據(jù)接收程序。開展此項工作時，具體應(yīng)完成以下工作：①在D緩沖區(qū)中錄入輸出數(shù)據(jù)，針對D、N緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行交換；②中斷DX＿Out；③交換N、U緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，最終獲得U緩沖區(qū)的輸出數(shù)據(jù)。

3）從站數(shù)據(jù)發(fā)送程序。實際傳送輸入數(shù)據(jù)前，需要借助宏DPS2＿GET＿DIN＿BUF＿PTR（），從輸入緩沖區(qū)獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，用戶能夠向SPC協(xié)議芯片中，進行數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸，同時獲得輸入緩沖區(qū)指針，得到新的輸入數(shù)據(jù)。輸入處理中，相應(yīng)程序代碼為：

od＝xporta；／*獲得外部數(shù)據(jù)*／

（*（（io＿byte＿ptr）＋1））＝od；for（i＝0；iinp＿data＿len；i＋＋）｛*（（（UBYTE SPC3 PTR

ATTR*）user＿input＿buffer＿ptr）＋i）＝*（（io＿byte＿ptr）＋i）；／*將輸入數(shù)據(jù)寫入SPC3緩沖區(qū)*／｝

User＿input＿buffer＿ptr＝DPS2＿INPUT＿UPDATE（）；／*獲得下次輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)指針*／

4）SPC3中斷處理程序。該程序中，具體是通過PFOFIBUS-DP實現(xiàn)各種中斷事件：第一個事件，新的配置報文事件。第二個事件，新的參數(shù)報文事件。第三個事件，進入或退出數(shù)據(jù)交換狀態(tài)事件。第四個事件，全局控制命令報文事件等。本設(shè)計中，在中斷方式處理上，具體是設(shè)定從站地址，進而有效判斷參數(shù)的正確性。由于SPC3外部有一個輸出中斷信號，中斷控制器中的中斷寄存器、請求寄存器、屏蔽寄存器、應(yīng)答寄存器分別只有一個。通過寄存器IRR存儲中斷事件，中斷信號未被IMR屏蔽，才會進入到IRR中。

4 結(jié)束語

綜上所述，新時期環(huán)境下，我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，進一步提升了海上平臺低壓配電開關(guān)柜系統(tǒng)的智能化水平，并且也出現(xiàn)了較多功能更加齊全的電器元件。為保證海上平臺低壓配電開關(guān)柜高質(zhì)量運行，應(yīng)積極借助先進的技術(shù)手段，開展智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作，促進低壓開關(guān)柜智能化發(fā)展的同時，為海上平臺工作提供系統(tǒng)支持，實現(xiàn)海上平臺工作的高質(zhì)量開展。