高压开关柜在线监测系统的设计与研究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
泉州亿兴电力有限公司的研究人员郑小梅，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，智能高压开关柜是智能电网的重要组成，是电力系统核心的保护和控制设备。
原始的高压开关柜结构简单，需要人工巡检和控制，尤其是电流测量精确度较低，且接口兼容性较差，难以和快速发展的智能电网相适应。因此，需要一种新型的高压开关柜在线监测系统对开关柜进行有效的在线监测和控制。
本文针对高压开关柜的应用需求，从软件和硬件入手研究了一套高压柜在线监控系统，具有一定的应用价值。
原始的高压开关柜功能比较简单，只能显示用户端的电压电流值，甚至市场上还存在采用指针表显示的产品。随着智能电网建设的不断深入，智能高压开关柜必将成为市场应用的主流。
本文对智能开关柜监测系统进行了介绍，从硬件和软件两方面入手对智能高压开关柜监测系统进行了设计和研究，并对其防干扰措施进行了分析，对高压开关柜的智能化发展具有一定的借鉴意义。
1 高压开关柜监测系统的设计
1.1 高压开关柜监测系统的总体架构
高压开关柜监测系统采用面向对象的监测系统架构，其主要由现场层、监测层以及管理层三部分构成。现场层的主要设备有现场监测单元和传感器以及相关二次元件，重要功能为高压开关柜的现场监测。现场层和检测层通过总线连接，实现监测数据和控制命令的传输。监测层和电站控制中心通过以太网连接。监测层的主要设备为监测主机、路由器以及打印机等相关设备，监测层和管理层的数据通信通过以太网完成。下图为高压开关柜监测系统结构图。
图1 高压开关柜监测系统结构图
1.2 开关柜监测装置硬件设计
开关柜监测装置在高压开关柜的仪表室中安装，其主要负责高压开关柜的数据测量、保护控制、参数显示以及网络通信等功能，并提供人机交互接口。主要对传感器阵列以及互感器信号进行测量，并进行运算处理求得电压、电流值。
在系统出现过载时，及时向断路器发送过载保护信号。监测装置采用双CPU结构，其主要包括1#主控保护单片机以及2#监测保护单片机，两个CPU通过双口RAM存储器实现了内存空间的共享，监测装置的硬件结构图如下图所示。
图2 监测装置硬件结构图
可见装置的硬件主要包括1#主控保护单片机、2#监测保护单片机、模拟量接口以及电源模块等部分组成。传感器的模拟量信号通过调理模块的转化成为0-10V的信号，2#监测保护单片机控制A/D采集芯片进行模拟量信号的采集，并将采集数据存储到存储器中，同时对系统的电压、电流信号以及短路、过载等故障进行监测。
当有故障发生时，装置根据计算分析，执行故障保护以及报警信号的发出等动作。1#主控保护单片机在2#单片机完成信号采集功能后，将存储器中的数值取出从而对当前电压和电流值进行计算，并在LCD上显示。此外1#单片机还负责CAN通信功能。电压模块为装置提供运行所需的5V和±12V电压。
1 模拟量信号处理电路。
装置的电流测量采取磁传感器矩阵法，TMR传感器的信号需进行调理和转换后才能进行运算处理。由于传感器的输出信号电压大约在±600mV之间，需要对其进行放到大处理，放大7倍到4.2V，剩余部分电压余量作为过载电流以及冲击电流的报警区间。由于系统的运行环境干扰较为严重，因此放大器应安装在传感器探头中，并采用12V电压供电。
另外，TMR传感器是新型的磁电阻效应传感器，和其他监测器件相比具有温度稳定性好、灵敏度高、线性范围宽，功耗较低的特点，芯片化的TMR传感器体积小成本低，十分适于PCB设计。但TMR传感器输出信号中存在大量高频干扰信号，在信号进行取样处理前，需进行滤波处理。应用最为普遍的巴特沃斯滤波器的通带较为平坦，滤波性能较为优越。
本文采用模拟低通滤波电路，其原理图如下图所示。
图3 装置低通滤波电路原理图
以上我们对装置的主要硬件进行了分析，对于系统的其他硬件部分就不再详细介绍。
1.3 监测系统软件整体设计
2#监测保护单片机主要的外围硬件电路包括A/D采集芯片、高速双口RAM以及保护驱动电路。单片机上电复位后首先对外围设备执行初始化操作，然后对整个系统进行检测，确认正常后，执行信号采集程序，对电压电流信号进行采集。完成一次信号的循环采集存储后，主芯片则可以执行运算处理操作。
系统主控CPU程序流程如下图所示。监测保护单片机的采集程序运行后，只有在监测到系统出现短路等重故障跳闸保护后或者主控CPU发出停止中断命令后才会中断采集。
图4 主控CPU主程序流程图
此外1#主控单片机主要功能为控制监测单元以及数据的运算和输出。在系统上电复位后，1#CPU对系统进行初始化操作并进行自检。然后检测2#CPU是否完成准备工作。在整个系统都准备完成以后，1#CPU向2#CPU发出信号采集信号。每当2#CPU完成一个信号采集周期，就会发出一个中断信号，此时，1#CPU对数据进行读取，对电压电流值进行计算，并将计算结果传输到上位机。
监测单元的双CPU架构虽然硬件配置较低，但可以进行多任务监测，为确保两个CPU的协调，CPU之间需约定握手协议，两个CPU之间通过通信口和外部中断完成通信和握手。2#CPU通向1#CPU有采集完成中断和故障报警中断两个中断，1#CPU到2#CPU有一个停止中断信号。
在CPU自检和线路故障时会进行握手，下面用自检为例对握手的流程进行说明。CPU在复位或上电后分别进行初始化和自检，2#CPU自检完成后开放中断将自身状态发送给1#主控CPU。1#CPU进入中断将串口打开并发送代码查询2#CPU的自检状态，收到查询命令后2#CPU将状态码持续发送给1#CPU，直到接收到来自1#CPU的状态接收成功的返回码为止。
在自检确认完成以后，1#CPU向2#CPU发送信号采集启动命令，系统开始运行，否则将有相应的故障报警显示。CPU自检中断握手流程如如下所示。
图5 自检握手流程
1.4 系统的测试
首先对CPU联机调试，采用在程序中进行脉冲触发计时的方式计算各功能模块的运行时间。我们记录系统在一个采集周期内能否实现有效值完成一次计算、LCD屏幕两次刷新、数据上传一次、按键响应一次，同时不会对监测保护CPU的中断响应造成影响。经测试得出系统各功能模块的极限消耗时间如下表所示。
表1 系统功能模块极限消耗时间
由于上述功能往往在不同的扫描周期内完成，系统扫描周期大约为15ms，因此系统的执行效率满足要求。
然后对系统功能进行测试，测试电流采用大电流发生器供应，罗氏线圈提供电流标准值，并对监测装置的电流值进行记录。横坐标为标准电流有效值，纵坐标为显示电流有效值，在测试中系统量程分为峰值0-50A和50-1200A两种，测试结果如下图所示。
图6 系统测试电流测量结果曲线图
从测试结果可以看出，系统在峰值0-50A的区间内，最大误差为1.1A，在50-1200A的区间内，由于干扰的影响，最大误差为2.3A，误差率为0.192%，精度达到0.2级，满足系统测量要求。
为了进一步验证装置的可靠性，对系统在不同的天气状况下又进行了多次测试，其最大误差结果如下表所示。系统仍能满足0.2级监测的要求，重复性较好。
表2 重复实验结果
系统电流监测只是监测装置的基本功能，作为综合性的智能监测设备，系统还应融合高压柜的电压监测、触头和柜内温度监测开关状态监测以及操作安全联锁功能，只需在系统中加入相应的检测模块和辅助电路，并结合相应的程序功能块即可。
需要注意的是随着功能的复杂化，可能需要选择运算速率更快的单片机芯片，以提高系统运行速率，满足执行效率的要求。通过装置的通讯接口和变电站的智能监控系统组网，即可实现高压柜的远程监控。
2 结论
高压开关柜是电力系统保护和控制的核心设备。随着智能电网建设，高压开关柜运行状态的智能监测变得愈发的重要，本文结合以往的工作经验，从硬件和软件两方面入手，设计了一款智能高压开关柜监测系统，针对系统运行的环境特点，对系统的抗干扰措施进行了分析，并通过测试对系统测量精度进行了检验，对高压开关柜的智能化监测系统的设计应用具有一定的借鉴意义。