10kV环网柜放电在线监测系统

黄俊鸿

摘   要：针对珠海地区潮湿多雨，容易造成10 kV环网柜内部放电，对电力系统安全运行造成重大影响的现状，通过研究提出了一套基于单片机系统的环网柜在线放电臭氧监测系统方案。该系统主要由臭氧传感器、单片机系统和GPRS模块构成。文章介绍了该系统方案的硬件、软件组成框架。通过臭氧传感器，可监测柜体中臭氧浓度，以正确检测电力设备的放电情况，结合无线GPRS模块，可实现对环网柜放电的远程实时在线监测与报警。通过实验验证，本系统能有效地防止由放电引起的电力事故的发生。

关键词：10 kV环网柜;臭氧;单片机系统;GPRS模块

本文将臭氧检测技术与单片机系统相结合，开发一种针对10 kV环网柜的放电远程在线监测系统，其目的是要彻底解决珠海市10 kV环网柜众多与配网运维人员有限之间的矛盾。本系统能够实现环网柜放电短信报警、温湿度短信报警等功能。本系统的出现，不仅能够减轻运维人员的工作量，提高巡视效率，而且能够有效地预防因局部放电而导致的设备故障，极大地提高了供电的可靠性。

1    环网柜放电臭氧检测原理

从电力设备放电机理可以看出，运行中的10 kV电力设备相当于一个强交变电场，当设备对绝缘薄弱位置放电时，放电空间流动的氧气在放电作用下发生分解反应，出现游离的氧原子，氧原子与氧气反应生成臭氧，放电越厉害，产生的臭氧越多。因此，检测放电产生的臭氧浓度可以判断放电强弱，从而确定电力设备运行状态。采用高灵敏度的臭氧传感器能对设备的绝缘下降、裂伤、污秽发展等进行早期预报，保证设备的安全运行。

根据GB/T 18202—2000室内空气中臭氧卫生标准，正常情况下，1 h平均臭氧最高容许浓度为0.1 mg/m3，也是人类能觉察臭氧气味的临界点。根据电力师傅的经验，进入配电站或环网柜室，能够闻到有臭氧气味的时候，就能确定设备在放电。换而言之，当环网柜空间中臭氧浓度低于0.1 mg/m3时，设备处于正常运行状态，反之，则能判断设备在放电状态。

2    硬件系统设计

2.1  单片机系统

本项目采用的是基于处理器为Atmel公司生产的ATMega 328的Arduino开发板。该开发板系统采用开源的软硬件系统，对编程指令集进行二次精简封装，大大降低编程难度，提高了程序的可二次开发性。系统功能强大，带有16个数字输入/输出接口，6个0～5 V模拟量输入/输出接口，能提供5 V DC输出并支持USB在线程序烧录及供电。另外，本单片机系统价格便宜，设计成熟，抗干扰能力强，能够在如高压环网柜室中等恶劣的条件下稳定运行。

2.2  臭氧检测模块

本项目采用的是郑州炜盛电子科技公司生产MQ131臭氧检测模块，其检测范围为0.02～4 mg/m3。

MQ131气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在臭氧气体时，传感器的电导率随空气中臭氧气体浓度的增加而增大。MQ131连接电路（见图1）即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号（0～5 V）接于单片机系统的模拟量输入端。

2.3  DH11温湿度传感器模块

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，测量范围为湿度20%～90% RH，温度0～50 ℃并与一个高性能8位单片机相连接。因此该模块具有超快响应、精度高等优点，与单片机系统采用同步单总线双向传输模式。本模块共有3个接口，分别是正负极电源与数据传输口，数据传输口与单片机的模拟量输入口连接。

2.4  GPRS模块

远程监护中，数据通信是重要的组成部分。而通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）是目前解决移动通信服务的一种完美的业务，其以数据流量计费、覆盖范围广泛、数据传输速度快等优点而得到广泛应用。GPRS无线模块作为GPRS终端的无线收发模块，把从TCP/IP模块接收的TCP/IP包和从基站接收的GPRS分组数据进行相应的协议处理后再转发。

2.5  系统工作原理

当环网柜内部发生局部放电时，臭氧传感器将会检测到局部放电时候所产生的臭氧，经控制电路把物理信号转换为电信号传入单片机系统，单片机的软件系统通过计算会得出一单位时间内（查资料所得，臭氧在常温常态下的半衰期为40 min，软件设定每10 min采集一次数据，以40 min为单位时间）臭氧的平均浓度。在監控臭氧的同时，单片机也在监控着温度，当温度超过设定值时，单片机系统也会向监控人员发送报警短信，让监控人员第一时间了解环网柜中的状况。

3    程序设计

本系统共采用了两种计算机语言来分别控制Arduino单片机系统与GPRS模块。

3.1  Arduino单片机系统语言

Arduino语言实际上是建立在C/C++语言的基础上的，本质也就是基础的C语言，Arduino语言只不过把AVR单片机（微控制器）相关的一些参数设置函数化，把单片机的一些功能的实现过程封装成模块，供使用者直接调用。使得不用去了解单片机的底层硬件驱动，储存位置等。这样极大地减轻了使用者的编程负担，提高了编程效率。

3.2  GPRS模块系统语言

AT即Attention，AT指令一般应用于终端数据设备（GPRS模块）与PC、单片机应用之间的连接与通信。AT指令集是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的。

本系统单片机通过物理串口引脚与GPRS模块串口引脚相连接，单片机通过串口将AT指令与数据传送到GPRS模块，以到达控制GPRS模块向监控人员发送手机短信的目的。

3.3  整体程序结构

本程序分为初始化程序、主程序以及短信发送子程序。初设化程序主要用于定义程序所涉及的变量，用于被电脑监控的通信串口的波特率以及用于与GPRS模块通信串口的波特率。

子程序包括短信发送子程序gsm__msm（String text，float ）与温湿度采集子程序：短信发送子程序内容为一系列使用单片机串口发送函数mySerial.printIn（）发送出去的AT指令，通过这些AT指令的组合，可以控制GPRS模块发送信息。温湿度采集子程序作用是把温湿度模块中的8位数值依次采集转化为十进制的数值。主程序的主要任务是采集臭氧、温湿度等数据。采集完成后，把在某时段内采集到的臭氧、温湿度平均值与预先设定的安全值作比较，如果平均值大于预先设定值，则调用短信子程序，通过GPRS模块把相应的报警短信发送到监控人员的手机上，从而监控人员可以对此电力设备进行相应的处理，再结合报警短信中包含的臭氧、温湿度的数据，让监控人员可以初步判定放电的程度。

4    模拟实验

实验内容有如下两点。（1）把温度报警值設置为40 ℃，将温度传感器靠近火源，模拟温度升高。并在电脑串口监视器中监视各设备的工作状态。（2）将臭氧报警值设置为0.02 mg/m3，低于大气平均质量浓度，模拟臭氧升高。并在电脑串口监视器中监视各设备的工作状态。

5    结语

文章研究了利用臭氧放电检测原理现实的10 kV环网柜放电在线监测系统，该系统成功地将臭氧检测技术与GPRS无线传输技术相结合。模拟实验也进一步证明了此系统是可行的，此系统可以很好地防止电力设备放电所引起的事故的发生，减少经济损失。目前已经完成了样机的研制，下一步准备把系统模块做成样机，试点到放电黑点环网柜室，进行进一步的测试与改进。如果有机会的话，希望能够与广达等高压环网柜生产商合作，在这基础上研究和开发柜内放电在线监测系统，这样检测的精度性与时效性将大大提高。该系统具有方便、灵活、成本低、体积小、功能强大等特点，具有良好的市场前景。

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