基于ARM的高压开关柜在线监测系统的研究

蔡翠

摘 要：高压开关柜作为矿井供配电系统的重要控制与保护设备，是智能电网重要组成部分。由于煤矿井下作业环境恶劣，长期高负荷运行状态下高压开关柜易高温引发故障。为保证矿井供电系统安全，本文基于物联网对高压开关柜实时监测系统进行设计，给出了系统前端的采集信号装置及主控芯片的型号，及前端传感设备的触头温度测量单元，电压电流测量单元和开关量测量单元等设计选型。利用ARM Cortex-M3内核的STM32芯片作为实时监测主控模块，实现了信号的采集处理处理及转换。保证高压开关柜的安全稳定运行。

关键词：高压开关柜;在线监测;温度传感器;监控系统

0 引言

高压开关柜是矿井高压供电系统的主要控制与保护设备。随着，煤矿综采工作面机械化、自动化和智能化水平的提高，煤矿井下的大型机电设备应用也越来越多越大，而这些机电设备驱动能力均以电能为主，无形增加矿井的供电负荷，影响矿井的供电安全，为此，对电力系统进行预先诊断对电力系统的保护十分重要。高压开关柜是矿井变配电的重要设备，其可以很好的隔断电路和监测线路运行情况，高压开关柜的可靠性在一定程度上决定着电力系统的效率。高压开关柜过热是引起开关柜故障的重要原因，所以对高压开关柜的运行状态进行监测及故障报警是提升开关柜可靠性的有效措施。此前众多学者对高压开关柜的实时监测和故障报警做出过一定的研究。为了提升高压开关柜的可靠性，利用物联网技术对开关柜的监测系统进行研究，给出了提升开关柜监测系统可靠性的方法，保证矿井的供电安全。

1 实时监测系统设计

随着供电系统的规模不断加大，且对其运行的条件不断增高，电网机组发生故障的几率也在不断增大，所以为了对故障做到实时监测，提出高压开关柜监测系统，利用物联网的无线温度、电流传感器实时监测装置，实现高压开关柜的实时监测。设计前对系统的要求及其功能进行分析，首先高压开关柜的故障主要有绝缘子绝缘故障、开断和关合故障及据动、误动故障。所以对监测系统的要求为：

①监测系统装置选择合理，性能可靠、结构简单，便于安装;②装置在工况下精度较高，受电磁影响小，抗系统干扰能力强;③系统在实际工况下运行低耗，且可实现远距离控制及数据传输和实时监测及故障预警，对监测数据进行记录及保存功能;④系统安装应留存一定的空间，方便后续装置对监测系统的实时优化。

2 监测系统的架构

实时监测系统设计采用无线通讯结合有线通讯并基于物联网对高压开关柜进行设计。监测系统主要由三个部分构成。三个部分为别为数据传输基站、前端传感器及线上监测平台。

前端传感器也可以称之为数据采集装置，是在开关柜布置多个采集点和传输点组成的一个系统。前端传感器包含了温度测试装置、电压电流测量装置及局部电流测量装置。系统通过分析开关柜内部母排电压、局部放电、触头温度等进行监测采集，将采集的数据输送至传输的电脑终端，实现温度、电流、电压等数据的实时监测。电脑终端对监收到的信息进行分析，并根据相应的监测异常系数进行优先级数的划分，对监测到的异常数据进行预警，报至监测平台。测平台是系统的核心部分，是一个具有完整功能的管理平台，其功能具备人机交互功能，且拥有完整的数据分析库，通过以太网进行控制主机的监测，通过分析控制主机传输数据的状态，实现随工作环境转变预警阀值。首先根据高压开关柜的设计要求，对信号采集单元及物联网进行设置。对物联网内部的断路器进行温度电流数据的采集、分析、处理、存储。所以选定CORTEX-M4和STM32F103RCT6为主控单元，系统整体硬件框架图如图1所示。

数据的处理单元通过对数据进行滤波、放大、抽样等程序进行电流电压等数据的采集，并达到A/D的要求，经过转换输送至主控单元，后传输至上位管理机。高压开关柜内部的结十分复杂，强电电路都存在一个狭小的空间内部，带电体与内部绝缘体相互交错，所以需要通过一定的装置进行内部实时监测。所以本文通过对高压开关静触头的温度进行监测，实现复杂内部的控制。温度传感器选定时需要满足无线温度测量的要求。无线温度测量装置主要由温度传感器、微处理器、无线通信接口组义、微处理器组成。温度传感器主要用于测量触头节点实时的温度变化;通信接口主要用于无线温度数据发送给数据的传输。温度传感单元的微处理器选定具备抗干扰能力强且系统低耗的元件MC9S08QG8芯片，芯片可以实现互感方式的自给供电。同时MC9S08OG8芯片较普通芯片具有更长的使用寿命，当芯片电压大于2.1V，此时的微处理器的工作频率高达20MHz;当小于2.1V时，此时的工作频率为16MHz;工作的电压小于1.8V时，仍可以继续工作。微处理器具有SCISPI和IC三个外接通讯接口，设置有增强型8通道、512字节RAM，8KFLASH存储器，10位ADC转换器;微处理器可以支持32个中断/复位源，及上电复位电路，可以较好的满足工作要求。同时无线温度测量单元复位即可接收配置命令，当配置完成后对采集的温度数据进行传输。

并对系统开关量状态监测单元进行设计，系统的输入信号通过辅助触点获得。高压开关柜采集开关量的状态是根据开关柜内部断路器的闭合及开启状态所确定的。通过监测开关触头的接通状态，对应输入系统中的逻辑语言进行狀态监测。

电压测量单元设计，根据系统选定的10kV开关柜，设计选定为二次降压方式进行数据的采集。选定型号为JSZW3-10电压互感器进行降压处理，将电路中10kV的高电压降底至100V后传输至二级互感器，将其输出的电流信号经过A/D转换器进行翻译后传输至系统控制中心，完成相应的电压信号的采集。考虑实际的工作环境及设计需要选定LV25-P/SP5电压传感器，实现三路电压监测。

对主控模块的电路进行设计，考虑到STM32接口齐全，应用范围广泛，是目前主流的MCU，所以根据系统的需要选定基于STM32F103RCT6芯片的ARM。针对在后续发展中开关柜设备的增加，提供了装载空间，将AD7606模块和ARM通过外部连接的形式进行分开设计。ARM的主控模块含有：FLASH存储单元、STM32芯片、电源模块和通信模块。

对系统的通信电路进行设计，根据高压开关柜工况需求及各通信方式的优缺点，设定系统采用以太网的通信方式对主控芯片与上位机通信进行连接，选用高性能的W5500型号芯片作为通信电路核心芯片。芯片内部含有集成全硬件TCP/IP协议栈，和物理层（PHY）工艺及集成10/100M以太网数据链路层（MAC），通讯电路可靠性高、稳定性好。W5500内部嵌入32K字节片缓存，可以使得用户同时使用8个Socket独立通讯。同时通过SPI接口实现W5500与MCU的快速网络通讯。

3 结论

本文基于物联网对高压开关柜实时监测系统进行设计，分别对系统前端的采集信号装置及主控芯片进行选型和设计。并对前端传感设备的触头温度测量单元，电压电流测量单元和开关量测量单元进行分析设计。重点给出了基于ARMCortex-M3内核的STM32芯片的实时监测主控模块，并通过AD7606的AD转换模块和以太网口通信模块，完成了信号的采集处理处理及转换。满足了煤矿井下供电系统可靠性，安全性和连续性的要求。

参考文献：

[1]胡凯波，许林波，夏志凌.基于ZigBee技术高压开关柜温度在线监测系统研究[J].自动化与仪表，2020，35（02）：106-109+114.

[2]王玉梅，谷斐，孙抗，等.基于CAN总线的煤矿10kV开关柜在线监测系统研究与应用[J].煤矿机电，2015（05）：9-16.