泉州億興電力有限公司的研究人員鄭小梅， 在2017年第7期《電氣技術》雜誌上撰文指出， 智慧高壓開關櫃是智慧電網的重要組成， 是電力系統核心的保護和控制設備。
原始的高壓開關櫃結構簡單， 需要人工巡檢和控制， 尤其是電流測量精確度較低， 且介面相容性較差， 難以和快速發展的智慧電網相適應。 因此， 需要一種新型的高壓開關櫃線上監測系統對開關櫃進行有效的線上監測和控制。
本文針對高壓開關櫃的應用需求， 從軟體和硬體入手研究了一套高壓櫃線上監控系統， 具有一定的應用價值。
原始的高壓開關櫃功能比較簡單， 只能顯示使用者端的電壓電流值， 甚至市場上還存在採用指標表顯示的產品。 隨著智慧電網建設的不斷深入， 智慧高壓開關櫃必將成為市場應用的主流。
本文對智慧開關櫃監測系統進行了介紹， 從硬體和軟體兩方面入手對智慧高壓開關櫃監測系統進行了設計和研究， 並對其防干擾措施進行了分析， 對高壓開關櫃的智慧化發展具有一定的借鑒意義。
1 高壓開關櫃監測系統的設計
1.1 高壓開關櫃監測系統的總體架構
高壓開關櫃監測系統採用物件導向的監測系統架構， 其主要由現場層、監測層以及管理層三部分構成。 現場層的主要設備有現場監測單元和感測器以及相關二次元件，
圖1 高壓開關櫃監測系統結構圖
1.2 開關櫃監測裝置硬體設計
開關櫃監測裝置在高壓開關櫃的儀錶室中安裝， 其主要負責高壓開關櫃的資料測量、保護控制、參數顯示以及網路通信等功能， 並提供人機交互介面。 主要對感測器陣列以及互感器信號進行測量， 並進行運算處理求得電壓、電流值。
在系統出現超載時， 及時向斷路器發送超載保護信號。 監測裝置採用雙CPU結構， 其主要包括1#主控保護單片機以及2#監測保護單片機， 兩個CPU通過雙口RAM記憶體實現了記憶體空間的共用， 監測裝置的硬體結構圖如下圖所示。
圖2 監測裝置硬體結構圖
可見裝置的硬體主要包括1#主控保護單片機、2#監測保護單片機、類比量介面以及電源模組等部分組成。 感測器的類比量信號通過調理模組的轉化成為0-10V的信號， 2#監測保護單片機控制A/D採集晶片進行類比量信號的採集， 並將採集資料存儲到記憶體中， 同時對系統的電壓、電流信號以及短路、超載等故障進行監測。
當有故障發生時， 裝置根據計算分析， 執行故障保護以及報警信號的發出等動作。 1#主控保護單片機在2#單片機完成信號採集功能後， 將記憶體中的數值取出從而對當前電壓和電流值進行計算， 並在LCD上顯示。 此外1#單片機還負責CAN通信功能。 電壓模組為裝置提供運行所需的5V和±12V電壓。
1 類比量信號處理電路。
裝置的電流測量採取磁感測器矩陣法， TMR感測器的信號需進行調理和轉換後才能進行運算處理。 由於感測器的輸出信號電壓大約在±600mV之間， 需要對其進行放到大處理， 放大7倍到4.2V， 剩餘部分電壓余量作為超載電流以及衝擊電流的報警區間。 由於系統的運行環境干擾較為嚴重， 因此放大器應安裝在感測器探頭中， 並採用12V電壓供電。
另外，TMR感測器是新型的磁電阻效應感測器，和其他監測器件相比具有溫度穩定性好、靈敏度高、線性範圍寬，功耗較低的特點，晶片化的TMR感測器體積小成本低，十分適於PCB設計。但TMR感測器輸出信號中存在大量高頻干擾信號，在信號進行取樣處理前，需進行濾波處理。應用最為普遍的巴特沃斯濾波器的通帶較為平坦，濾波性能較為優越。
本文採用類比低通濾波電路，其原理圖如下圖所示。
圖3 裝置低通濾波電路原理圖
以上我們對裝置的主要硬體進行了分析，對於系統的其他硬體部分就不再詳細介紹。
1.3 監測系統軟體整體設計
2#監測保護單片機主要的週邊硬體電路包括A/D採集晶片、高速雙口RAM以及保護驅動電路。單片機上電復位後首先對週邊設備執行初始化操作，然後對整個系統進行檢測，確認正常後，執行信號採集程式，對電壓電流信號進行採集。完成一次信號的迴圈採集存儲後，主晶片則可以執行運算處理操作。
系統主控CPU程式流程如下圖所示。監測保護單片機的採集程式運行後，只有在監測到系統出現短路等重故障跳閘保護後或者主控CPU發出停止中斷命令後才會中斷採集。
圖4 主控CPU主程序流程圖
此外1#主控單片機主要功能為控制監測單元以及資料的運算和輸出。在系統上電重定後，1#CPU對系統進行初始化操作並進行自檢。然後檢測2#CPU是否完成準備工作。在整個系統都準備完成以後，1#CPU向2#CPU發出信號採集信號。每當2#CPU完成一個信號採集週期，就會發出一個中斷信號，此時，1#CPU對資料進行讀取，對電壓電流值進行計算，並將計算結果傳輸到上位機。
監測單元的雙CPU架構雖然硬體設定較低，但可以進行多工監測，為確保兩個CPU的協調，CPU之間需約定握手協議，兩個CPU之間通過通信口和外部中斷完成通信和握手。2#CPU通向1#CPU有採集完成中斷和故障報警中斷兩個中斷，1#CPU到2#CPU有一個停止中斷信號。
在CPU自檢和線路故障時會進行握手，下面用自檢為例對握手的流程進行說明。CPU在復位或上電後分別進行初始化和自檢，2#CPU自檢完成後開放中斷將自身狀態發送給1#主控CPU。1#CPU進入中斷將串口打開並發送代碼查詢2#CPU的自檢狀態，收到查詢命令後2#CPU將狀態碼持續發送給1#CPU，直到接收到來自1#CPU的狀態接收成功的返回碼為止。
在自檢確認完成以後，1#CPU向2#CPU發送信號採集啟動命令，系統開始運行，否則將有相應的故障報警顯示。CPU自檢中斷握手流程如如下所示。
圖5 自檢握手流程
1.4 系統的測試
首先對CPU連線調試，採用在程式中進行脈衝觸發計時的方式計算各功能模組的執行時間。我們記錄系統在一個採集週期內能否實現有效值完成一次計算、LCD螢幕兩次刷新、資料上傳一次、按鍵回應一次，同時不會對監測保護CPU的中斷回應造成影響。經測試得出系統各功能模組的極限消耗時間如下表所示。
表1 系統功能模組極限消耗時間
由於上述功能往往在不同的掃描週期內完成，系統掃描週期大約為15ms，因此系統的執行效率滿足要求。
然後對系統功能進行測試，測試電流採用大電流發生器供應，羅氏線圈提供電流標準值，並對監測裝置的電流值進行記錄。橫坐標為標準電流有效值，縱坐標為顯示電流有效值，在測試中系統量程分為峰值0-50A和50-1200A兩種，測試結果如下圖所示。
圖6 系統測試電流測量結果曲線圖
從測試結果可以看出，系統在峰值0-50A的區間內，最大誤差為1.1A，在50-1200A的區間內，由於干擾的影響，最大誤差為2.3A，誤差率為0.192%，精度達到0.2級，滿足系統測量要求。
為了進一步驗證裝置的可靠性，對系統在不同的天氣狀況下又進行了多次測試，其最大誤差結果如下表所示。系統仍能滿足0.2級監測的要求，重複性較好。
表2 重複實驗結果
系統電流監測只是監測裝置的基本功能，作為綜合性的智慧監測設備，系統還應融合高壓櫃的電壓監測、觸頭和櫃內溫度監測開關狀態監測以及操作安全聯鎖功能，只需在系統中加入相應的檢測模組和輔助電路，並結合相應的程式功能塊即可。
需要注意的是隨著功能的複雜化，可能需要選擇運算速率更快的單片機晶片，以提高系統運行速率，滿足執行效率的要求。通過裝置的通訊介面和變電站的智慧監控系統組網，即可實現高壓櫃的遠端監控。
2 結論
高壓開關櫃是電力系統保護和控制的核心設備。隨著智慧電網建設，高壓開關櫃運行狀態的智慧監測變得愈發的重要，本文結合以往的工作經驗，從硬體和軟體兩方面入手，設計了一款智慧高壓開關櫃監測系統，針對系統運行的環境特點，對系統的抗干擾措施進行了分析，並通過測試對系統測量精度進行了檢驗，對高壓開關櫃的智慧化監測系統的設計應用具有一定的借鑒意義。
並採用12V電壓供電。另外，TMR感測器是新型的磁電阻效應感測器，和其他監測器件相比具有溫度穩定性好、靈敏度高、線性範圍寬，功耗較低的特點，晶片化的TMR感測器體積小成本低，十分適於PCB設計。但TMR感測器輸出信號中存在大量高頻干擾信號，在信號進行取樣處理前，需進行濾波處理。應用最為普遍的巴特沃斯濾波器的通帶較為平坦，濾波性能較為優越。
本文採用類比低通濾波電路，其原理圖如下圖所示。
圖3 裝置低通濾波電路原理圖
以上我們對裝置的主要硬體進行了分析，對於系統的其他硬體部分就不再詳細介紹。
1.3 監測系統軟體整體設計
2#監測保護單片機主要的週邊硬體電路包括A/D採集晶片、高速雙口RAM以及保護驅動電路。單片機上電復位後首先對週邊設備執行初始化操作，然後對整個系統進行檢測，確認正常後，執行信號採集程式，對電壓電流信號進行採集。完成一次信號的迴圈採集存儲後，主晶片則可以執行運算處理操作。
系統主控CPU程式流程如下圖所示。監測保護單片機的採集程式運行後，只有在監測到系統出現短路等重故障跳閘保護後或者主控CPU發出停止中斷命令後才會中斷採集。
圖4 主控CPU主程序流程圖
此外1#主控單片機主要功能為控制監測單元以及資料的運算和輸出。在系統上電重定後，1#CPU對系統進行初始化操作並進行自檢。然後檢測2#CPU是否完成準備工作。在整個系統都準備完成以後，1#CPU向2#CPU發出信號採集信號。每當2#CPU完成一個信號採集週期，就會發出一個中斷信號，此時，1#CPU對資料進行讀取，對電壓電流值進行計算，並將計算結果傳輸到上位機。
監測單元的雙CPU架構雖然硬體設定較低，但可以進行多工監測，為確保兩個CPU的協調，CPU之間需約定握手協議，兩個CPU之間通過通信口和外部中斷完成通信和握手。2#CPU通向1#CPU有採集完成中斷和故障報警中斷兩個中斷，1#CPU到2#CPU有一個停止中斷信號。
在CPU自檢和線路故障時會進行握手，下面用自檢為例對握手的流程進行說明。CPU在復位或上電後分別進行初始化和自檢，2#CPU自檢完成後開放中斷將自身狀態發送給1#主控CPU。1#CPU進入中斷將串口打開並發送代碼查詢2#CPU的自檢狀態，收到查詢命令後2#CPU將狀態碼持續發送給1#CPU，直到接收到來自1#CPU的狀態接收成功的返回碼為止。
在自檢確認完成以後，1#CPU向2#CPU發送信號採集啟動命令，系統開始運行，否則將有相應的故障報警顯示。CPU自檢中斷握手流程如如下所示。
圖5 自檢握手流程
1.4 系統的測試
首先對CPU連線調試，採用在程式中進行脈衝觸發計時的方式計算各功能模組的執行時間。我們記錄系統在一個採集週期內能否實現有效值完成一次計算、LCD螢幕兩次刷新、資料上傳一次、按鍵回應一次，同時不會對監測保護CPU的中斷回應造成影響。經測試得出系統各功能模組的極限消耗時間如下表所示。
表1 系統功能模組極限消耗時間
由於上述功能往往在不同的掃描週期內完成，系統掃描週期大約為15ms，因此系統的執行效率滿足要求。
然後對系統功能進行測試，測試電流採用大電流發生器供應，羅氏線圈提供電流標準值，並對監測裝置的電流值進行記錄。橫坐標為標準電流有效值，縱坐標為顯示電流有效值，在測試中系統量程分為峰值0-50A和50-1200A兩種，測試結果如下圖所示。
圖6 系統測試電流測量結果曲線圖
從測試結果可以看出，系統在峰值0-50A的區間內，最大誤差為1.1A，在50-1200A的區間內，由於干擾的影響，最大誤差為2.3A，誤差率為0.192%，精度達到0.2級，滿足系統測量要求。
為了進一步驗證裝置的可靠性，對系統在不同的天氣狀況下又進行了多次測試，其最大誤差結果如下表所示。系統仍能滿足0.2級監測的要求，重複性較好。
表2 重複實驗結果
系統電流監測只是監測裝置的基本功能，作為綜合性的智慧監測設備，系統還應融合高壓櫃的電壓監測、觸頭和櫃內溫度監測開關狀態監測以及操作安全聯鎖功能，只需在系統中加入相應的檢測模組和輔助電路，並結合相應的程式功能塊即可。
需要注意的是隨著功能的複雜化，可能需要選擇運算速率更快的單片機晶片，以提高系統運行速率，滿足執行效率的要求。通過裝置的通訊介面和變電站的智慧監控系統組網，即可實現高壓櫃的遠端監控。
2 結論
高壓開關櫃是電力系統保護和控制的核心設備。隨著智慧電網建設，高壓開關櫃運行狀態的智慧監測變得愈發的重要，本文結合以往的工作經驗，從硬體和軟體兩方面入手，設計了一款智慧高壓開關櫃監測系統，針對系統運行的環境特點，對系統的抗干擾措施進行了分析，並通過測試對系統測量精度進行了檢驗，對高壓開關櫃的智慧化監測系統的設計應用具有一定的借鑒意義。