變電站開關(guān)柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)研制與應(yīng)用

喬向陽　劉明春　李少勇　王嗣常

摘 要：變電站開關(guān)柜管理工作是安全生產(chǎn)的重要工作之一，對開關(guān)柜工作狀態(tài)和開關(guān)柜內(nèi)有害氣體監(jiān)測是防止工作人員檢修開關(guān)柜時受到傷害的有效輔助手段。本文介紹了一套針對開關(guān)柜工作狀態(tài)及工作過程中可能產(chǎn)生的有害氣體的監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)基于傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和數(shù)字通訊技術(shù)，實現(xiàn)對開關(guān)柜狀態(tài)及柜內(nèi)有害氣的有效監(jiān)測，有效保護(hù)開關(guān)柜檢修人員及設(shè)備安全。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；有害氣體監(jiān)測；嵌入式技術(shù)

1、概述

隨著我國現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，電網(wǎng)容量的不斷增加，為保證電網(wǎng)的輸配電質(zhì)量，電力系統(tǒng)對輸配電設(shè)備提出了越來越高的要求。從早期的水泥間隔式開關(guān)柜到固定式開關(guān)柜，再到落地式手車開關(guān)柜，一直發(fā)展到現(xiàn)在的中置式開關(guān)柜，開關(guān)柜的性能逐步提高，尤其在開關(guān)柜的防止誤操作和保證設(shè)備及維護(hù)人員安全方面更是得到了一定的發(fā)展及完善。但是因為帶電間隔導(dǎo)致的人身意外傷害事故依然時有發(fā)生，在電力系統(tǒng)的異常事故中，誤操作事故、誤入帶電間隔造成的人身傷亡、設(shè)備損壞、系統(tǒng)停電事故比例占絕大多數(shù)。

針對以上存在的問題，基于當(dāng)今快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)通信等，設(shè)計一套變電站開關(guān)柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對開關(guān)柜狀態(tài)及柜內(nèi)有害氣的有效監(jiān)測，有效保護(hù)開關(guān)柜檢修人員及設(shè)備安全。

2、系統(tǒng)功能介紹

變電站開關(guān)柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)安裝于變電站內(nèi)開關(guān)柜系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)對開關(guān)柜工作狀態(tài)、開關(guān)柜內(nèi)有害氣體和是否有人員進(jìn)入開關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)測，從而確保檢修人員能夠在安全的工作環(huán)境進(jìn)行檢修公共，保證檢修人員人身安全和變電站內(nèi)設(shè)備安全。

監(jiān)控主機(jī)通過各傳感器單元對開關(guān)柜監(jiān)控結(jié)果確定所采取的具體操作，如：當(dāng)有害氣體監(jiān)測單元檢測到開關(guān)柜內(nèi)有害氣體超標(biāo)，監(jiān)控主機(jī)會啟動風(fēng)扇，將開關(guān)柜內(nèi)有害氣體排除柜外，確保開關(guān)柜內(nèi)環(huán)境適合檢修人員正常工作。當(dāng)控制器檢測到檢修人員進(jìn)入帶電開關(guān)柜內(nèi)室，系統(tǒng)啟動報警功能，提示檢修人員所檢修的開關(guān)柜帶電，須立即停止操作。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由電源管理單元、主控單元、有害氣體監(jiān)測單元、風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動單元、開門狀態(tài)監(jiān)測單元、人員活動監(jiān)測單元、RS485通訊單元和報警單元組成。

3.1電源管理單元設(shè)計

電源設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，電源設(shè)計的好壞直接影響著終端設(shè)備能否實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，因此，系統(tǒng)采用較為成熟可靠的設(shè)計電路，作為本終端設(shè)備電源管理單元。本系統(tǒng)的電源共有DC12V、DC6V、DC3.3V以及VCC_485四部分組成。其中DC12V為外部電源輸入，為整個終端提供系統(tǒng)工作電源。DC12V經(jīng)由開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2596穩(wěn)壓，獲得DC6V電源，用于驅(qū)動風(fēng)扇電機(jī)和有害氣體監(jiān)測傳感器。DC6V經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片AMS1117芯片穩(wěn)壓到DC3.3V，為主控系統(tǒng)和其他傳感器提供電源。DC3.3V經(jīng)過電源隔離芯片B0505S和LP3985芯片，獲得VCC_485電源，為RS485通訊提供獨立的電源，從而減少因系統(tǒng)電源溫不穩(wěn)影響RS485通訊系統(tǒng)正常工作。

3.2主控單元設(shè)計

終端選用ARM公司的STM32F105RBT6作為控制芯片，本芯片采用較為先進(jìn)的Cortex-M3內(nèi)核，并結(jié)合豐富的外設(shè)接口可以很好滿足設(shè)計需要，從而使電路設(shè)計更加簡單。其256K字節(jié)的閃存程序存儲區(qū)，使其能夠應(yīng)用于較大工程文件系統(tǒng)中。

3.3有害氣體檢測及排氣系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)通過MWA4218-0901傳感器實現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)有害氣體的檢測，當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)有還氣體超過預(yù)設(shè)閾值時啟動排氣扇，將開關(guān)柜內(nèi)有害氣體排出。

有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)原理如下圖六所示，傳感器MWA4218-0901把把檢測到的有害氣體濃度值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓值輸入到終端接口JP1中，系通過把輸入的電壓信號經(jīng)過運放電路之后輸入到終端AD轉(zhuǎn)換接口，終端把輸入的模擬信號量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號量進(jìn)行處理，并與系統(tǒng)設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測得到的有害氣體濃度超過閾值，系統(tǒng)啟動排氣扇，將有害氣體排出。

3.4開關(guān)柜狀態(tài)、人員活動及報警系統(tǒng)設(shè)計

由于變電站開關(guān)柜經(jīng)常有檢修人員進(jìn)行檢修作業(yè)，因此對開關(guān)柜狀態(tài)檢測、開關(guān)柜內(nèi)人員活動情況進(jìn)行監(jiān)測顯得尤為重要。

首先，檢測終端通過RS485通訊單元與開關(guān)柜控制器進(jìn)行通訊，獲得開關(guān)柜內(nèi)觸點帶電情況，并判斷開關(guān)柜箱門是否被打開，當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)帶電，且有人員進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)時，終端系統(tǒng)啟動現(xiàn)場報警設(shè)備，提醒現(xiàn)場檢修人員已經(jīng)進(jìn)入危險帶電設(shè)備區(qū)，請立即退出開關(guān)柜。只有系統(tǒng)檢測到開關(guān)柜內(nèi)觸點不帶電情況下，才允許檢修人員進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)。紅外人體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計如下圖2所示：

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計

變電站開關(guān)柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)的驅(qū)動程序采用模塊程序結(jié)構(gòu)。根據(jù)模塊化軟件設(shè)計要求，將系統(tǒng)驅(qū)動分為以下模塊。

1）系統(tǒng)初始化模塊：初始化主控芯片寄存器、I/O口、定時器、AD轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)中斷方式。

2）開關(guān)柜箱門狀態(tài)監(jiān)測模塊：檢測開關(guān)柜箱門開/閉狀態(tài)。

3）有害氣體濃度監(jiān)測及排氣扇驅(qū)動模塊：有害氣體采集、AD轉(zhuǎn)換、分析，排氣風(fēng)扇啟動/關(guān)閉及排氣量大小控制。

4）RS485通訊模塊：驅(qū)動RS485通訊芯片，實現(xiàn)與開關(guān)柜主機(jī)通訊。

5）人員活動和報警模塊：監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)人員活動信息，并根據(jù)檢測結(jié)果啟動/關(guān)閉報警單元。

5、結(jié)束語

本文設(shè)計的變電站開關(guān)柜狀態(tài)及有害氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)整合了最新的傳感器技術(shù)與嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)多參量、全方位、實時在線監(jiān)測及安全高效的防誤入預(yù)警提示功能，減少因工作疏忽導(dǎo)致誤入開關(guān)柜事件的發(fā)生，提高現(xiàn)場工作人員工作安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 李剛、林凌 著.傳感器及其接口電路應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.2015.1

[2] 宋繼成 著.變電站電氣接線設(shè)計（第二版）[M].中國電力出版社.2014.4

[3] 王苑增、黃文濤、何宙興等著.基于ARM Cortex-M3的STM32微控制器實戰(zhàn)教程[M].電子工業(yè)出版社.2014.9