10kV環網柜放電在線監測系統

黃俊鴻

摘? ?要：針對珠海地區潮濕多雨，容易造成10 kV環網柜內部放電，對電力系統安全運行造成重大影響的現狀，通過研究提出了一套基于單片機系統的環網柜在線放電臭氧監測系統方案。該系統主要由臭氧傳感器、單片機系統和GPRS模塊構成。文章介紹了該系統方案的硬件、軟件組成框架。通過臭氧傳感器，可監測柜體中臭氧濃度，以正確檢測電力設備的放電情況，結合無線GPRS模塊，可實現對環網柜放電的遠程實時在線監測與報警。通過實驗驗證，本系統能有效地防止由放電引起的電力事故的發生。

關鍵詞：10 kV環網柜;臭氧;單片機系統;GPRS模塊

本文將臭氧檢測技術與單片機系統相結合，開發一種針對10 kV環網柜的放電遠程在線監測系統，其目的是要徹底解決珠海市10 kV環網柜眾多與配網運維人員有限之間的矛盾。本系統能夠實現環網柜放電短信報警、溫濕度短信報警等功能。本系統的出現，不僅能夠減輕運維人員的工作量，提高巡視效率，而且能夠有效地預防因局部放電而導致的設備故障，極大地提高了供電的可靠性。

1? ? 環網柜放電臭氧檢測原理

從電力設備放電機理可以看出，運行中的10 kV電力設備相當于一個強交變電場，當設備對絕緣薄弱位置放電時，放電空間流動的氧氣在放電作用下發生分解反應，出現游離的氧原子，氧原子與氧氣反應生成臭氧，放電越厲害，產生的臭氧越多。因此，檢測放電產生的臭氧濃度可以判斷放電強弱，從而確定電力設備運行狀態。采用高靈敏度的臭氧傳感器能對設備的絕緣下降、裂傷、污穢發展等進行早期預報，保證設備的安全運行。

根據GB/T 18202—2000室內空氣中臭氧衛生標準，正常情況下，1 h平均臭氧最高容許濃度為0.1 mg/m3，也是人類能覺察臭氧氣味的臨界點。根據電力師傅的經驗，進入配電站或環網柜室，能夠聞到有臭氧氣味的時候，就能確定設備在放電。換而言之，當環網柜空間中臭氧濃度低于0.1 mg/m3時，設備處于正常運行狀態，反之，則能判斷設備在放電狀態。

2? ? 硬件系統設計

2.1? 單片機系統

本項目采用的是基于處理器為Atmel公司生產的ATMega 328的Arduino開發板。該開發板系統采用開源的軟硬件系統，對編程指令集進行二次精簡封裝，大大降低編程難度，提高了程序的可二次開發性。系統功能強大，帶有16個數字輸入/輸出接口，6個0～5 V模擬量輸入/輸出接口，能提供5 V DC輸出并支持USB在線程序燒錄及供電。另外，本單片機系統價格便宜，設計成熟，抗干擾能力強，能夠在如高壓環網柜室中等惡劣的條件下穩定運行。

2.2? 臭氧檢測模塊

本項目采用的是鄭州煒盛電子科技公司生產MQ131臭氧檢測模塊，其檢測范圍為0.02～4 mg/m3。

MQ131氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在臭氧氣體時，傳感器的電導率隨空氣中臭氧氣體濃度的增加而增大。MQ131連接電路（見圖1）即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號（0～5 V）接于單片機系統的模擬量輸入端。

2.3? DH11溫濕度傳感器模塊

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，測量范圍為濕度20%～90% RH，溫度0～50 ℃并與一個高性能8位單片機相連接。因此該模塊具有超快響應、精度高等優點，與單片機系統采用同步單總線雙向傳輸模式。本模塊共有3個接口，分別是正負極電源與數據傳輸口，數據傳輸口與單片機的模擬量輸入口連接。

2.4? GPRS模塊

遠程監護中，數據通信是重要的組成部分。而通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）是目前解決移動通信服務的一種完美的業務，其以數據流量計費、覆蓋范圍廣泛、數據傳輸速度快等優點而得到廣泛應用。GPRS無線模塊作為GPRS終端的無線收發模塊，把從TCP/IP模塊接收的TCP/IP包和從基站接收的GPRS分組數據進行相應的協議處理后再轉發。

2.5? 系統工作原理

當環網柜內部發生局部放電時，臭氧傳感器將會檢測到局部放電時候所產生的臭氧，經控制電路把物理信號轉換為電信號傳入單片機系統，單片機的軟件系統通過計算會得出一單位時間內（查資料所得，臭氧在常溫常態下的半衰期為40 min，軟件設定每10 min采集一次數據，以40 min為單位時間）臭氧的平均濃度。在監控臭氧的同時，單片機也在監控著溫度，當溫度超過設定值時，單片機系統也會向監控人員發送報警短信，讓監控人員第一時間了解環網柜中的狀況。

3? ? 程序設計

本系統共采用了兩種計算機語言來分別控制Arduino單片機系統與GPRS模塊。

3.1? Arduino單片機系統語言

Arduino語言實際上是建立在C/C++語言的基礎上的，本質也就是基礎的C語言，Arduino語言只不過把AVR單片機（微控制器）相關的一些參數設置函數化，把單片機的一些功能的實現過程封裝成模塊，供使用者直接調用。使得不用去了解單片機的底層硬件驅動，儲存位置等。這樣極大地減輕了使用者的編程負擔，提高了編程效率。

3.2? GPRS模塊系統語言

AT即Attention，AT指令一般應用于終端數據設備（GPRS模塊）與PC、單片機應用之間的連接與通信。AT指令集是從終端設備或數據終端設備向終端適配器或數據電路終端設備發送的。

本系統單片機通過物理串口引腳與GPRS模塊串口引腳相連接，單片機通過串口將AT指令與數據傳送到GPRS模塊，以到達控制GPRS模塊向監控人員發送手機短信的目的。

3.3? 整體程序結構

本程序分為初始化程序、主程序以及短信發送子程序。初設化程序主要用于定義程序所涉及的變量，用于被電腦監控的通信串口的波特率以及用于與GPRS模塊通信串口的波特率。

子程序包括短信發送子程序gsm__msm（String text，float ）與溫濕度采集子程序：短信發送子程序內容為一系列使用單片機串口發送函數mySerial.printIn（）發送出去的AT指令，通過這些AT指令的組合，可以控制GPRS模塊發送信息。溫濕度采集子程序作用是把溫濕度模塊中的8位數值依次采集轉化為十進制的數值。主程序的主要任務是采集臭氧、溫濕度等數據。采集完成后，把在某時段內采集到的臭氧、溫濕度平均值與預先設定的安全值作比較，如果平均值大于預先設定值，則調用短信子程序，通過GPRS模塊把相應的報警短信發送到監控人員的手機上，從而監控人員可以對此電力設備進行相應的處理，再結合報警短信中包含的臭氧、溫濕度的數據，讓監控人員可以初步判定放電的程度。

4? ? 模擬實驗

實驗內容有如下兩點。（1）把溫度報警值設置為40 ℃，將溫度傳感器靠近火源，模擬溫度升高。并在電腦串口監視器中監視各設備的工作狀態。（2）將臭氧報警值設置為0.02 mg/m3，低于大氣平均質量濃度，模擬臭氧升高。并在電腦串口監視器中監視各設備的工作狀態。

5? ? 結語

文章研究了利用臭氧放電檢測原理現實的10 kV環網柜放電在線監測系統，該系統成功地將臭氧檢測技術與GPRS無線傳輸技術相結合。模擬實驗也進一步證明了此系統是可行的，此系統可以很好地防止電力設備放電所引起的事故的發生，減少經濟損失。目前已經完成了樣機的研制，下一步準備把系統模塊做成樣機，試點到放電黑點環網柜室，進行進一步的測試與改進。如果有機會的話，希望能夠與廣達等高壓環網柜生產商合作，在這基礎上研究和開發柜內放電在線監測系統，這樣檢測的精度性與時效性將大大提高。該系統具有方便、靈活、成本低、體積小、功能強大等特點，具有良好的市場前景。

[參考文獻]

[1]文軍，何為，李春輝，等.高壓電力設備放電在線監測系統[J].電力自動化設備，2010（12）：135-139.

[2]韓曉，冰韓，冰孫弋.基于嵌入式系統的GPRS數據終端設計與發展[J].儀器儀表學報，2006（6）：675-677.

[3]MICHAEL MARGOLIS.ARDUINO COOKBOOK[M].Mauritius：OReilly Media，Betascript Publishing，2010.

[4]程晨.Arduino電子設計基礎實戰指南零基礎篇[M].北京：機械工業出版社，2013.