電網監測設備設計

金灣灣，夏 靖，劉 鋼，周 暢

（武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205）

0 引 言

電網監測設備用于監測指定部位的電網電磁環境，通過對電網環境進行在線監測，掌握重點部位的實時電磁環境狀態，工作人員能夠有效掌握設備因長期使用而出現的電氣性能衰減現象。綜合評估監測現場的電磁環境，以便采取應對措施。突發電磁干擾問題時，也能通過系統性分析監測數據，提供輔助診斷意見，結合電磁干擾控制技術，在潛在干擾部位安裝電網監測單元，實現電磁干擾的源頭控制功能。

1 系統方案設計

充分考慮監測部位擴展的電網環境監測需求，采用開放式、分布式的體系結構設計以及網絡化的數據接口設計，使電網監測設備具有較強的適應能力、對接能力和擴展能力。電網監測設備由電網監測單元和電網監測控制臺組成。電網監測單元負責采集、處理、分析電網上的各類信息，并將處理分析得到的電網數據上傳至電網監測控制臺，控制臺上可以集中顯示電網監測數據。在人機交互界面，可以管理電網監測數據，查詢歷史數據，干擾輔助診斷等。此外，還為設備設計了耐沖擊、振動防護、電磁兼容以及箱體熱平衡等功能。

2 電網監測設備樣機組成

電網監測設備樣機由1臺電網監測單元和1臺電網監測控制臺（樣機研制中以電腦代替）組成，電網監測軟件安裝在控制臺上，可以通過增加電網監測單元的數量實現監測部位的擴展。

2.1 電網監測單元

電網監測及濾波裝置主要由集成模塊、指示燈、熔斷器以及總體電網濾波模塊等組成，集成模塊將相應的控制采集模塊、電源模塊以及傳感器模塊等進行硬件集成，可以實現供電管理和信號采集，并提供接口電路，同時將采集到的信息上傳給上級系統。

電網監測單元安裝在待測配電箱的前級，其作用是接收電網監測控制臺下發的監測指令,監測電網信息品質及傳導干擾狀態。監測對象包括電壓有效值、電流有效值、電壓波形畸變率、電網低頻與射頻的傳導發射以及電網電壓線間的尖峰電壓，同時抑制穩態和瞬態傳導干擾。

圖1為電網監測單元電氣系統原理框圖，從功能上分為電源進線電路、直流穩壓電路、信號采集電路以及數據通信電路。設備外部輸入相應電制的工作電源，經電源濾波器濾波后進入集成模塊的電源模塊；經過電源模塊的濾波、轉換以及穩壓等處理后輸出直流12 V供給控制采集模塊，再由控制采集模塊轉換輸出直流15 V電源供給電網傳感器模塊；傳感器從濾波器上采集電網參數模擬信息，經模數轉換等處理后上傳給控制采集模塊，控制采集模塊將獲得的電網參數信息處理后經以太網上傳給上級系統；上級系統可以通過以太網下達工作/停止指令，遠程控制電網監測單元的工作狀態。

圖1 電網監測單元原理

2.2 電網監測控制臺

電網監測控制臺主要安裝電網監測上位機軟件。如果工作環境有需要，則可設計控制臺，改用加固機等。電網監測軟件包括運行在電網監測單元的監測分析程序和運行在控制臺的上位機程序。上位機程序主要包括電網環境分析顯示模塊、干擾輔助診斷模塊以及歷史數據檢索分析模塊。

分析顯示模塊可以處理監測單元上傳的代碼文件，以便直觀顯示；干擾輔助診斷模塊可以在發生電磁干擾時，通過系統性分析電網監測數據，結合電磁干擾閾值實現干擾的輔助診斷功能；在電磁環境歷史數據檢索分析模塊，工作人員可以按照檢索時間、部位等回放電網監測的歷史數據。電網監測設備的軟件組成如圖2所示。

圖2 電網監測軟件組成

3 樣機耐沖擊振動、電磁兼容及熱平衡設計

在船用等惡劣環境中使用電網監測設備時，需要考慮耐沖擊、振動防護設計、電磁兼容防護設計以及箱體熱平衡設計。

3.1 耐沖擊、振動防護設計

實現抗沖擊技術主要有阻尼和平衡兩種方法。阻尼就是增加加速度的衰減速度，使其減小到運動和支撐部件可以承受的范圍；平衡就是使加速度產生的慣性力能夠相互抵消。斷路器的運動部件采用平衡和阻尼結合的方法，主要針對脫扣板和鎖扣，支撐部件采用結構加強來保證強度和剛度。

設備的外殼需要滿足抗沖、振動以及整體強度的要求。硬鋁合金因具有相對密度小、質量輕及強度高等優點，在航空航天等領域應用非常廣泛，因此可用作本項目的外殼防護材料。其具有足夠的耐機械沖擊性，加工工藝成熟，能夠保證質量。為滿足船用電器耐振動的需求，控制箱背部采用菱形四組隔震器的設計，用阻尼的方法實現抗沖擊。

3.2 電磁兼容性防護設計

電網監測設備是用來監測電磁環境的設備，對電磁信號較為敏感，屬于易受干擾的電子設備，且處理的信號中有較多弱信號，針對該系統的工作特點，采取以下電磁兼容設計措施。一是系統內各設備均選用低輻射板卡和器件，輸入電源均經軍用EMI濾波器濾波，電源濾波器與機箱可靠搭接。二是系統內各設備的機箱除有特設要求外均采用鋁合金材質，設備外殼邊角盡量設計成一定弧形。機箱表面盡量減少開孔，必須的開孔應避免采用與板卡平行的長孔。系統內各設備的機箱均采用較充分的屏蔽措施，機箱接縫處采用導電橡膠或屏蔽絲網加強電連續性，通風孔處采用通風波導屏蔽，系統內各設備的機箱均可靠接地。三是所有直流電纜在連接器處均采用周向屏蔽，設備內部電纜采用加套磁環和屏蔽護套等措施，電纜的敷設盡量避開電力電纜等。四是電網監測設備在布置時盡可能遠離強輻射干擾源，電纜應遠離大功率電力電纜。五是設計軟件的抗干擾，增強軟件的健壯性和容錯性。

3.3 箱體熱平衡設計

熱源的熱平衡主要分為對流、傳導與輻射。為減小設備產生的噪聲，在熱平衡設計時該設備主要采用熱平衡分層及傳導散熱的方式。

下層主要的發熱器件濾波器緊貼箱體底部和側壁，箱體背部設計有橫向的散熱齒，通過熱傳導將熱量導入箱壁和外部，實現對流散熱。上下箱體之間沒有大面積直接接觸，濾波器與上層箱體存有間隙，并不直接接觸，因此下層箱體對上層箱體的影響較小。

上層的主要發熱元件為電源模塊和控制采集模塊的中央處理器（Central Processing Unit，CPU），它們分布在不同位置，使設備內部熱量盡可能均勻，避免高功耗芯片相互熱影響。電源模塊緊貼箱壁固定將熱量導向箱壁散熱，控制采集模塊帶有導熱板，通過導熱板將熱量從CPU帶走，導向箱體。箱體側壁開有散熱齒，增大散熱面積從而提高散熱效率。

通過仿真軟件仿真箱體的熱平衡狀態，其表面溫度結果如圖3所示。箱體外表面溫度最高處為濾波器下方與箱體接觸的地方，最高溫度約為31.2 ℃。箱體內部溫度分布如圖4所示，濾波器表面最高溫度位于濾波器上側，約為33.8 ℃，控制采集模塊最高溫度在芯片處，約為50 ℃。通過熱平衡仿真，可以看出整體的最高溫度出現在控制采集模塊的CPU芯片部分，約為50 ℃，控制采集模塊芯片能承受的最高溫度約為70 ℃，因此該設計滿足要求。

圖3 箱體表面溫度仿真

圖4 箱體內部溫度仿真

4 結 論

為了實現對重點部位電網電磁環境的監測，本文設計了一套電網監測設備，可實時掌握電網電磁環境的狀態，綜合評估電網環境，突發電磁干擾時，通過對監測數據的系統性分析，提供輔助診斷意見，且結合電磁干擾控制技術，能實現電磁干擾的源頭控制。同時，對電網監測設備樣機本身設計了耐沖擊、振動防護、電磁兼容性防護以及箱體熱平衡功能。