海上平臺低壓配電開關柜智能監控系統設計與研究

魏曉豐 吳長虎 張永佳

（中海油能源發展裝備技術有限公司）

0 引言

實際上，低壓配電開關柜可通過變壓器的應用，確保線路中存在的高壓電向低壓電進行轉化，隨后通過低壓柜向不同配電箱中傳輸電能，最終實現電壓轉化。海上平臺低壓配電開關柜運行環境較為特殊，往往會受到較多不良因素影響，導致低壓配電開關柜存在故障問題。為實現低壓配電開關柜的良好運行，需要配備智能監控系統，對其進行實時監控，因此設計出更加高效的低壓配電開關柜智能監控系統意義重大。

1 海上平臺低壓配電開關柜智能監控系統結構

海上平臺低壓配電開關柜智能監控系統主要由以下幾部分構成： （1）主計算機。通過主計算機的應用，監控配電及控制設備，了解各種元器件的運行情況，并且還能實現對各個設備及元器件的保護及通訊，該部分可以是離散控制系統，也可以是工控機系統、PC機等。（2）智能型低壓配電以及控制設備。該部分主要是智能型控制器，也可以是低壓配電及控制設備，其中帶有通訊接口。 （3）通訊網絡［1］。對于通訊網絡，為滿足實際需求。應有相應網卡，還應具有主機接口。為便于對網絡進行監控，設置網絡從站監控器。具體運行環節借助主機接口，實現主計算機功能，對通訊網絡加以控制。而其中包含的網絡從站監控，實際上是一種控制器，主要進行二級網控制。在該結構的應用下，可使主計算機更加快速地訪問配電系統，促進監控能力的有效提升。

2 海上平臺低壓配電開關柜智能監控系統功能

結合海上平臺工作環境及實際需求，進行低壓配電開關柜智能監控系統設計時，應確保其滿足以下功能要求：（1）通過智能監控系統，進行低壓配電開關柜各項工作參數的在線測量，包括電能、電壓、有功功率、電流等；對斷路器運行情況，能夠實現在線檢測；對低壓開關柜進行控制，實現斷路器的分閘與合閘操作。（2）能夠實現越限報警，診斷存在的故障問題。當低壓配電開關柜存在電壓、電流值異常等問題時，能夠發出報警，同時對于一些故障問題，可進行有效診斷。 （3）具有故障記憶。當低壓配電開關柜發生故障時，智能監控系統的主體能夠將故障類型記錄下來。（4）可實現數據通信。智能監控系統能夠向工控DCS系統實時上傳在線監測獲得的數據信息，進而使操作人員更加詳細地掌握配電系統運行情況，實現科學調控。

3 海上平臺低壓配電開關柜智能監控系統設計研究

3.1 總體設計思路

海上平臺低壓配電開關柜智能監控系統設計環節需重點設計三個部分，分別是工控上位機、智能測控保護單元和監控智能通訊接口。其中，工控上位機主要是存儲并處理現場信息，同時借助人機界面監管低壓配電開關柜，通訊方式為PROFIBUS-DP網絡。智能測控保護單元主要是測控現場設備間隔層，并對其進行保護。而監控智能通訊接口主要是在網絡信息通道的應用下，對監控單元傳輸的信息進行收集，并進行控制命令下達。該部分主要通過RS-485，與智能測控單元進行通訊。由于在PROFIBUS-DP網絡中，智能從站節點屬于較為關鍵的組成部分，所以，在總線系統軟件上，主要涉及以下幾方面：第一部分為主站軟件；第二部分為智能從站軟件；第三部分為監控軟件。完成智能從站節點設計后，節點中各項參數會轉變為數據庫文件，入組態軟件STEP 7通過這些文件可向通訊網絡中配置智能從站節點。

3.2 硬件設計

（1）模擬量信號采集模塊

1）互感器。本文設計的智能監控系統為交流采樣，互感器選擇時，應使交流電壓變為電流信號，且峰值為5A，從而進行采樣使用。本設計選用的是WB系列電量傳感器，精度為0.1級，并且具有以下特點：①精度高、無漂移；②無需輔助電源；③頻率響應范圍在25～5kHz，在工頻交流采樣中較為適用；④能夠進行0～120%標稱輸入值的線形測量；⑤可在－10～＋70℃環境中工作。

2）電子變壓器電路。用電參數傳輸通道中，為實現數據良好傳輸，應配有信號調理電路。運行中，應消除信號干擾，確保信號幅值滿足實際需求。隨后，實現A／D轉換器對信號的順利接收，以便后續工作順利開展。進行模擬信號采集工作時，應通過小型交流互感器的使用，獲得處于＋5～－5V范圍的弱電信號，經過運算放大器，開展信號調理工作，同時完成濾波操作，并向A／D轉換電路中進行傳送。微型互感器體型較小，能夠置于印刷電路板中，通過全樹脂密封的方式，具有較高的隔離度。

3）低通濾波電路。系統出現故障時，電流及電壓中會存在諧波，為保證采樣質量，需要在采樣前對輸入信號最高頻率進行限制。實際設計環節，可選用有源低通濾波器，其截止頻率在150Hz左右，從而將高頻干擾去除［2］。

4）A／D轉換通道。選擇MAX197 A／D轉換器，其具有較高的集成度，能夠在一個芯片中集成A／D轉換器、采樣保持器與多路開關，能夠節省工作環節，減少硬件支出。該轉換器技術特性包括：僅需6ms就能實現有效轉換，采樣速度能夠達到100kbps；單一電源供電；精度為1／2LSB；可選擇外部時鐘，也可以選擇內部時鐘；存在8路模擬量輸入通道；輸出與輸入均能與TTL／CMOS兼容。

（2）數字信號采集模塊

1）開關量輸入回路。智能監控系統設計中，在低壓開關柜內，需要具有智能測控單元。工作時，對其所在斷路器、開關進行監控。輸入電路中，遙信觸電串聯存在，借助低通濾波器，進行高頻干擾濾除。電路中的電阻具有限流作用，能夠將電流控制在毫安級，確保其順利進入到發光二極管中。通過光電耦合器的應用，能夠隔離CPU總線與現場開關量，避免電信號傳送受到電磁干擾。

2）開關量輸出回路［3］。在設計環節，應注重以下幾點：①在跳閘電路設計上，為避免其受到不良干擾，選擇兩路I／O，其中一路發生干擾問題時，也不會輸出跳閘信號。②為提升裝置抗干擾能力，需要先對脫口信號進行隔離，再進行輸出。③經過運放比較，通過三極管BD237進行繼電器驅動，最終促使斷路器脫扣。

（3）液晶顯示模塊

智能監控系統液晶顯示模塊為OCMJ4×8C，選擇串行方式連接。這種連接方式下，只需5根連接線，即可實現主機與液晶顯示模塊的連接，分別為電源線、地線、CLK線、R／W 線、RS線。該液晶顯示模塊主要包括20個引腳，分別為VSS、VDD、VO、RS（CS）、R／W（STD）、E（SCLK）、DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7、PSB、NC、RST、NC、LEDA、LEDK。

（4）抗干擾電路

本文設計的智能監控系統中，通過以下抗電磁干擾方法，應對電磁干擾問題。1）濾波技術。本系統中，選擇低通無源濾波器作為模擬量輸入通道，以此避免低頻信號存在較大的衰減情況，濾除高頻信號。2）屏蔽技術。將需要屏蔽的區域，用磁性或金屬材料包圍起來，避免內外磁場相互干擾?？赏ㄟ^噪聲源屏蔽的方式，避免噪聲向外輻射；可通過屏蔽敏感設備，避免設備受到噪聲輻射場的影響。本系統中，選擇敏感設備屏蔽的方式，以免外部場對其產生影響［4］。3）系統電源。本文設計的智能監控系統中，擁有AC／DC電源變換功能。在該功能作用下，可滿足電網運行需求。當交流輸入電壓為85～265V時，可將輸出控制在5V或24V。從而避免出現過熱及短路問題。通過電氣隔離的方式，隔離輸入與輸出端。

3.3 軟件設計

（1）監控終端測量單元軟件設計

1）主程序軟件。對于整個智能監控系統而言，主程序屬于總指揮，其需要對各個程序流程進行控制，并且還需要銜接各子程序模塊。在科學調控各功能模塊下檢測、分析各項參數，確保各種控制功能的良好實現。通過綜合考慮，將主程序設定為以下流程：開始→CPU初始化→SPC3初始化→清看門狗→判斷CPU是否能夠接受到數據幀→處理數據幀→FLAGE＝1→處理采樣數據，若FLAGE≠1則進行故障針對，完成故障處理后，從SPC3初始化步驟重新開始。

2）交流采樣子程序［5］。該程序中，能夠實現捕獲中斷，并且還能實現定時器2中斷。中斷程序捕獲過程中，對于捕獲的信號頻率，做出處理。在定時器2中斷方面，啟動A／D轉換。并且在查詢功能作用下，判斷轉換狀態，最終獲得結果。定時器2周期中斷具有較高的優先級，而捕獲定時器優先級較低，若處于轉換狀態，不會對轉換產生影響，轉換結束后，才會進行捕獲中斷處理。本設計中，應進行A／D中斷屏蔽，定時中斷環節，對詢INT FLAG SEQ1狀態進行查詢，從而對是否完成轉換進行判斷，若完成則會讀出數據［6］。當采樣數高于20時，設置周期采樣標志FLAGE為1，進行定時器初始化，A／D轉換中斷返回。

（2）監控終端通訊單元軟件設計

1）SPC3初始化。該環節主要是設置SPC3中存在的寄存器，并開展相應計算等工作，初始化主要包含以下部分：①SPC3硬件復位；②硬件模式；③設置SPC3中斷屏蔽寄存器；④SPC3內部看門狗；⑤設置標識號和從站地址；⑥設置各緩沖區的長度；⑦獲取診斷和輸入緩沖區首地址；⑧啟動SPC。

2）從站數據接收程序。開展此項工作時，具體應完成以下工作：①在D緩沖區中錄入輸出數據，針對D、N緩沖區數據進行交換；②中斷DX＿Out；③交換N、U緩沖區數據，最終獲得U緩沖區的輸出數據。

3）從站數據發送程序。實際傳送輸入數據前，需要借助宏DPS2＿GET＿DIN＿BUF＿PTR（），從輸入緩沖區獲得相應數據，用戶能夠向SPC協議芯片中，進行數據的重復傳輸，同時獲得輸入緩沖區指針，得到新的輸入數據。輸入處理中，相應程序代碼為：

od＝xporta；／*獲得外部數據*／

（*（（io＿byte＿ptr）＋1））＝od；for（i＝0；iinp＿data＿len；i＋＋）｛*（（（UBYTE SPC3 PTR

ATTR*）user＿input＿buffer＿ptr）＋i）＝*（（io＿byte＿ptr）＋i）；／*將輸入數據寫入SPC3緩沖區*／｝

User＿input＿buffer＿ptr＝DPS2＿INPUT＿UPDATE（）；／*獲得下次輸入數據的緩沖區指針*／

4）SPC3中斷處理程序。該程序中，具體是通過PFOFIBUS-DP實現各種中斷事件：第一個事件，新的配置報文事件。第二個事件，新的參數報文事件。第三個事件，進入或退出數據交換狀態事件。第四個事件，全局控制命令報文事件等。本設計中，在中斷方式處理上，具體是設定從站地址，進而有效判斷參數的正確性。由于SPC3外部有一個輸出中斷信號，中斷控制器中的中斷寄存器、請求寄存器、屏蔽寄存器、應答寄存器分別只有一個。通過寄存器IRR存儲中斷事件，中斷信號未被IMR屏蔽，才會進入到IRR中。

4 結束語

綜上所述，新時期環境下，我國科學技術水平不斷提升，進一步提升了海上平臺低壓配電開關柜系統的智能化水平，并且也出現了較多功能更加齊全的電器元件。為保證海上平臺低壓配電開關柜高質量運行，應積極借助先進的技術手段，開展智能監控系統設計工作，促進低壓開關柜智能化發展的同時，為海上平臺工作提供系統支持，實現海上平臺工作的高質量開展。