变电站开关柜防误入预警系统

钱诚　潘翔　杜乾　王云承

摘 要：開关柜是一种应用于变电站内的特殊电气设备，因工作人员工作疏忽或安全保护措施不到位导致的事故时有发生。本文针对开关柜特点及供电公司已有开票系统，设计一套基于传感器技术、嵌入式技术与无线通信技术的开关柜防误入预警服务系统。系统通过安装于开关柜内的电场检测传感器、红外人体检测传感器、行程开关和检修标志传感器，实时监测开关柜状态，并在开关柜被非法操作时把监测信息发送到报警单元，由报警单元进行现场语音提示、现场声光报警和远程GSM短信报警。

关键词：无线通信技术、传感器技术、嵌入式、报警系统

1引言

开关柜是一种应用于变电站内的特殊电气设备，在操作开关柜实时有严格的要求，但是由于现场检修人员缺乏安全意识及开关柜缺乏配套保护装置，导致误操作事故及误入带电开关柜的事情时有发生。

针对以上间隔操作管理中遇到的问题，基于当今快速发展的物联网技术，结合传感器网络、网络通信等方面多年的技术积累，设计了一套变电站间隔防误入预警系统，在操作人员误入带电间隔前，给出声光预警提示，同时系统可以扩展到远程短信预警。

2系统总体设计

系统由现场感应装置、监测主机及报警装置三部分组成。其中现场感应装置由触点监测、开门感应、人体感应及误入监测装置组成，监测主机通过对感应装置数据的处理实现对现场环境的实时把控，当现场出现误操作或者误入间隔的情况时，主控装置通过无线系统向报警装置发送报警信息，报警装置接收到现场主控装置的报警信息后，根据报警情况，通过短信、语音和声光系统，实现报警功能。

3系统硬件设计

根据系统功能对整个系统进行总体设计，并进行模块划分，将系统主要分为2个模块：检测主机模块、报警主机模块。

3.1检测主机模块：

检测主机模块主要包括红外人体检测、电场强度检测及无线通讯单元。

（1）红外人体检测传感器为D203S红外热释电人体检测传感器，信号处理采用EG4002芯片。D203S输出的检测信号接入到运放的反相输入端，使第一级运放工作于反相比例放大状态，第一级增益参数是由R2和R3进行设定，绝对增益为A1=R3/R2，第一级运放增益A1=R4/R8，第二级A2增益为固定30倍，总体增益为A=A1*A2，用户可以根据红外热释电探头特性适当调节A1的增益改变探测的距离，图中的C10为隔直电容，C8为高频抗干扰滤波电容。

EG4002工作频率是通过R11和C13进行设定，近似的工作频率和电阻电容之间关系由公式 （电阻单位为K，电容单

位为nF， Tosc 单位为uS），频率f=1/Tosc确定，如R11=100K，C13=1nF 时， 对 应 的 工 作周 期 为T=0.4×100×1×1.25=50uS，振荡器频率为f=1/T=20KHz。选择上拉电阻R11时，需大于100K以上的电阻。

EG4002信号输出端通过限流电阻R6与主控单元P1.5相连，实现对人员活动信号的监测，EG4002的A引脚通过上拉电阻R10与主控单元的P1.6引脚相连，实现对EG4002触发方式的控制，EG4002的VC引脚通过上拉电阻R12与主控单元P1.7引脚相连，实现对EG4002芯片的使能控制。

（2）电场强度检测单元采用GM3120传感器，传感器输出为模拟电压信号，运放及ADC转换电路，转换为对应的数字信号，并通过查表方式计算出对应电场强度值。

其设计电路如下图1所示：

（3）无线自组网数据传输方式：无线传输模块采用JTT-433-UDI 嵌入式微功率SPI接口透明传输模块，本模块通信频率可在400MHZ到480MHZ之间随意设定，可以超低功耗和自休眠，中断唤醒等特点，在没有数据传输时系统能自动进入休眠模式，当接收到传输中断之后会自动唤醒，无需外部软件和硬件参与，使得在设计硬件电路时无需过多考虑其与主系统之间的硬件和软件设置，只需要分配一个SPI与模块相连和基本的软件设置即可，大大减低了系统的设计难度和程序的编写量，使得系统设计更简单灵活。

3.2报警主机模块：

报警主机模块主要包括语音提示、声光报警及短信报警单元组成。

（1）现场语音提示单元以维创科技的ISD1700作为语音处理芯片，芯片可以实现多段语音的录制与播放，并可通过通信接口实现不同语音的切换。如下图电路中U13为语音录放芯片ISD1700，主要用于实现语音的录制、存储与播放。U2为蜂鸣器，用于实现语音的播放功能，其引脚分别于ISD1700芯片的SP-和SP+引脚相连。C5和C6为芯片电源输入端滤波电容，R3、R5、R6、C7、MK1、C13和C14组成录音电路，实现报警语音的录制功能，按键S3为录音选择按键，当按下S3按键时，系统进入录音功能。图中R7与芯片Rosc引脚相连，用于设定芯片的工作频率，C16与芯片AGC引脚相连，用于设置芯片自动增益大小，AGC若直接接到地，则增益为最大，若直接接到Vcca，则增益为最小。按键S1、S2分别用于擦除已录制的语音内容和复位语音芯片功能。ISD1700芯片的FWD引脚通过R1上拉电阻与控制器的P1.4引脚相连，用于实现不同播报语音的选择。PLAY引脚通过上拉电阻R2与控制器的P5.2引脚相连，用于实现语音的播报功能。

（2）短信提示单元采用SIM900A模块，其AT指令与标准AT指令相同，同时采用PDU的数据格式进行发送和接收数据。

4系统软件设计

变电站开关柜防误入预警系统基本工作流程为：监测—判断—预警。

系统通根据工作票系统确定待检测开关柜位置，并在待检测开关柜门指定区域安放待检测标志，监测系统检测开关柜指定位置是否安放待检测标志，确定开关柜是否允许操作，在开关柜禁止操作状态时，无论开关柜是否带电，如果开关柜被操作，系统会通过远程短信、现场语音及声光系统报警。如果开关柜处于允许操作状态，且开关柜带电情况下，现场操作人员不允许操作开关柜后门，在操作开关柜前门时须在箱门打开后规定时间内关闭开关柜门，否则系统依然会启动远程短信、现场语音及声光报警系统。

5结语

本系统结合供电公司原有开票系系统，利用传感器技术与无线通信技术，实现对开关柜内电场强度检测、开关柜状态及检修状态实时在线监测，能够为现场开关柜检修人员提供可靠的开关柜状态信息，确保现场检修工作安全进行，并在检修人员误操作开关柜时使给出报警提示。

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