变电站开关柜状态及有害气体监测报警系统研制与应用

乔向阳　刘明春　李少勇　王嗣常

摘 要：變电站开关柜管理工作是安全生产的重要工作之一，对开关柜工作状态和开关柜内有害气体监测是防止工作人员检修开关柜时受到伤害的有效辅助手段。本文介绍了一套针对开关柜工作状态及工作过程中可能产生的有害气体的监测系统，本系统基于传感器技术、嵌入式技术和数字通讯技术，实现对开关柜状态及柜内有害气的有效监测，有效保护开关柜检修人员及设备安全。

关键词：开关柜；有害气体监测；嵌入式技术

1、概述

随着我国现代化经济的迅猛发展，电网容量的不断增加，为保证电网的输配电质量，电力系统对输配电设备提出了越来越高的要求。从早期的水泥间隔式开关柜到固定式开关柜，再到落地式手车开关柜，一直发展到现在的中置式开关柜，开关柜的性能逐步提高，尤其在开关柜的防止误操作和保证设备及维护人员安全方面更是得到了一定的发展及完善。但是因为带电间隔导致的人身意外伤害事故依然时有发生，在电力系统的异常事故中，误操作事故、误入带电间隔造成的人身伤亡、设备损坏、系统停电事故比例占绝大多数。

针对以上存在的问题，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，设计一套变电站开关柜状态及有害气体监测系统，实现对开关柜状态及柜内有害气的有效监测，有效保护开关柜检修人员及设备安全。

2、系统功能介绍

变电站开关柜状态及有害气体监测系统安装于变电站内开关柜系统中，用于实现对开关柜工作状态、开关柜内有害气体和是否有人员进入开关柜进行监测，从而确保检修人员能够在安全的工作环境进行检修公共，保证检修人员人身安全和变电站内设备安全。

监控主机通过各传感器单元对开关柜监控结果确定所采取的具体操作，如：当有害气体监测单元检测到开关柜内有害气体超标，监控主机会启动风扇，将开关柜内有害气体排除柜外，确保开关柜内环境适合检修人员正常工作。当控制器检测到检修人员进入带电开关柜内室，系统启动报警功能，提示检修人员所检修的开关柜带电，须立即停止操作。

3、系统硬件设计

系统由电源管理单元、主控单元、有害气体监测单元、风扇电机驱动单元、开门状态监测单元、人员活动监测单元、RS485通讯单元和报警单元组成。

3.1电源管理单元设计

电源设计是整个系统设计的基础，电源设计的好坏直接影响着终端设备能否实现设计目标，因此，系统采用较为成熟可靠的设计电路，作为本终端设备电源管理单元。本系统的电源共有DC12V、DC6V、DC3.3V以及VCC_485四部分组成。其中DC12V为外部电源输入，为整个终端提供系统工作电源。DC12V经由开关稳压芯片LM2596稳压，获得DC6V电源，用于驱动风扇电机和有害气体监测传感器。DC6V经过线性稳压芯片AMS1117芯片稳压到DC3.3V，为主控系统和其他传感器提供电源。DC3.3V经过电源隔离芯片B0505S和LP3985芯片，获得VCC_485电源，为RS485通讯提供独立的电源，从而减少因系统电源温不稳影响RS485通讯系统正常工作。

3.2主控单元设计

终端选用ARM公司的STM32F105RBT6作为控制芯片，本芯片采用较为先进的Cortex-M3内核，并结合丰富的外设接口可以很好满足设计需要，从而使电路设计更加简单。其256K字节的闪存程序存储区，使其能够应用于较大工程文件系统中。

3.3有害气体检测及排气系统设计

系统通过MWA4218-0901传感器实现对开关柜内有害气体的检测，当开关柜内有还气体超过预设阈值时启动排气扇，将开关柜内有害气体排出。

有害气体监测系统原理如下图六所示，传感器MWA4218-0901把把检测到的有害气体浓度值转换为对应的电压值输入到终端接口JP1中，系通过把输入的电压信号经过运放电路之后输入到终端AD转换接口，终端把输入的模拟信号量转换为数字信号量进行处理，并与系统设置的阈值进行比较，当检测得到的有害气体浓度超过阈值，系统启动排气扇，将有害气体排出。

3.4开关柜状态、人员活动及报警系统设计

由于变电站开关柜经常有检修人员进行检修作业，因此对开关柜状态检测、开关柜内人员活动情况进行监测显得尤为重要。

首先，检测终端通过RS485通讯单元与开关柜控制器进行通讯，获得开关柜内触点带电情况，并判断开关柜箱门是否被打开，当开关柜内带电，且有人员进入开关柜内时，终端系统启动现场报警设备，提醒现场检修人员已经进入危险带电设备区，请立即退出开关柜。只有系统检测到开关柜内触点不带电情况下，才允许检修人员进入开关柜内。红外人体监测系统设计如下图2所示：

4、系统软件设计

变电站开关柜状态及有害气体监测报警系统的驱动程序采用模块程序结构。根据模块化软件设计要求，将系统驱动分为以下模块。

1）系统初始化模块：初始化主控芯片寄存器、I/O口、定时器、AD转换及系统中断方式。

2）开关柜箱门状态监测模块：检测开关柜箱门开/闭状态。

3）有害气体浓度监测及排气扇驱动模块：有害气体采集、AD转换、分析，排气风扇启动/关闭及排气量大小控制。

4）RS485通讯模块：驱动RS485通讯芯片，实现与开关柜主机通讯。

5）人员活动和报警模块：监测开关柜内人员活动信息，并根据检测结果启动/关闭报警单元。

5、结束语

本文设计的变电站开关柜状态及有害气体监测报警系统整合了最新的传感器技术与嵌入式技术，实现对开关柜内多参量、全方位、实时在线监测及安全高效的防误入预警提示功能，减少因工作疏忽导致误入开关柜事件的发生，提高现场工作人员工作安全性。

参考文献

[1] 李刚、林凌 著.传感器及其接口电路应用[M].电子工业出版社.2015.1

[2] 宋继成 著.变电站电气接线设计（第二版）[M].中国电力出版社.2014.4

[3] 王苑增、黄文涛、何宙兴等著.基于ARM Cortex-M3的STM32微控制器实战教程[M].电子工业出版社.2014.9