基于多传感器监测的便携式带电开关柜智能语音报警系统

曾志辉,卢贞如

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作454000)

0 引 言

高压开关柜是供输电环节的重要设备，在整个电力系统中有着重要作用。在电力系统的发电、供电各环节的高压部分，因维修人员误入带电间隔引发的触电伤亡事件屡见不鲜。

陈炳贵等[1]所设计的防误入带电间隔报警装置实现了带电检测和误入间隔检测功能，但缺少实时监控人员位置的测距播报模块；郑家建[2]所分析的高压开关柜带电检测技术保障了整个高压开关柜的稳定运行，但缺乏对环境参数的监测。以上研究都实现了电力开关柜的预警功能，但都仅对开关柜的某一环节进行检测，对整体操作过程中的安全预警并不理想。

为解决人员误入带电间隔而引发事故这一问题，本文设计一款基于多传感器监测的便携式带电开关柜智能语音报警器，该设备能够实现人员误入带电开关柜的预警报警功能和开关柜内三相电线接头温湿度的实时监测。在高压带电传感器判断开关柜为带电状态的前提下，利用热释电红外传感器和超声波测距判断人员与设备的位置距离，通过HW3000无线控制模块控制语音报警系统，使其完成语音播报提示与预警；同时由温湿度检测电路实时监测带电开关柜内三相电线接头处的温湿度，避免因温度过高而引发火灾，从而提高电力操作安全性和可靠性。开关柜智能报警系统配置方式灵活、操作简单，能够有效防止电力事故发生[1-3]。

1 系统硬件组成

图1为基于多传感器监测的便携式带电开关柜智能语音报警系统硬件结构框图，其中高压带电传感器用于检测开关柜是否带电;电磁继电器主要用于控制电路的切换，控制报警器的启停。电磁继电器通过微处理器控制，在开关柜带电的前提下，当人体与开关柜距离过近，产生警报信号时，启动电磁继电器，实现报警器的启动。在高压带电传感器判断开关柜处于带电状态时，若人体进入带电开关柜检测区域，超声波测距模块将测定人体与本设备的距离；热释电红外传感器确定人体具体位置；设备主控制使用HW3000无线控制模块作为控制核心;由HW3000无线控制模块控制语音报警系统；语音播报模块进行语音提示与警告；温湿度检测电路获取间隔时间段内带电开关柜的温湿度数值，防止带电开关柜温湿度过高并及时报警[4-5]。

图1 系统硬件结构框图

1.1 主控电路设计

智能语音报警系统主控单元采用HW3000无线控制模块作为微处理器，主要接收高压带电传感器监测的电压信号、红外热释电检测的人体位置信号、超声波传感器检测的距离信号以及带电开关柜内三相电线接头处的温湿度检测信号，控制语音报警系统，实现系统报警预警功能。系统中语音报警系统驱动信号，超声波测距以及红外传感器、温湿度传感器分别通过SPI、单总线、IIC的通讯协议和单片机通讯，其主控单元电路最小系统如图2所示。

1.2 人员误入语音报警系统设计

人员误入语音报警系统由HW3000无线控制模块作为主控制，主要获取并处理来自各个传感器发送的数据。无线控制模块的输入信号有来自热释电红外传感器[6-7]、超声波测距、带电传感器以及电磁继电器发送的数据信号，输出信号有无线传输信号，主要通过SPI口实现。在设备背部嵌装环形磁铁，可直接吸附于开关柜上。在设备内部安装一个超声波测距传感器、两个热释电红外传感器和一个高压带电传感器，传感器模块安装在设备的正面，将所测得距离信息发送到HW3000无线控制模块进行处理。

图2 主控单元电路最小系统

Fig.2 Minimum system of main control unit circuit

1.3 系统监测模块设计

高压带电传感器由3个传感器和1个显示器经导线连接组成，用于判断开关柜的带电状态。额定频率50 Hz，3个端子分别接入高压电的A，B，C三相电，3个端子的输出以串联方式相互连接，保证电路的安全性。输出端口out连接微控制器，作为检测端口。

系统中热释电红外传感器用于确定人员具体位置，超声波传感器测量人员距带电开关柜距离，其各个监测模块具体数据参数如表1所示。

表1 各监测模块参数

1.4 温湿度检测预警系统设计

在带电开关柜的三相电线接头处分别放置3个温度监测点和3个湿度监测点，经过一定时间间隔，测定6个监测点的温度和湿度数据，由主控制模块将温湿度数据值输入到温湿度检测电路，再发送给信号处理电路，同时将所测得的温湿度数值与预设标准范围相比较。

当所测数值不在预设标准值范围内时，将带电开关柜温湿度数值发送给与运监部门显示器连接的输出显示模块上，同时反馈给HW3000无线控制模块，通过语音报警系统启动语音播报模块进行报警，实现防止开关柜过热而引发火灾的功能。温湿度检测预警系统框图如图3所示[8-10]，其中温湿度传感器分别采用ADT7420温度检测模块和SHT30湿度检测模块。

1.5 检测信号无线传输电路设计

HW3000模块基于高性能的HW3000芯片构成，应用于射频信号天线的接收发射。HW3000模块接收灵敏度为-114 dBm，对于信息的存储与发送也具有高稳定性与高精准性。该模块在系统设计中主要用于对传感器信号的接收和处理，其电路如图4所示。

图3 温湿度检测预警系统框图

图4 检测信号无线传输电路

2 系统软件设计

系统软件设计主流程如图5所示。在高压带电传感器判断开关柜为带电状态时，系统开始工作。通过人体红外传感器和超声波测距传感器获取人体位置信息，运行主控电路启动报警预警系统，与此同时检测目标人员是否还在检测区域，若检测到，则继续循环；若未检测到，停止运行。

图5 系统主流程图

图6为热释电红外传感器测距流程图，是在主流程图的基础上，描述人体红外传感器的具体工作过程。此过程包含单片机延时技术，为确保检测过程中的实时性和准确性，设定延时参数delay为50 ms。

图6 热释电红外传感器测距流程图

温湿度检测预警系统流程如图7所示，每隔一定时间(一、三季度2 h，二、四季度30 min)，测定三相电线接头处的温度和湿度，再将所测得的接头处的温度和湿度值与预设的标准温湿度值进行对比，当所测数值不在预设标准值范围内时，将开关柜温湿度发送给运监部门显示器，同时报警；当所测数值在预设标准值范围内时，循环此过程。

3 系统测试

为了检验系统的可靠性和实用性，在某变电站高压开关柜内进行测试：10 kV KYN28-12型高压开关柜，天气多云，室外气温27 ℃，室内温度32 ℃。在上述条件下进行HW3000无线模块测试、人体距离报警测试和温湿度预警测试。图8为系统实物测试图。

3.1 HW3000无线模块测试

由HW3000发送模块发送3组温度信息，将HW3000接收模块串口打开，测试是否可以准确接收到温度信息。经检测，该模块功能良好。

图7 湿温度检测预警系统流程图

图8 系统实物测试图

3.2 人体距离测试

将该报警设备放置在开关柜上，出于安全考虑，使用人体模型进行报警测试，测量结果如表2所示。

表2 人体位置检测数据

图9为表2测试结果的数据柱状图。由图9可知，当人体进入检测区域(开关柜带电间隔前的5 m距离内)时，无论距带电开关柜的距离远近，人员误入报警系统都会执行播报警告。

图9 测试距离与预警报警图

3.3 温湿度预警操作测试

在开关柜三相电线接头处分别设置3个温度结点和3个湿度结点，进行结点处温湿度报警测试，测试结果如表3所示。

表3 温湿度检测数据

由表3可知，当开关柜三相电线接头至少一处的温度大于预设的40 ℃时，设备会执行报警操作；当开关柜三相电线接头处至少一处的相对湿度大于预设的95%时，设备也会执行报警操作[11-13]。

4 结 语

设计了一款基于多传感器监测的便携式带电开关柜智能语音报警器，可以降低电力系统发电、供电各环节高压部分中因维修人员误入带电间隔导致的人身伤亡以及开关柜过热造成的火灾和大面积的停电事故。该设计利用热释电红外传感器和超声波测距判断人员与设备的位置距离，通过HW3000无线控制模块对语音报警系统的控制，使其完成语音播报提示与预警。与现有同类成果相比[14-17]，该系统不仅能够快速准确地对人员误入带电间隔进行预警/报警，而且还可进行带电开关柜的实时温湿度检测，避免因温度过高而引发火灾，从而提高电力操作安全性和可靠性，防止电力事故发生。通过试验可知，设计的整个系统具有良好的可靠性，实用性强，可行性高。