机房配电柜监控系统的设计研究

武盛

摘 要：配电柜监控系统的实现对于矿井供电系统的稳定有重要意义，在配电柜系统总方案设计的基础上，对电能计量电路硬件和通信程序、电能计量程序、短信报警程序和图像监视程序软件进行了设计，从理论上实现了对配电柜的智能监测。通过现成测試，证明了理论设计的可形性，为配电柜监控系统的智能发展提供了道路，同时减少了配电柜人员检测维修成本投入，值得推广。

关键词：配电柜;监控系统;电能计量程序;智能发展

0 引言

随着智能化的不断发展，矿井机械设备的自动化水平得到很大程度的改善，众多设备成为监测的对象，但是对于配电柜监测系统的研究缺颇少。配电柜作为电力网络稳定输出的源头，对电力系统的运行有重要的影响。目前对于配电柜的管理主要通过工作人员的检测实现，大量人力的投入并不能及时处理故障，当设备发生故障时，往往需要花费大量的时间进行故障排查和维修，成本较高。针对此现象，本文对配电柜微环境进行了监控系统的优化设计，在硬件以及软件设计的基础上，实现了对配电柜运行过程中各参数的监测和调控，通过现场测试，证明了此次方案设计的成功性，为配电柜智能化发展提供了依据。

1 配电柜监控系统设计总方案

机房配电柜是矿井重要的基础设备之一，其性能的优良直接影响到矿井电力网络的稳定性，随着自动化技术的不断发展，机房配电柜逐步向智能化方向发展，减少人员管理的同时，降低了人员值守的成本投入。配电柜智能化方向的发展必须依赖于监控系统的实现，良好的监控系统是实现设备监控及故障报警的重要途径，开展配电柜监控系统的研究，便于对配电柜运行状态中运行环境，设备参数等进行监控，通过监测数据可实现故障部位的准确定位和远程调控，方便操作的同时，提高了效率。

图1为配电柜监控系统整体方案框架图，从图中可以看出，对于多个配电柜监控功能的实现依赖于配电柜内嵌的WEB服务器，配电柜运行过程中电能信息都通过服务器终端进行采集，采集的信息通过外扩接口或无线模块传送至计算机，计算机通过以太网将内部数据传送至监控室进行监测，监控的原则采用架构双重化和手机APP共同实现，在WEB服务器技术的支持上，工作人员可随时观测配电柜运行的状态，且不受地域限制，通过C/S架构，工作人员可实现多台设备多个用户权限的监控，设备运行状态通过监控画面显示。当配电柜发生故障时，监测系统发出报警信号并保存故障信息，以图片和短信的方式进行提示，操作人员通过监控界面显示的故障信息，进行数据操作然后人工切除故障或通过算法和保护动作切除故障，系统自动切换至备用电源回路，从而保证了配电房正常运行。

2 主要硬件及软件设计

2.1 硬件系统电能计量电路设计

电能计量电路设计中，采用RN8302B型三相多功能芯片，兼容3线和4线，该芯片具有良好的过流、过压和相序的功能，且在进行电能功能测量时具有良好的性能。电能参数的读取通过总线获得，芯片可承受温度范围为-40℃-85℃之间，供电电压为+3.3V，在常温运行状态下，电流、电压的有效测量值精度最高。RN8302B型三相多功能芯片中晶振电路的频率为8.123MHz，可在电容负载15 pF下运行，对于通信电路的设计，以SDI作为输入端口，SDO作为输出端口，通过串联滤波器降低信号干扰，串联电阻为10Ω，电容为10pF，此外，将电源并联电容达到去耦的目的，内置电压以1.25V作为基准。

2.2 软件系统设计

软件系统的设计采用前后台编程进行优化，前台编程主要是中断程序的编写，后台编程一般为死循环程序编写，不同的前台程序运行时间不同，当每个任务都循环一次时，中断程序和死循环程序的响应时间决定了任务循环的运行速度。为了提高程序的运行时间，在程序编写时尽量删除延时语句，提高程序运行的稳定性。

软件系统的设计主要包括通信程序设计、电能计量程序设计、短信报警程序设计和图像监视程序设计。

通信程序设计的实现依赖于液晶触摸屏实现，利用DGUS配置工具，对通信界面进行设计，界面以格式图片进行显示。在系统配置中将波特率值设为9500bps，使得STM32与DGUS实现通信。通信程序的设计还包括触控设置，可根据自身操作状况进行触控功能的设置，通过修改参数完成数据文件夹的建立，操作人员也可根据自身状况设置触控区域的大小。

电能计量程序设计如下：当计量任务执行时，循环程序开始，SPI2和寄存器初始化，在校表数据清理后进行数据记录，存储在寄存器中，选择寄存器模式为常规全波模式，随后根据上位机命令进行测量模式的改变，如果电能不能顺利清零，则测量电能相关数据，将电能命令存储到文件中;如果电能清零失败，则将电能寄存器清零，随后进行电能数据的测量。

短信报警程序设计则是方便工作人员对系统运行状况进行监测，当系统监测到异常数据时，系统执行语句，发送短信报警，并执行预警任务中的其他子任务。

图像监视程序设计的实现通过SCCB通讯协议实现，在SCCB通讯协议下，程序运行同时实现定时器的初始化，LCD开窗，FIFO开始接受数据，随后监测上升沿次数，当检测到两次上升沿时，FIFO接受到的数据在LCD上显示，如果系统运行无错误，则将配电柜的监视图像存入SD中，随后将任务挂起。

3 系统运行测试

在硬件以及软件系统优化设计的基础上，进行系统运行测试，得到电路参数数据记录，参数设置为0.5L5A时参数A相的有功功率1023W，功率因数1，电流4.9A;1L5A时参数A相的有功功率542.3W，功率因数0.49，电流0.9A;1L0.1A时参数A相的有功功率11.25W，功率因数0.5，电流0.1A。

配电柜运行过程中容易出现高温现象，因此对运行过程中的温度进行了测量，利用安装在设备上的温度传感器进行温度的测量，在5V供电的基础上，调试温度传感器的灵敏度进行温度数据的测量，通过测量得到配电柜运行过程中的最高温度达到30℃，满足芯片等硬件设备的运行，不影响供电需求。

图2为预警录入界面显示图，界面左侧为主界面，在主界面可实现对配电箱门禁、时间记录和控制选项等功能的控制，且可实现触控操作，通过点击相关操作便可获得设备物理参数的监测数据，从实际运行状况来看，试验电压阈值为230V，电流阈值为6A，温度阈值范围为30℃-80℃，假设系统出现故障后，界面将显示故障类型、故障数据和故障时间等相关信息，本次运行时未见故障信息发生，其中故障保护方法的准确性确定了预警录入功能的正常运行。

4 结论

本文通过对机房配电柜监控系统的设计，对机房配电柜内微小环境实现了宏观大环境的监测，从电能计量电路硬件设计和通信程序、电能计量程序、短信报警程序和图像监视程序软件设计的基础上，实现了对配电柜运行状态数据的监测，通过现场测试，系统运行稳定且监测全面，为机房配电柜智能化发展提供了指导。