电网监测设备设计

金湾湾，夏 靖，刘 钢，周 畅

（武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205）

0 引 言

电网监测设备用于监测指定部位的电网电磁环境，通过对电网环境进行在线监测，掌握重点部位的实时电磁环境状态，工作人员能够有效掌握设备因长期使用而出现的电气性能衰减现象。综合评估监测现场的电磁环境，以便采取应对措施。突发电磁干扰问题时，也能通过系统性分析监测数据，提供辅助诊断意见，结合电磁干扰控制技术，在潜在干扰部位安装电网监测单元，实现电磁干扰的源头控制功能。

1 系统方案设计

充分考虑监测部位扩展的电网环境监测需求，采用开放式、分布式的体系结构设计以及网络化的数据接口设计，使电网监测设备具有较强的适应能力、对接能力和扩展能力。电网监测设备由电网监测单元和电网监测控制台组成。电网监测单元负责采集、处理、分析电网上的各类信息，并将处理分析得到的电网数据上传至电网监测控制台，控制台上可以集中显示电网监测数据。在人机交互界面，可以管理电网监测数据，查询历史数据，干扰辅助诊断等。此外，还为设备设计了耐冲击、振动防护、电磁兼容以及箱体热平衡等功能。

2 电网监测设备样机组成

电网监测设备样机由1台电网监测单元和1台电网监测控制台（样机研制中以电脑代替）组成，电网监测软件安装在控制台上，可以通过增加电网监测单元的数量实现监测部位的扩展。

2.1 电网监测单元

电网监测及滤波装置主要由集成模块、指示灯、熔断器以及总体电网滤波模块等组成，集成模块将相应的控制采集模块、电源模块以及传感器模块等进行硬件集成，可以实现供电管理和信号采集，并提供接口电路，同时将采集到的信息上传给上级系统。

电网监测单元安装在待测配电箱的前级，其作用是接收电网监测控制台下发的监测指令,监测电网信息品质及传导干扰状态。监测对象包括电压有效值、电流有效值、电压波形畸变率、电网低频与射频的传导发射以及电网电压线间的尖峰电压，同时抑制稳态和瞬态传导干扰。

图1为电网监测单元电气系统原理框图，从功能上分为电源进线电路、直流稳压电路、信号采集电路以及数据通信电路。设备外部输入相应电制的工作电源，经电源滤波器滤波后进入集成模块的电源模块；经过电源模块的滤波、转换以及稳压等处理后输出直流12 V供给控制采集模块，再由控制采集模块转换输出直流15 V电源供给电网传感器模块；传感器从滤波器上采集电网参数模拟信息，经模数转换等处理后上传给控制采集模块，控制采集模块将获得的电网参数信息处理后经以太网上传给上级系统；上级系统可以通过以太网下达工作/停止指令，远程控制电网监测单元的工作状态。

图1 电网监测单元原理

2.2 电网监测控制台

电网监测控制台主要安装电网监测上位机软件。如果工作环境有需要，则可设计控制台，改用加固机等。电网监测软件包括运行在电网监测单元的监测分析程序和运行在控制台的上位机程序。上位机程序主要包括电网环境分析显示模块、干扰辅助诊断模块以及历史数据检索分析模块。

分析显示模块可以处理监测单元上传的代码文件，以便直观显示；干扰辅助诊断模块可以在发生电磁干扰时，通过系统性分析电网监测数据，结合电磁干扰阈值实现干扰的辅助诊断功能；在电磁环境历史数据检索分析模块，工作人员可以按照检索时间、部位等回放电网监测的历史数据。电网监测设备的软件组成如图2所示。

图2 电网监测软件组成

3 样机耐冲击振动、电磁兼容及热平衡设计

在船用等恶劣环境中使用电网监测设备时，需要考虑耐冲击、振动防护设计、电磁兼容防护设计以及箱体热平衡设计。

3.1 耐冲击、振动防护设计

实现抗冲击技术主要有阻尼和平衡两种方法。阻尼就是增加加速度的衰减速度，使其减小到运动和支撑部件可以承受的范围；平衡就是使加速度产生的惯性力能够相互抵消。断路器的运动部件采用平衡和阻尼结合的方法，主要针对脱扣板和锁扣，支撑部件采用结构加强来保证强度和刚度。

设备的外壳需要满足抗冲、振动以及整体强度的要求。硬铝合金因具有相对密度小、质量轻及强度高等优点，在航空航天等领域应用非常广泛，因此可用作本项目的外壳防护材料。其具有足够的耐机械冲击性，加工工艺成熟，能够保证质量。为满足船用电器耐振动的需求，控制箱背部采用菱形四组隔震器的设计，用阻尼的方法实现抗冲击。

3.2 电磁兼容性防护设计

电网监测设备是用来监测电磁环境的设备，对电磁信号较为敏感，属于易受干扰的电子设备，且处理的信号中有较多弱信号，针对该系统的工作特点，采取以下电磁兼容设计措施。一是系统内各设备均选用低辐射板卡和器件，输入电源均经军用EMI滤波器滤波，电源滤波器与机箱可靠搭接。二是系统内各设备的机箱除有特设要求外均采用铝合金材质，设备外壳边角尽量设计成一定弧形。机箱表面尽量减少开孔，必须的开孔应避免采用与板卡平行的长孔。系统内各设备的机箱均采用较充分的屏蔽措施，机箱接缝处采用导电橡胶或屏蔽丝网加强电连续性，通风孔处采用通风波导屏蔽，系统内各设备的机箱均可靠接地。三是所有直流电缆在连接器处均采用周向屏蔽，设备内部电缆采用加套磁环和屏蔽护套等措施，电缆的敷设尽量避开电力电缆等。四是电网监测设备在布置时尽可能远离强辐射干扰源，电缆应远离大功率电力电缆。五是设计软件的抗干扰，增强软件的健壮性和容错性。

3.3 箱体热平衡设计

热源的热平衡主要分为对流、传导与辐射。为减小设备产生的噪声，在热平衡设计时该设备主要采用热平衡分层及传导散热的方式。

下层主要的发热器件滤波器紧贴箱体底部和侧壁，箱体背部设计有横向的散热齿，通过热传导将热量导入箱壁和外部，实现对流散热。上下箱体之间没有大面积直接接触，滤波器与上层箱体存有间隙，并不直接接触，因此下层箱体对上层箱体的影响较小。

上层的主要发热元件为电源模块和控制采集模块的中央处理器（Central Processing Unit，CPU），它们分布在不同位置，使设备内部热量尽可能均匀，避免高功耗芯片相互热影响。电源模块紧贴箱壁固定将热量导向箱壁散热，控制采集模块带有导热板，通过导热板将热量从CPU带走，导向箱体。箱体侧壁开有散热齿，增大散热面积从而提高散热效率。

通过仿真软件仿真箱体的热平衡状态，其表面温度结果如图3所示。箱体外表面温度最高处为滤波器下方与箱体接触的地方，最高温度约为31.2 ℃。箱体内部温度分布如图4所示，滤波器表面最高温度位于滤波器上侧，约为33.8 ℃，控制采集模块最高温度在芯片处，约为50 ℃。通过热平衡仿真，可以看出整体的最高温度出现在控制采集模块的CPU芯片部分，约为50 ℃，控制采集模块芯片能承受的最高温度约为70 ℃，因此该设计满足要求。

图3 箱体表面温度仿真

图4 箱体内部温度仿真

4 结 论

为了实现对重点部位电网电磁环境的监测，本文设计了一套电网监测设备，可实时掌握电网电磁环境的状态，综合评估电网环境，突发电磁干扰时，通过对监测数据的系统性分析，提供辅助诊断意见，且结合电磁干扰控制技术，能实现电磁干扰的源头控制。同时，对电网监测设备样机本身设计了耐冲击、振动防护、电磁兼容性防护以及箱体热平衡功能。