高压开关柜温度在线监测系统设计

摘要：高压开关柜是重要的变电设备，其内部温度过高可能会引发局部甚至全部地区停电等事故，开关柜在线监测是预防事故发生的重要手段。文章设计了一套经济实用的开关柜温度在线监测系统，系统包括上位机和下位机两部分，采用RS-485总线通信方式，具有数据显示存储、越限报警等功能。

关键词：高压开关柜；在线监测；温度；状态维修

1引言

高压开关柜设备是非常重要的输配电设备，主要用于电力系统的控制和保护，保证电网中无故障部分的正常运行及设备、运行维修人员的安全。大多数高压开关设备采用封闭结构，散热条件差，而且长时间工作于高电压、大电流等恶劣环境中，很容易引起热量的积累而导致其内部温度升高。开关柜温度过高可能会引起大范围停电严重者还会诱发火灾，这些都将给社会造成巨大的经济损失。因此设计出一套可靠有效的开关柜温度在线监测系统对电力系统安全、稳定的运行具有十分重要的意义。

目前高压开关柜温度在线监测方法主要有CCD摄像头监测示温蜡片测温法、红外测温法、光纤测温法和无线网络法，这些方法没有考虑开关柜实际运行环境和负荷等信息，都只孤立地对温度进行测量，属于预防性维修和试验的范畴。本系统分析了传统开关柜监测方法的缺点和不足，并且为达到状态维修的目的，提出两组新的监测量，系统结构简单、性能可靠，能够很大程度上提高高压开关柜运行水平，降低事故发生率。

2系统设计方案

高压开关内部结构分为母线室、开关室、电缆室，本设计系统的数据采集模块分别采集和实时监测三室的温度、外界环境温度以及通过开关柜的电流，并在这五组参数的基础上根据温度和电流的关系以及一定时间内温度变化对三室的影响提出了两组新的监测量进行实时监测。

2.1系统结构

本设计系统主要包括数据采集模块，通讯模块，上位机监控中心3大部分，如图1所示。数据采集模块由温度和电流采集模块组成，四路温度传感器选用薄膜铂电阻，分别传输母线室温度、开关室温度、电缆室温度和环境温度；电流传感器选用闭环霍尔电流传感器，传输开关柜的三相交流电。整个系统的数据采集模块和上位机监控中心通过RS-485总线通信，上位机监控中心提供友好的交互界面，供用户进行监控和操作。

2.2监测量

对开关柜各室温度进行单独越限报警虽然简单，但通常情况下某室出现温度异常时，开关柜已接近或处于故障状态。为尽早发现各种随机因素引起的故障，降低维修成本，我们提出两组新的监测量：

（1）监测系统上电开始采集后每1h内每隔6min分别对各室测一次温度t，同时记录此刻通过开关柜的电流I和外部环境温度t环温。根据温度变化和电流平方成正相关原理，提出参数P：

P=（P8+P9+P10）/3

其中，各室P取每小时后三个记录点Pn的平均值。Pn=（t-t环温）/I2，n=1，2，…，10。

若P>（1+5%）P0，则触发报警（P0表示监测系统开始采集后第一个小时内P的计算值）。

（2）监测系统上电开始采集后每隔1h分别对母线室、开关室、电缆室各测一次温度记为：t0、t1、t2，同时记录此刻开关柜外部环境温度t环温。经研究发现开关柜内部相邻两室之间温度变化的比值对开关柜的运行也会造成一定影响，因此提出K参数：

K1=-（t0-t环温）/（t1-t环温）

K2-（t1-t环温）/（t2-t环温）

K3-（t2-t环温）/（t0-t环温）

Kn分别代表母线室、开关室、电缆室的K值，n=1，2，3。

若Kn>（1+9%）K0，则触发报警（K0表示监测系统开始采集后第一个小时内K的计算值）。

3系统硬件设计

系统硬件主要负责温度和电流的采集，并把数据通过RS485总线传输给上位机，进行后续处理。其主要分为温度采集模块和电流采集模块。

3.1温度采集模块

温度采集模块选用集智达公司6通道热电阻输入模块RemoDAQ-8036，特性参数如表1所示。

3.2电流采集模块

电流采集模块为自行设计，处理器采用的是意法半导体推出的STM32F103ZET6微控制器。该微控制器采用高性能的ARM Cortex-M3内核，它的最高工作频率为72MHz，内置高速存储器。整个电流采集模块由AD转换电路、信号调理电路、通信状态指示灯、电源电路、RS485电路、前端滤波电路等组成。模块硬件结构如图2所示。

3.2.1AD7606芯片与STM32的接口设计

模数转换芯片采用8通道16位同步采样的AD7606，其所有通道均能以高达200kSPS的速率进行采样，具有可编程的数字滤波器且数据传输接口可选择为并行模式和串行模式，采用5V单电源供电不再需要正负双电源并支持真正的双极性信号输入，而且输入端箝位保护电路可以承受最高达±16.5V的电压。

本设计使用前三个通道进行同步采集，其与微控制器数据传输采用并行工作模式，数据输出端与STM32的D组GPIO连接，这样STM32通过对D组GPIO口整体操作很容易读取一个通道的数据。把AD7606的RANGE端接地，使其采集电压范围为±5V。由下位机程序来控制过采样。AD7606与STM32的连接如图3所示。

3.2.2STM32与RS485接口的设计

STM32收发TTL电平信号而RS485总线收发差分信号，因此需要设计一个接口使两者无障碍传输数据。本模块中把RS-485通信模式设置成半双工工作模式，把STM32F103的串口1接口转化成RS-485接口，用STM32的GPIOA7口来作为控制数据传输方向，我们选用的电平转换芯片是SN75LBC184，在差分输出间接一个100欧的电阻。电路连接如图4所示。

4系统软件设计

系统的上位机监控软件基于Delphi 2007完成，通过发送相关指令，采用轮询的方式对总线上不同地址的采集模块进行操作。监控软件运用模块化设计思路，如图5所示。系统设置模块主要用于设置各硬件模块地址、额定电流、各监测量报警阈值等信息；串口通信模块负责命令的发送和数据的接收及解析；数据分析模块基于五个直接监测量算出p、k值，达到越限报警的在线监测目的；数据存储模块完成数据存储、回放、制表打印等功能。经过多次试验测试，系统运行稳定可靠，如图6所示，截取了部分现场试验数据。

5结语

针对传统高压开关柜温度监测方法的缺陷，结合高压开关柜智能化的发展趋势，文章研制出一套实用性强的高压开关柜在线温度监测系统。本监测系统提出的两组新监测量增加了整个系统的可靠性和有效性，用户通过上位机能轻松完成各项操作，能够对开关柜进行有效的实时在线监测。