高压开关柜在线监测系统的设计与研究

原始的高压开关柜功能比较简单，只能显示用户端的电压电流值，甚至市场上还存在采用指针表显示的产品。随着智能电网建设的不断深入，智能高压开关柜必将成为市场应用的主流。

本文对智能开关柜监测系统进行了介绍，从硬件和软件两方面入手对智能高压开关柜监测系统进行了设计和研究，并对其防干扰措施进行了分析，对高压开关柜的智能化发展具有一定的借鉴意义。

1、高压开关柜监测系统的设计

1.1 高压开关柜监测系统的总体架构

高压开关柜监测系统采用面向对象的监测系统架构，其主要由现场层、监测层以及管理层三部分构成。现场层的主要设备有现场监测单元和传感器以及相关二次元件，重要功能为高压开关柜的现场监测。现场层和检测层通过总线连接，实现监测数据和控制命令的传输。监测层和电站控制中心通过以太网连接。监测层的主要设备为监测主机、路由器以及打印机等相关设备，监测层和管理层的数据通信通过以太网完成。下图为高压开关柜监测系统结构图。

图1 高压开关柜监测系统结构图

1.2 开关柜监测装置硬件设计

开关柜监测装置在高压开关柜的仪表室中安装，其主要负责高压开关柜的数据测量、保护控制、参数显示以及网络通信等功能，并提供人机交互接口。主要对传感器阵列以及互感器信号进行测量，并进行运算处理求得电压、电流值。

在系统出现过载时，及时向断路器发送过载保护信号。监测装置采用双CPU结构，其主要包括1#主控保护单片机以及2#监测保护单片机，两个CPU通过双口RAM存储器实现了内存空间的共享，监测装置的硬件结构图如下图所示。

图2 监测装置硬件结构图

可见装置的硬件主要包括1#主控保护单片机、2#监测保护单片机、模拟量接口以及电源模块等部分组成。传感器的模拟量信号通过调理模块的转化成为0-10V的信号，2#监测保护单片机控制A/D采集芯片进行模拟量信号的采集，并将采集数据存储到存储器中，同时对系统的电压、电流信号以及短路、过载等故障进行监测。

当有故障发生时，装置根据计算分析，执行故障保护以及报警信号的发出等动作。1#主控保护单片机在2#单片机完成信号采集功能后，将存储器中的数值取出从而对当前电压和电流值进行计算，并在LCD上显示。此外1#单片机还负责CAN通信功能。电压模块为装置提供运行所需的5V和±12V电压。

1、模拟量信号处理电路。

装置的电流测量采取磁传感器矩阵法，TMR传感器的信号需进行调理和转换后才能进行运算处理。由于传感器的输出信号电压大约在±600mV之间，需要对其进行放到大处理，放大7倍到4.2V，剩余部分电压余量作为过载电流以及冲击电流的报警区间。由于系统的运行环境干扰较为严重，因此放大器应安装在传感器探头中，并采用12V电压供电。

另外，TMR传感器是新型的磁电阻效应传感器，和其他监测器件相比具有温度稳定性好、灵敏度高、线性范围宽，功耗较低的特点，芯片化的TMR传感器体积小成本低，十分适于PCB设计。但TMR传感器输出信号中存在大量高频干扰信号，在信号进行取样处理前，需进行滤波处理。应用最为普遍的巴特沃斯滤波器的通带较为平坦，滤波性能较为优越。

本文采用模拟低通滤波电路，其原理图如下图所示。

图3 装置低通滤波电路原理图

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