機(jī)房配電柜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

武盛

摘 要：配電柜監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定有重要意義，在配電柜系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)電能計(jì)量電路硬件和通信程序、電能計(jì)量程序、短信報(bào)警程序和圖像監(jiān)視程序軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從理論上實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電柜的智能監(jiān)測。通過現(xiàn)成測試，證明了理論設(shè)計(jì)的可形性，為配電柜監(jiān)控系統(tǒng)的智能發(fā)展提供了道路，同時(shí)減少了配電柜人員檢測維修成本投入，值得推廣。

關(guān)鍵詞：配電柜;監(jiān)控系統(tǒng);電能計(jì)量程序;智能發(fā)展

0 引言

隨著智能化的不斷發(fā)展，礦井機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化水平得到很大程度的改善，眾多設(shè)備成為監(jiān)測的對(duì)象，但是對(duì)于配電柜監(jiān)測系統(tǒng)的研究缺頗少。配電柜作為電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定輸出的源頭，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行有重要的影響。目前對(duì)于配電柜的管理主要通過工作人員的檢測實(shí)現(xiàn)，大量人力的投入并不能及時(shí)處理故障，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行故障排查和維修，成本較高。針對(duì)此現(xiàn)象，本文對(duì)配電柜微環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在硬件以及軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電柜運(yùn)行過程中各參數(shù)的監(jiān)測和調(diào)控，通過現(xiàn)場測試，證明了此次方案設(shè)計(jì)的成功性，為配電柜智能化發(fā)展提供了依據(jù)。

1 配電柜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

機(jī)房配電柜是礦井重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，其性能的優(yōu)良直接影響到礦井電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)房配電柜逐步向智能化方向發(fā)展，減少人員管理的同時(shí)，降低了人員值守的成本投入。配電柜智能化方向的發(fā)展必須依賴于監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，良好的監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控及故障報(bào)警的重要途徑，開展配電柜監(jiān)控系統(tǒng)的研究，便于對(duì)配電柜運(yùn)行狀態(tài)中運(yùn)行環(huán)境，設(shè)備參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)控，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)故障部位的準(zhǔn)確定位和遠(yuǎn)程調(diào)控，方便操作的同時(shí)，提高了效率。

圖1為配電柜監(jiān)控系統(tǒng)整體方案框架圖，從圖中可以看出，對(duì)于多個(gè)配電柜監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)依賴于配電柜內(nèi)嵌的WEB服務(wù)器，配電柜運(yùn)行過程中電能信息都通過服務(wù)器終端進(jìn)行采集，采集的信息通過外擴(kuò)接口或無線模塊傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)將內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控室進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)控的原則采用架構(gòu)雙重化和手機(jī)APP共同實(shí)現(xiàn)，在WEB服務(wù)器技術(shù)的支持上，工作人員可隨時(shí)觀測配電柜運(yùn)行的狀態(tài)，且不受地域限制，通過C/S架構(gòu)，工作人員可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備多個(gè)用戶權(quán)限的監(jiān)控，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)通過監(jiān)控畫面顯示。當(dāng)配電柜發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并保存故障信息，以圖片和短信的方式進(jìn)行提示，操作人員通過監(jiān)控界面顯示的故障信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)操作然后人工切除故障或通過算法和保護(hù)動(dòng)作切除故障，系統(tǒng)自動(dòng)切換至備用電源回路，從而保證了配電房正常運(yùn)行。

2 主要硬件及軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)

電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)中，采用RN8302B型三相多功能芯片，兼容3線和4線，該芯片具有良好的過流、過壓和相序的功能，且在進(jìn)行電能功能測量時(shí)具有良好的性能。電能參數(shù)的讀取通過總線獲得，芯片可承受溫度范圍為-40℃-85℃之間，供電電壓為+3.3V，在常溫運(yùn)行狀態(tài)下，電流、電壓的有效測量值精度最高。RN8302B型三相多功能芯片中晶振電路的頻率為8.123MHz，可在電容負(fù)載15 pF下運(yùn)行，對(duì)于通信電路的設(shè)計(jì)，以SDI作為輸入端口，SDO作為輸出端口，通過串聯(lián)濾波器降低信號(hào)干擾，串聯(lián)電阻為10Ω，電容為10pF，此外，將電源并聯(lián)電容達(dá)到去耦的目的，內(nèi)置電壓以1.25V作為基準(zhǔn)。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)編程進(jìn)行優(yōu)化，前臺(tái)編程主要是中斷程序的編寫，后臺(tái)編程一般為死循環(huán)程序編寫，不同的前臺(tái)程序運(yùn)行時(shí)間不同，當(dāng)每個(gè)任務(wù)都循環(huán)一次時(shí)，中斷程序和死循環(huán)程序的響應(yīng)時(shí)間決定了任務(wù)循環(huán)的運(yùn)行速度。為了提高程序的運(yùn)行時(shí)間，在程序編寫時(shí)盡量刪除延時(shí)語句，提高程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括通信程序設(shè)計(jì)、電能計(jì)量程序設(shè)計(jì)、短信報(bào)警程序設(shè)計(jì)和圖像監(jiān)視程序設(shè)計(jì)。

通信程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)依賴于液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)，利用DGUS配置工具，對(duì)通信界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面以格式圖片進(jìn)行顯示。在系統(tǒng)配置中將波特率值設(shè)為9500bps，使得STM32與DGUS實(shí)現(xiàn)通信。通信程序的設(shè)計(jì)還包括觸控設(shè)置，可根據(jù)自身操作狀況進(jìn)行觸控功能的設(shè)置，通過修改參數(shù)完成數(shù)據(jù)文件夾的建立，操作人員也可根據(jù)自身狀況設(shè)置觸控區(qū)域的大小。

電能計(jì)量程序設(shè)計(jì)如下：當(dāng)計(jì)量任務(wù)執(zhí)行時(shí)，循環(huán)程序開始，SPI2和寄存器初始化，在校表數(shù)據(jù)清理后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，存儲(chǔ)在寄存器中，選擇寄存器模式為常規(guī)全波模式，隨后根據(jù)上位機(jī)命令進(jìn)行測量模式的改變，如果電能不能順利清零，則測量電能相關(guān)數(shù)據(jù)，將電能命令存儲(chǔ)到文件中;如果電能清零失敗，則將電能寄存器清零，隨后進(jìn)行電能數(shù)據(jù)的測量。

短信報(bào)警程序設(shè)計(jì)則是方便工作人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行語句，發(fā)送短信報(bào)警，并執(zhí)行預(yù)警任務(wù)中的其他子任務(wù)。

圖像監(jiān)視程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)通過SCCB通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)，在SCCB通訊協(xié)議下，程序運(yùn)行同時(shí)實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的初始化，LCD開窗，F(xiàn)IFO開始接受數(shù)據(jù)，隨后監(jiān)測上升沿次數(shù)，當(dāng)檢測到兩次上升沿時(shí)，F(xiàn)IFO接受到的數(shù)據(jù)在LCD上顯示，如果系統(tǒng)運(yùn)行無錯(cuò)誤，則將配電柜的監(jiān)視圖像存入SD中，隨后將任務(wù)掛起。

3 系統(tǒng)運(yùn)行測試

在硬件以及軟件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行測試，得到電路參數(shù)數(shù)據(jù)記錄，參數(shù)設(shè)置為0.5L5A時(shí)參數(shù)A相的有功功率1023W，功率因數(shù)1，電流4.9A;1L5A時(shí)參數(shù)A相的有功功率542.3W，功率因數(shù)0.49，電流0.9A;1L0.1A時(shí)參數(shù)A相的有功功率11.25W，功率因數(shù)0.5，電流0.1A。

配電柜運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)高溫現(xiàn)象，因此對(duì)運(yùn)行過程中的溫度進(jìn)行了測量，利用安裝在設(shè)備上的溫度傳感器進(jìn)行溫度的測量，在5V供電的基礎(chǔ)上，調(diào)試溫度傳感器的靈敏度進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的測量，通過測量得到配電柜運(yùn)行過程中的最高溫度達(dá)到30℃，滿足芯片等硬件設(shè)備的運(yùn)行，不影響供電需求。

圖2為預(yù)警錄入界面顯示圖，界面左側(cè)為主界面，在主界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電箱門禁、時(shí)間記錄和控制選項(xiàng)等功能的控制，且可實(shí)現(xiàn)觸控操作，通過點(diǎn)擊相關(guān)操作便可獲得設(shè)備物理參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從實(shí)際運(yùn)行狀況來看，試驗(yàn)電壓閾值為230V，電流閾值為6A，溫度閾值范圍為30℃-80℃，假設(shè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，界面將顯示故障類型、故障數(shù)據(jù)和故障時(shí)間等相關(guān)信息，本次運(yùn)行時(shí)未見故障信息發(fā)生，其中故障保護(hù)方法的準(zhǔn)確性確定了預(yù)警錄入功能的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)機(jī)房配電柜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)房配電柜內(nèi)微小環(huán)境實(shí)現(xiàn)了宏觀大環(huán)境的監(jiān)測，從電能計(jì)量電路硬件設(shè)計(jì)和通信程序、電能計(jì)量程序、短信報(bào)警程序和圖像監(jiān)視程序軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電柜運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，通過現(xiàn)場測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且監(jiān)測全面，為機(jī)房配電柜智能化發(fā)展提供了指導(dǎo)。