變電站開關柜防誤入預警系統

錢誠　潘翔　杜乾　王云承

摘 要：開關柜是一種應用于變電站內的特殊電氣設備，因工作人員工作疏忽或安全保護措施不到位導致的事故時有發生。本文針對開關柜特點及供電公司已有開票系統，設計一套基于傳感器技術、嵌入式技術與無線通信技術的開關柜防誤入預警服務系統。系統通過安裝于開關柜內的電場檢測傳感器、紅外人體檢測傳感器、行程開關和檢修標志傳感器，實時監測開關柜狀態，并在開關柜被非法操作時把監測信息發送到報警單元，由報警單元進行現場語音提示、現場聲光報警和遠程GSM短信報警。

關鍵詞：無線通信技術、傳感器技術、嵌入式、報警系統

1引言

開關柜是一種應用于變電站內的特殊電氣設備，在操作開關柜實時有嚴格的要求，但是由于現場檢修人員缺乏安全意識及開關柜缺乏配套保護裝置，導致誤操作事故及誤入帶電開關柜的事情時有發生。

針對以上間隔操作管理中遇到的問題，基于當今快速發展的物聯網技術，結合傳感器網絡、網絡通信等方面多年的技術積累，設計了一套變電站間隔防誤入預警系統，在操作人員誤入帶電間隔前，給出聲光預警提示，同時系統可以擴展到遠程短信預警。

2系統總體設計

系統由現場感應裝置、監測主機及報警裝置三部分組成。其中現場感應裝置由觸點監測、開門感應、人體感應及誤入監測裝置組成，監測主機通過對感應裝置數據的處理實現對現場環境的實時把控，當現場出現誤操作或者誤入間隔的情況時，主控裝置通過無線系統向報警裝置發送報警信息，報警裝置接收到現場主控裝置的報警信息后，根據報警情況，通過短信、語音和聲光系統，實現報警功能。

3系統硬件設計

根據系統功能對整個系統進行總體設計，并進行模塊劃分，將系統主要分為2個模塊：檢測主機模塊、報警主機模塊。

3.1檢測主機模塊：

檢測主機模塊主要包括紅外人體檢測、電場強度檢測及無線通訊單元。

（1）紅外人體檢測傳感器為D203S紅外熱釋電人體檢測傳感器，信號處理采用EG4002芯片。D203S輸出的檢測信號接入到運放的反相輸入端，使第一級運放工作于反相比例放大狀態，第一級增益參數是由R2和R3進行設定，絕對增益為A1=R3/R2，第一級運放增益A1=R4/R8，第二級A2增益為固定30倍，總體增益為A=A1*A2，用戶可以根據紅外熱釋電探頭特性適當調節A1的增益改變探測的距離，圖中的C10為隔直電容，C8為高頻抗干擾濾波電容。

EG4002工作頻率是通過R11和C13進行設定，近似的工作頻率和電阻電容之間關系由公式 （電阻單位為K，電容單

位為nF， Tosc 單位為uS），頻率f=1/Tosc確定，如R11=100K，C13=1nF 時， 對 應 的 工 作周 期 為T=0.4×100×1×1.25=50uS，振蕩器頻率為f=1/T=20KHz。選擇上拉電阻R11時，需大于100K以上的電阻。

EG4002信號輸出端通過限流電阻R6與主控單元P1.5相連，實現對人員活動信號的監測，EG4002的A引腳通過上拉電阻R10與主控單元的P1.6引腳相連，實現對EG4002觸發方式的控制，EG4002的VC引腳通過上拉電阻R12與主控單元P1.7引腳相連，實現對EG4002芯片的使能控制。

（2）電場強度檢測單元采用GM3120傳感器，傳感器輸出為模擬電壓信號，運放及ADC轉換電路，轉換為對應的數字信號，并通過查表方式計算出對應電場強度值。

其設計電路如下圖1所示：

（3）無線自組網數據傳輸方式：無線傳輸模塊采用JTT-433-UDI 嵌入式微功率SPI接口透明傳輸模塊，本模塊通信頻率可在400MHZ到480MHZ之間隨意設定，可以超低功耗和自休眠，中斷喚醒等特點，在沒有數據傳輸時系統能自動進入休眠模式，當接收到傳輸中斷之后會自動喚醒，無需外部軟件和硬件參與，使得在設計硬件電路時無需過多考慮其與主系統之間的硬件和軟件設置，只需要分配一個SPI與模塊相連和基本的軟件設置即可，大大減低了系統的設計難度和程序的編寫量，使得系統設計更簡單靈活。

3.2報警主機模塊：

報警主機模塊主要包括語音提示、聲光報警及短信報警單元組成。

（1）現場語音提示單元以維創科技的ISD1700作為語音處理芯片，芯片可以實現多段語音的錄制與播放，并可通過通信接口實現不同語音的切換。如下圖電路中U13為語音錄放芯片ISD1700，主要用于實現語音的錄制、存儲與播放。U2為蜂鳴器，用于實現語音的播放功能，其引腳分別于ISD1700芯片的SP-和SP+引腳相連。C5和C6為芯片電源輸入端濾波電容，R3、R5、R6、C7、MK1、C13和C14組成錄音電路，實現報警語音的錄制功能，按鍵S3為錄音選擇按鍵，當按下S3按鍵時，系統進入錄音功能。圖中R7與芯片Rosc引腳相連，用于設定芯片的工作頻率，C16與芯片AGC引腳相連，用于設置芯片自動增益大小，AGC若直接接到地，則增益為最大，若直接接到Vcca，則增益為最小。按鍵S1、S2分別用于擦除已錄制的語音內容和復位語音芯片功能。ISD1700芯片的FWD引腳通過R1上拉電阻與控制器的P1.4引腳相連，用于實現不同播報語音的選擇。PLAY引腳通過上拉電阻R2與控制器的P5.2引腳相連，用于實現語音的播報功能。

（2）短信提示單元采用SIM900A模塊，其AT指令與標準AT指令相同，同時采用PDU的數據格式進行發送和接收數據。

4系統軟件設計

變電站開關柜防誤入預警系統基本工作流程為：監測—判斷—預警。

系統通根據工作票系統確定待檢測開關柜位置，并在待檢測開關柜門指定區域安放待檢測標志，監測系統檢測開關柜指定位置是否安放待檢測標志，確定開關柜是否允許操作，在開關柜禁止操作狀態時，無論開關柜是否帶電，如果開關柜被操作，系統會通過遠程短信、現場語音及聲光系統報警。如果開關柜處于允許操作狀態，且開關柜帶電情況下，現場操作人員不允許操作開關柜后門，在操作開關柜前門時須在箱門打開后規定時間內關閉開關柜門，否則系統依然會啟動遠程短信、現場語音及聲光報警系統。

5結語

本系統結合供電公司原有開票系系統，利用傳感器技術與無線通信技術，實現對開關柜內電場強度檢測、開關柜狀態及檢修狀態實時在線監測，能夠為現場開關柜檢修人員提供可靠的開關柜狀態信息，確保現場檢修工作安全進行，并在檢修人員誤操作開關柜時使給出報警提示。

參考文獻：

[1] 蔣煥文等.電子測量[M].第三版.北京.中國計量出版社，2008

[2] 馬潮.GSM短信接口的軟硬件設計[J].單片機及嵌入式系統應用，2003 ，（9）

[3] 信息技術設備安全第一部分：通用要求[S].GB4943.1-2011

[4] 戴鐵軍.物聯網安全問題與解決措施[J].應用科技，2010 ，（11）

[5] Jespersen H. Electronic apparatus including a device for preventing loss or theft[P]. 2003-2-20.