泉州市宜兴电力有限公司研究员郑小妹在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，智能高压开关柜是智能电网的重要组成部分，是电力系统的核心保护和控制设备。

原有的高压开关柜结构简单，需要人工检测和控制，特别是电流测量精度低，接口兼容性差，难以适应快速发展的智能电网。因此，需要一种新型的高压开关柜在线监测系统来有效地监测和控制开关柜。

根据高压开关柜的应用要求，本文从软件和硬件两方面研究了一套高压柜在线监测系统，具有一定的应用价值。

高压开关柜的原始功能相对简单。它只能显示用户终端的电压和电流值，甚至市场上也有通过指针表显示的产品。随着智能电网建设的深入，智能高压开关柜必将成为市场应用的主流。

摘要:介绍了智能0+监控系统，从硬件和软件两方面对智能高压0+监控系统进行了设计和研究，并分析了其抗干扰措施，对高压0+的智能化发展具有一定的参考意义。

1高压开关柜监控系统的设计

1.1高压开关柜监控系统的整体架构

高压开关柜监控系统采用面向对象的监控系统架构，主要由现场层、监控层和管理层组成。现场层的主要设备包括现场监控单元、传感器和相关的辅助部件。其重要功能是高压开关柜的现场监测。现场层和检测层通过总线连接，实现监控数据和控制命令的传输。监控层和电站控制中心通过以太网连接。监控层的主要设备是监控主机、路由器、打印机等相关设备。监控层和管理层之间的数据通信通过以太网完成。下图为高电压开关柜时监控系统的结构图。

图1高压开关柜监控系统结构图

1.2 开关柜监控设备硬件设计

开关柜监控装置安装在高压开关柜的仪表室内，主要负责高压开关柜的数据测量、保护控制、参数显示、网络通讯等功能，并提供人机交互界面。主要测量和计算传感器阵列和变压器信号，以获得电压和电流值。

当系统过载时，过载保护信号会及时发送到断路器。监控装置采用双CPU结构，主要由1#主控保护单片机和2#监控保护单片机组成。这两个处理器通过一个双端口内存实现内存空间共享。监控装置的硬件结构图如下图所示。

图2监控装置的硬件结构图

可以看出，该装置的硬件主要包括1#主控保护单片机、2#监控保护单片机、模拟量接口、电源模块等部分。传感器的模拟信号由调节模块转换为0-10V信号。2#监控保护单片机控制A/D采集芯片采集模拟信号，并将采集的数据存储在存储器中，监控系统的电压、电流信号以及短路、过载等故障。

当发生故障时，设备根据计算和分析执行故障保护和报警信号发出等动作。2#单片机的信号采集功能完成后，1#主控保护单片机取出存储器中的值，计算出当前的电压和电流值，并显示在液晶显示器上。此外，1#单片机还负责CAN通信功能。电压模块提供设备运行所需的5V和12V电压。

1模拟信号处理电路。

该装置的电流测量采用磁传感器矩阵法，在进行运算处理之前，需要对TMR传感器的信号进行调理和转换。由于传感器的输出信号电压约为600毫伏，需要进行大处理，放大7倍至4.2伏，剩余的电压裕量作为过载电流和冲击电流的报警间隔。由于系统的操作环境受到严重干扰，放大器应安装在传感器探头中，并由12V电压供电。

此外，TMR传感器是一种新型的磁阻效应传感器。与其他监测设备相比，TMR传感器具有温度稳定性好、灵敏度高、线性范围宽、功耗低等特点。片式温度传感器体积小，成本低，非常适合于印刷电路板的设计。然而，TMR传感器输出信号中存在大量高频干扰信号，需要在采样前进行滤波。巴特沃斯滤波器是最常用的滤波器，具有平坦的通带和出色的滤波性能。

本文采用模拟低通滤波电路，其原理图如下图所示。

图3该装置的低通滤波电路示意图

以上，我们已经分析了该设备的主要硬件，将不再详细介绍系统的其他硬件部分。

1.3监控系统软件的总体设计

2#监控保护单片机的主要外围硬件电路包括A/D采集芯片、高速双端口RAM和保护驱动电路。单片机上电复位后，首先对外围设备进行初始化操作，然后检测整个系统，确认正常后，执行信号采集程序采集电压和电流信号。在完成信号的循环采集和存储之后，主芯片可以执行操作处理操作。

系统主控中央处理器程序流程如下图所示。监控保护单片机的采集程序运行后，只有在系统因短路等严重故障被监控到有跳闸保护或主控中央处理器发出停止中断命令后，采集才会中断。

图4主控CPU主程序流程图

另外，1#主控单片机的主要功能是控制监控单元和数据的操作和输出。系统通电并复位后，1 #中央处理器初始化系统并执行自检。然后，检测2 #中央处理器是否完成准备工作。整个系统准备就绪后，1 #中央处理器向2 #中央处理器发送信号采集信号。每当2 #中央处理器完成一个信号采集周期，它将发送一个中断信号。此时，1 #中央处理器读取数据，计算电压和电流值，并将计算结果传送给上位机。

虽然监控单元的双CPU架构的硬件配置较低，但它可以执行多任务监控。为了保证两个处理器之间的协调，处理器之间需要协商一个握手协议，两个处理器之间的通信和握手是通过一个通信端口和一个外部中断来完成的。2 #中央处理器通过两个中断连接到1 #中央处理器:采集完成中断和故障报警中断。1号中央处理器到2号中央处理器有一个停止中断信号。

握手将在中央处理器自检和线路故障期间进行。下面将以自检为例解释握手过程。复位或通电后，中央处理器分别执行初始化和自检。2 #中央处理器自检完成后，打开的中断向1#主中央处理器发送自己的状态。1 #中央处理器进入自检状态，打开串口，发送代码查询2 #中央处理器。在接收到查询命令后，2 #中央处理器继续向1 #中央处理器发送状态代码，直到它从1 #中央处理器接收到状态接收成功的返回代码。

自检确认完成后，1 #中央处理器向2 #中央处理器发出信号采集启动命令，系统开始运行，否则会出现相应的故障报警显示。CPU自检中断握手过程如下。

图5自检握手过程

1.4系统测试

首先，对中央处理器进行在线调试，通过程序中的脉冲触发时序计算各功能模块的运行时间。我们记录系统是否能在一个采集周期内实现一次有效值计算、两次液晶屏刷新、一次数据上传和一次按键响应，而不影响监控和保护中央处理器的中断响应。测试后，系统各功能模块的极限消耗时间如下表所示。

表1系统功能模块的极限消耗时间

由于上述功能通常在不同的扫描周期内完成，系统的扫描周期约为15毫秒，因此系统的执行效率满足要求。

然后测试系统的功能，测试电流由大电流发生器提供，罗果夫斯基线圈提供电流标准值，并记录监控装置的电流值。横坐标是标准电流有效值，纵坐标是显示电流有效值。在测试中，系统范围分为两种类型:峰值0-50A和50-1200A。测试结果如下图所示。

图6系统测试电流测量结果图

从测试结果可以看出，在峰值0-50 a范围内，系统的最大误差为1.1A，在50-1200A范围内，由于干扰，最大误差为2.3A，误差率为0.192%，精度达到0.2级，满足系统的测量要求。

为了进一步验证设备的可靠性，该系统在不同的天气条件下进行了多次测试。下表显示了最大误差结果。该系统仍能满足0.2级监测的要求，重复性好。

表2重复实验结果

系统的当前监控只是监控设备的基本功能。该系统作为综合智能监控装置，还应集成高压柜的电压监控、柜内触点和温度监控开关的状态监控以及运行安全联锁功能。只需在系统中增加相应的检测模块和辅助电路，并结合相应的程序功能块即可。

应当注意，随着功能变得更加复杂，可能需要选择具有更快操作速度的单个芯片来提高系统操作速度并满足执行效率的要求。高压柜的远程监控可以通过设备的通信接口和变电站智能监控系统的联网来实现。

结论

高压开关柜是电力系统保护和控制的核心设备。随着智能电网的建设，高压开关柜运行状态的智能监控变得越来越重要。本文根据以往的工作经验，从硬件和软件两方面设计了一种智能高压开关柜监控系统。根据系统运行的环境特点，分析了系统的抗干扰措施，并通过测试测试了系统的测量精度，对高压开关柜智能监控系统的设计和应用具有一定的参考意义。