基于多傳感器監(jiān)測的便攜式帶電開關(guān)柜智能語音報警系統(tǒng)

曾志輝,盧貞如

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作454000)

0 引 言

高壓開關(guān)柜是供輸電環(huán)節(jié)的重要設(shè)備，在整個電力系統(tǒng)中有著重要作用。在電力系統(tǒng)的發(fā)電、供電各環(huán)節(jié)的高壓部分，因維修人員誤入帶電間隔引發(fā)的觸電傷亡事件屢見不鮮。

陳炳貴等[1]所設(shè)計的防誤入帶電間隔報警裝置實現(xiàn)了帶電檢測和誤入間隔檢測功能，但缺少實時監(jiān)控人員位置的測距播報模塊；鄭家建[2]所分析的高壓開關(guān)柜帶電檢測技術(shù)保障了整個高壓開關(guān)柜的穩(wěn)定運行，但缺乏對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。以上研究都實現(xiàn)了電力開關(guān)柜的預(yù)警功能，但都僅對開關(guān)柜的某一環(huán)節(jié)進行檢測，對整體操作過程中的安全預(yù)警并不理想。

為解決人員誤入帶電間隔而引發(fā)事故這一問題，本文設(shè)計一款基于多傳感器監(jiān)測的便攜式帶電開關(guān)柜智能語音報警器，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)人員誤入帶電開關(guān)柜的預(yù)警報警功能和開關(guān)柜內(nèi)三相電線接頭溫濕度的實時監(jiān)測。在高壓帶電傳感器判斷開關(guān)柜為帶電狀態(tài)的前提下，利用熱釋電紅外傳感器和超聲波測距判斷人員與設(shè)備的位置距離，通過HW3000無線控制模塊控制語音報警系統(tǒng)，使其完成語音播報提示與預(yù)警；同時由溫濕度檢測電路實時監(jiān)測帶電開關(guān)柜內(nèi)三相電線接頭處的溫濕度，避免因溫度過高而引發(fā)火災(zāi)，從而提高電力操作安全性和可靠性。開關(guān)柜智能報警系統(tǒng)配置方式靈活、操作簡單，能夠有效防止電力事故發(fā)生[1-3]。

1 系統(tǒng)硬件組成

圖1為基于多傳感器監(jiān)測的便攜式帶電開關(guān)柜智能語音報警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，其中高壓帶電傳感器用于檢測開關(guān)柜是否帶電;電磁繼電器主要用于控制電路的切換，控制報警器的啟停。電磁繼電器通過微處理器控制，在開關(guān)柜帶電的前提下，當人體與開關(guān)柜距離過近，產(chǎn)生警報信號時，啟動電磁繼電器，實現(xiàn)報警器的啟動。在高壓帶電傳感器判斷開關(guān)柜處于帶電狀態(tài)時，若人體進入帶電開關(guān)柜檢測區(qū)域，超聲波測距模塊將測定人體與本設(shè)備的距離；熱釋電紅外傳感器確定人體具體位置；設(shè)備主控制使用HW3000無線控制模塊作為控制核心;由HW3000無線控制模塊控制語音報警系統(tǒng)；語音播報模塊進行語音提示與警告；溫濕度檢測電路獲取間隔時間段內(nèi)帶電開關(guān)柜的溫濕度數(shù)值，防止帶電開關(guān)柜溫濕度過高并及時報警[4-5]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控電路設(shè)計

智能語音報警系統(tǒng)主控單元采用HW3000無線控制模塊作為微處理器，主要接收高壓帶電傳感器監(jiān)測的電壓信號、紅外熱釋電檢測的人體位置信號、超聲波傳感器檢測的距離信號以及帶電開關(guān)柜內(nèi)三相電線接頭處的溫濕度檢測信號，控制語音報警系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)報警預(yù)警功能。系統(tǒng)中語音報警系統(tǒng)驅(qū)動信號，超聲波測距以及紅外傳感器、溫濕度傳感器分別通過SPI、單總線、IIC的通訊協(xié)議和單片機通訊，其主控單元電路最小系統(tǒng)如圖2所示。

1.2 人員誤入語音報警系統(tǒng)設(shè)計

人員誤入語音報警系統(tǒng)由HW3000無線控制模塊作為主控制，主要獲取并處理來自各個傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。無線控制模塊的輸入信號有來自熱釋電紅外傳感器[6-7]、超聲波測距、帶電傳感器以及電磁繼電器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，輸出信號有無線傳輸信號，主要通過SPI口實現(xiàn)。在設(shè)備背部嵌裝環(huán)形磁鐵，可直接吸附于開關(guān)柜上。在設(shè)備內(nèi)部安裝一個超聲波測距傳感器、兩個熱釋電紅外傳感器和一個高壓帶電傳感器，傳感器模塊安裝在設(shè)備的正面，將所測得距離信息發(fā)送到HW3000無線控制模塊進行處理。

圖2 主控單元電路最小系統(tǒng)

Fig.2 Minimum system of main control unit circuit

1.3 系統(tǒng)監(jiān)測模塊設(shè)計

高壓帶電傳感器由3個傳感器和1個顯示器經(jīng)導(dǎo)線連接組成，用于判斷開關(guān)柜的帶電狀態(tài)。額定頻率50 Hz，3個端子分別接入高壓電的A，B，C三相電，3個端子的輸出以串聯(lián)方式相互連接，保證電路的安全性。輸出端口out連接微控制器，作為檢測端口。

系統(tǒng)中熱釋電紅外傳感器用于確定人員具體位置，超聲波傳感器測量人員距帶電開關(guān)柜距離，其各個監(jiān)測模塊具體數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。

表1 各監(jiān)測模塊參數(shù)

1.4 溫濕度檢測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

在帶電開關(guān)柜的三相電線接頭處分別放置3個溫度監(jiān)測點和3個濕度監(jiān)測點，經(jīng)過一定時間間隔，測定6個監(jiān)測點的溫度和濕度數(shù)據(jù)，由主控制模塊將溫濕度數(shù)據(jù)值輸入到溫濕度檢測電路，再發(fā)送給信號處理電路，同時將所測得的溫濕度數(shù)值與預(yù)設(shè)標準范圍相比較。

當所測數(shù)值不在預(yù)設(shè)標準值范圍內(nèi)時，將帶電開關(guān)柜溫濕度數(shù)值發(fā)送給與運監(jiān)部門顯示器連接的輸出顯示模塊上，同時反饋給HW3000無線控制模塊，通過語音報警系統(tǒng)啟動語音播報模塊進行報警，實現(xiàn)防止開關(guān)柜過熱而引發(fā)火災(zāi)的功能。溫濕度檢測預(yù)警系統(tǒng)框圖如圖3所示[8-10]，其中溫濕度傳感器分別采用ADT7420溫度檢測模塊和SHT30濕度檢測模塊。

1.5 檢測信號無線傳輸電路設(shè)計

HW3000模塊基于高性能的HW3000芯片構(gòu)成，應(yīng)用于射頻信號天線的接收發(fā)射。HW3000模塊接收靈敏度為-114 dBm，對于信息的存儲與發(fā)送也具有高穩(wěn)定性與高精準性。該模塊在系統(tǒng)設(shè)計中主要用于對傳感器信號的接收和處理，其電路如圖4所示。

圖3 溫濕度檢測預(yù)警系統(tǒng)框圖

圖4 檢測信號無線傳輸電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主流程如圖5所示。在高壓帶電傳感器判斷開關(guān)柜為帶電狀態(tài)時，系統(tǒng)開始工作。通過人體紅外傳感器和超聲波測距傳感器獲取人體位置信息，運行主控電路啟動報警預(yù)警系統(tǒng)，與此同時檢測目標人員是否還在檢測區(qū)域，若檢測到，則繼續(xù)循環(huán)；若未檢測到，停止運行。

圖5 系統(tǒng)主流程圖

圖6為熱釋電紅外傳感器測距流程圖，是在主流程圖的基礎(chǔ)上，描述人體紅外傳感器的具體工作過程。此過程包含單片機延時技術(shù)，為確保檢測過程中的實時性和準確性，設(shè)定延時參數(shù)delay為50 ms。

圖6 熱釋電紅外傳感器測距流程圖

溫濕度檢測預(yù)警系統(tǒng)流程如圖7所示，每隔一定時間(一、三季度2 h，二、四季度30 min)，測定三相電線接頭處的溫度和濕度，再將所測得的接頭處的溫度和濕度值與預(yù)設(shè)的標準溫濕度值進行對比，當所測數(shù)值不在預(yù)設(shè)標準值范圍內(nèi)時，將開關(guān)柜溫濕度發(fā)送給運監(jiān)部門顯示器，同時報警；當所測數(shù)值在預(yù)設(shè)標準值范圍內(nèi)時，循環(huán)此過程。

3 系統(tǒng)測試

為了檢驗系統(tǒng)的可靠性和實用性，在某變電站高壓開關(guān)柜內(nèi)進行測試：10 kV KYN28-12型高壓開關(guān)柜，天氣多云，室外氣溫27 ℃，室內(nèi)溫度32 ℃。在上述條件下進行HW3000無線模塊測試、人體距離報警測試和溫濕度預(yù)警測試。圖8為系統(tǒng)實物測試圖。

3.1 HW3000無線模塊測試

由HW3000發(fā)送模塊發(fā)送3組溫度信息，將HW3000接收模塊串口打開，測試是否可以準確接收到溫度信息。經(jīng)檢測，該模塊功能良好。

圖7 濕溫度檢測預(yù)警系統(tǒng)流程圖

圖8 系統(tǒng)實物測試圖

3.2 人體距離測試

將該報警設(shè)備放置在開關(guān)柜上，出于安全考慮，使用人體模型進行報警測試，測量結(jié)果如表2所示。

表2 人體位置檢測數(shù)據(jù)

圖9為表2測試結(jié)果的數(shù)據(jù)柱狀圖。由圖9可知，當人體進入檢測區(qū)域(開關(guān)柜帶電間隔前的5 m距離內(nèi))時，無論距帶電開關(guān)柜的距離遠近，人員誤入報警系統(tǒng)都會執(zhí)行播報警告。

圖9 測試距離與預(yù)警報警圖

3.3 溫濕度預(yù)警操作測試

在開關(guān)柜三相電線接頭處分別設(shè)置3個溫度結(jié)點和3個濕度結(jié)點，進行結(jié)點處溫濕度報警測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 溫濕度檢測數(shù)據(jù)

由表3可知，當開關(guān)柜三相電線接頭至少一處的溫度大于預(yù)設(shè)的40 ℃時，設(shè)備會執(zhí)行報警操作；當開關(guān)柜三相電線接頭處至少一處的相對濕度大于預(yù)設(shè)的95%時，設(shè)備也會執(zhí)行報警操作[11-13]。

4 結(jié) 語

設(shè)計了一款基于多傳感器監(jiān)測的便攜式帶電開關(guān)柜智能語音報警器，可以降低電力系統(tǒng)發(fā)電、供電各環(huán)節(jié)高壓部分中因維修人員誤入帶電間隔導(dǎo)致的人身傷亡以及開關(guān)柜過熱造成的火災(zāi)和大面積的停電事故。該設(shè)計利用熱釋電紅外傳感器和超聲波測距判斷人員與設(shè)備的位置距離，通過HW3000無線控制模塊對語音報警系統(tǒng)的控制，使其完成語音播報提示與預(yù)警。與現(xiàn)有同類成果相比[14-17]，該系統(tǒng)不僅能夠快速準確地對人員誤入帶電間隔進行預(yù)警/報警，而且還可進行帶電開關(guān)柜的實時溫濕度檢測，避免因溫度過高而引發(fā)火災(zāi)，從而提高電力操作安全性和可靠性，防止電力事故發(fā)生。通過試驗可知，設(shè)計的整個系統(tǒng)具有良好的可靠性，實用性強，可行性高。