揚(yáng)州北辰電氣集團(tuán)有限公司 席曉波

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，承擔(dān)著為用戶提供高質(zhì)量電能的任務(wù)，是配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其安全性與可靠性具有至關(guān)重要的意義。配電網(wǎng)設(shè)備長(zhǎng)期在戶外作業(yè)，會(huì)受到大氣腐蝕、化學(xué)作用以及天氣環(huán)境的影響，設(shè)備狀態(tài)也會(huì)逐漸變壞，直接影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。如何實(shí)時(shí)檢測(cè)、檢修配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)成為電力行業(yè)重點(diǎn)研究課題之一。

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的放射式、樹(shù)干式配電網(wǎng)已經(jīng)無(wú)法滿足電網(wǎng)建設(shè)以及社會(huì)大眾的需求，環(huán)式配電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。環(huán)式配電網(wǎng)指的是供電干線可以構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)形，由供電電源向環(huán)形干線供電，在干線上一路通過(guò)高壓開(kāi)關(guān)向外配電。環(huán)式配電網(wǎng)形式中最為關(guān)鍵的設(shè)備為環(huán)網(wǎng)柜。環(huán)網(wǎng)柜指的是一組輸配電氣設(shè)備，主要安裝在金屬或者非金屬絕緣柜內(nèi)，核心部件為熔斷器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能好等優(yōu)勢(shì)。環(huán)網(wǎng)柜實(shí)質(zhì)上是一種高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備，直接決定著環(huán)式配電網(wǎng)能否正常作業(yè)。

10KV環(huán)網(wǎng)柜在現(xiàn)今配電網(wǎng)中應(yīng)用最為廣泛，性能較佳，但依然存在著一定的缺陷。例如由于10KV環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)次數(shù)過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備溫度上升，從而破壞環(huán)網(wǎng)柜的絕緣層，影響環(huán)網(wǎng)柜的整體性能，故提出10KV環(huán)網(wǎng)柜故障下配電網(wǎng)設(shè)備檢修系統(tǒng)研究。

1 配電網(wǎng)設(shè)備檢修系統(tǒng)硬件單元

環(huán)網(wǎng)柜故障主要由溫度與振動(dòng)造成的，故設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件單元為無(wú)線測(cè)溫傳感器硬件單元、振動(dòng)傳感器單元與環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元，具體硬件單元設(shè)計(jì)過(guò)程如下所示。

1.1 無(wú)線測(cè)溫傳感器硬件單元

無(wú)線測(cè)溫傳感器由數(shù)字式測(cè)溫芯片、CPU、無(wú)線通信芯片以及供電電池構(gòu)成。

依據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求，數(shù)字式測(cè)溫芯片選取TMP102芯片；為了保障測(cè)溫傳感器的安裝便利性，采用電池供電方式。測(cè)溫傳感器供電電池選用2節(jié)1000mAh鋰電池，其使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)5年；測(cè)溫傳感器CPU選用Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F690芯片，該芯片中自帶存儲(chǔ)器，功能為存儲(chǔ)測(cè)溫傳感器的唯一地址編號(hào)，利用通信線路獲取數(shù)字式測(cè)溫芯片測(cè)量數(shù)據(jù)。

考慮到硬件單元之間的連接問(wèn)題，測(cè)溫傳感器中CPU芯片需要具備PC817硬件，以此實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，方便測(cè)溫傳感器與其他硬件單元的連接。

1.2 振動(dòng)傳感器單元

振動(dòng)傳感器是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件之一，其功能為接收環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械量，并將其轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。振動(dòng)傳感器實(shí)質(zhì)上是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，故也可將其稱為換能器。

振動(dòng)傳感器通過(guò)高速UART接口和采集單元連接在環(huán)網(wǎng)柜上，當(dāng)環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械開(kāi)關(guān)時(shí)，傳感器外殼隨環(huán)網(wǎng)柜振動(dòng)，由慣性質(zhì)量塊記錄筆記錄下傳感器外殼的相對(duì)振動(dòng)位移幅值，利用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系式求解環(huán)網(wǎng)柜的振動(dòng)位移波形。

振動(dòng)傳感器參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

表1 振動(dòng)傳感器參數(shù)表

1.3 環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元

環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元任務(wù)是接收溫度、開(kāi)關(guān)震動(dòng)位移數(shù)據(jù)等信息?？傮w結(jié)構(gòu)由傳感器模塊、下位機(jī)、通信模塊、以及上位機(jī)組成。上述配置均是依據(jù)成本、穩(wěn)定性、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期等因素決定的其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

首先由傳感器從現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)，做初步的信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將信號(hào)傳輸?shù)较挛粰C(jī)完成信號(hào)處理等功能，如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常則會(huì)動(dòng)作于跳閘或發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將與事故相關(guān)的信息存儲(chǔ)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備監(jiān)控保護(hù)的目的，同時(shí)將信號(hào)通過(guò)CAN總線系統(tǒng)上傳，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。此外所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

上述過(guò)程完成了系統(tǒng)硬件單元的設(shè)計(jì)，但是依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備的檢修，故以設(shè)計(jì)硬件單元為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件模塊。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 配電網(wǎng)設(shè)備檢修系統(tǒng)軟件模塊

2.1 測(cè)溫傳感器軟件模塊

當(dāng)配電網(wǎng)設(shè)備中存在高電流時(shí)，電纜易產(chǎn)生高溫故障，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)網(wǎng)柜溫度狀況。測(cè)溫傳感器利用無(wú)響應(yīng)方式向環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元傳輸采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為30s，數(shù)據(jù)傳輸間隔為5min。需要注意的是，若溫度數(shù)值變化幅度大于2℃或者溫度數(shù)值高于75℃時(shí)，測(cè)溫傳感器實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元。

測(cè)溫傳感器軟件模塊主要任務(wù)是設(shè)置主程序，具體步驟如下所示：

步驟一：初始化測(cè)溫傳感器；配置I/O方向寄存器，并喚醒測(cè)溫傳感器；

步驟二：休眠CPU10ms，為溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備；

步驟三：?jiǎn)拘袰PU，讀取傳感器溫度數(shù)值；

步驟四：判斷是否發(fā)送溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，若發(fā)送溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟五；若不發(fā)送溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟六；

步驟五：?jiǎn)拘裄F子模塊，發(fā)送溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后休眠RF子模塊；

步驟六：I/O口低功耗配置，重新休眠CPU10ms，休眠時(shí)間結(jié)束后，喚醒CPU，轉(zhuǎn)至步驟一，直至全部溫度測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送完成結(jié)束。

2.2 振動(dòng)檢測(cè)分析模塊

現(xiàn)有研究成果表明，運(yùn)行狀態(tài)良好的環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)具備極大的相似性，以此為依據(jù)，構(gòu)建一種相對(duì)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。以已知的環(huán)網(wǎng)柜正常狀態(tài)為參考，計(jì)算環(huán)網(wǎng)柜待檢狀態(tài)與參考狀態(tài)的相似程度，若該數(shù)值在一定范圍內(nèi)，判定環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)正常；若該數(shù)值超出給定范圍，判定環(huán)網(wǎng)柜出現(xiàn)故障。

環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)過(guò)程中，分、合閘振動(dòng)強(qiáng)烈，其形成的振動(dòng)波形屬性為非線性非平穩(wěn)信號(hào)，頻率分布較為隨機(jī)，具有極強(qiáng)的不確定性。故利用小波包分析法處理由振動(dòng)傳感器獲取的振動(dòng)位移波形。

采用小波包分析法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，依據(jù)其高頻重構(gòu)系數(shù)計(jì)算全電流瞬時(shí)值，若數(shù)值超過(guò)給定閾值，則認(rèn)為環(huán)網(wǎng)柜處于故障狀態(tài)。全電流瞬時(shí)值計(jì)算公式為：

式（1）中，B(n)表示的是環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)的標(biāo)么值；T(n)表示的是環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)的正常運(yùn)行時(shí)電流幅值；R(n)表示的是環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)的高階細(xì)節(jié)分量；n表示的是采樣點(diǎn)；m表示的是采樣點(diǎn)總數(shù)量。

通過(guò)上述硬件單元與軟件模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)設(shè)備檢修系統(tǒng)的運(yùn)行，為環(huán)式配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供更加有效的保障。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

采用MATLAB軟件設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。為了保障仿真實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，充分準(zhǔn)備仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及參數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容如下所示。

仿真實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量環(huán)網(wǎng)柜開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)、溫度以及環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要開(kāi)展巡檢、狀態(tài)評(píng)價(jià)等輔助決策等工作。

設(shè)置測(cè)溫傳感器與振動(dòng)傳感器數(shù)量分別為3與5個(gè)，環(huán)網(wǎng)柜檢修傳感器如圖2所示。以此來(lái)保障采集數(shù)據(jù)的完整性，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，得到更加精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖2 環(huán)網(wǎng)柜檢修傳感器安裝圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。模擬5類環(huán)網(wǎng)柜故障，分別進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，取加權(quán)平均數(shù)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)環(huán)網(wǎng)柜故障檢測(cè)成功率反映設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能，與基于DA的電纜配電環(huán)網(wǎng)故障定位與隔離方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程如下所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到環(huán)網(wǎng)柜故障檢測(cè)成功率數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 環(huán)網(wǎng)柜故障檢測(cè)成功率數(shù)據(jù)表

如表2數(shù)據(jù)顯示，本文方法環(huán)網(wǎng)柜故障檢測(cè)成功率范圍為78.451%～84.125%，基于DA的電纜配電環(huán)網(wǎng)故障定位與隔離方法環(huán)網(wǎng)柜故障檢測(cè)成功率范圍為45.287%～62.451%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)柜故障檢測(cè)成功率遠(yuǎn)高于基于DA的電纜配電環(huán)網(wǎng)故障定位與隔離方法，充分說(shuō)明設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能更佳。

結(jié)束語(yǔ)：此研究以10KV環(huán)網(wǎng)柜作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)設(shè)備檢修系統(tǒng)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)柜故障檢測(cè)成功率達(dá)到78.451%以上，最高達(dá)84.125%，極大地提升了環(huán)網(wǎng)柜故障檢測(cè)成功率，可以為環(huán)式配電網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用提供更加有效的支撐，適合大力推廣與使用。