山東電工電氣集團(tuán)有限公司 史存?zhèn)?李鳳民 傅春明 張 猛 王 坤 劉恒志

本文設(shè)計了一套基于多參量姿態(tài)傳感器的組合電器分合閘狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過直接測量刀閘操縱桿的位置量實現(xiàn)刀閘位置的精準(zhǔn)判定，在不影響設(shè)備性能的前提下，與原有的刀閘輔助接點判定刀閘位置的方式共同形成了非同源的刀閘位置“雙確認(rèn)”判定系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，為能源物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)起到了積極地推動作用。

目前，智慧變電站倒閘操作多采用“一鍵順控”技術(shù)，其中刀閘分合閘狀態(tài)為“一鍵順控”的重要判據(jù)，刀閘遠(yuǎn)方操作時，至少存在兩個非同源指示同時發(fā)生對應(yīng)變化，才能確認(rèn)刀閘已操作到位。刀閘分合閘“雙確認(rèn)”的第一種判據(jù)一般采用輔助開關(guān)接點方式判斷位置狀態(tài)。另一種非同源方式主要監(jiān)測方法有：行程、視頻、壓力、光柵、姿態(tài)傳感器法等監(jiān)測方式，根據(jù)刀閘傳動結(jié)構(gòu)特點，不同的刀閘在位置變化時操動機(jī)構(gòu)的傳動機(jī)構(gòu)動作特性不同，但主要操動機(jī)構(gòu)會呈現(xiàn)出姿態(tài)變化，因此第二判據(jù)主要目的是測量刀閘的姿態(tài)位置。

姿態(tài)傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用在航模無人機(jī)、車輛船舶、人體運動分析等測量方位領(lǐng)域中。本設(shè)計在不影響設(shè)備性能的前提下，通過在刀閘操縱桿安裝姿態(tài)傳感器的方式，將監(jiān)測信號傳輸?shù)降堕l狀態(tài)接收裝置系統(tǒng)，實現(xiàn)一種非同源的刀閘分合閘位置監(jiān)測方式。與原有的刀閘輔助接點判斷結(jié)果結(jié)合形成刀閘分合閘狀態(tài)“雙確認(rèn)”系統(tǒng)，融合到一鍵順控系統(tǒng)中，保證了設(shè)備刀閘操作安全執(zhí)行。該系統(tǒng)作為刀閘“雙確認(rèn)”的第二判據(jù)，具有高精準(zhǔn)度及免維護(hù)的優(yōu)點，可將傳統(tǒng)倒閘144項操作縮減為12項操作任務(wù)，極大提升了工作效率及安全性。作為“一鍵順控”技術(shù)的推廣應(yīng)用，將給智能變電站帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時增加了可靠供電時長，對電網(wǎng)系統(tǒng)的能源物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)起到了積極地推動作用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

姿態(tài)傳感器信號通過串口將刀閘分合閘狀態(tài)信息發(fā)送給刀閘狀態(tài)接收裝置，刀閘狀態(tài)接收裝置經(jīng)過解析判斷后，將表示刀閘分合閘狀態(tài)的無源接點輸出至測控裝置（常規(guī)站） 或就地裝置（智能站），針對不同應(yīng)用場景，可設(shè)計有線傳輸和無線傳輸方式，實現(xiàn)多種運動工況下刀閘監(jiān)測。刀閘狀態(tài)接收裝置將傳感器的角度、分合閘時間、刀閘狀態(tài)等信息通過RS485接口或者網(wǎng)口上傳給后臺系統(tǒng)，其中，網(wǎng)口信息一般采用IEC61850協(xié)議，后臺系統(tǒng)可直接部署于變電站輔控平臺也可部署在單獨的一鍵順控主機(jī)中。實現(xiàn)刀閘分合閘狀態(tài)監(jiān)測和“雙確認(rèn)”功能。圖1所示為傳輸系統(tǒng)框架圖。

2 基于姿態(tài)傳感器的刀閘位置監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

圖1 傳輸系統(tǒng)框架圖

本文所設(shè)計的刀閘分合閘位置在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有姿態(tài)傳感器、刀閘狀態(tài)接收裝置及上位機(jī)信息系統(tǒng)組成。多參量姿態(tài)傳感器通過測量刀閘操作桿的姿態(tài)變化量后將信息傳送給信號接收裝置，從而計算分析得出刀閘位置信息，通過軟件算法對應(yīng)實時監(jiān)測判斷出“分閘到位”、“合閘到位”、“分閘異?！薄ⅰ昂祥l異?！彼姆N狀態(tài)。對于每臺刀閘設(shè)備分合閘狀態(tài)，輸出3對接點信號，2路用于刀閘分合閘狀態(tài)，1路表示傳感器故障接點信號，傳感器故障接點閉合，正常時分開。另外，接收裝置通過IEC61850協(xié)議將監(jiān)測到的信號傳送給后臺系統(tǒng)，進(jìn)而與傳統(tǒng)的輔助開關(guān)接點判定刀閘位置的方式共同形成了非同源的刀閘位置“雙確認(rèn)”判定系統(tǒng)。

2.1 多參量姿態(tài)傳感器的設(shè)計

姿態(tài)傳感器采用加速度計、磁傳感器、陀螺儀的多參量傳感器和微處理器等構(gòu)成，內(nèi)部嵌入擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，能夠快速精確的解算出航向角、俯仰角和翻滾角等信息，測量分辨率為0.01°，可進(jìn)行內(nèi)部自校準(zhǔn)。采用獨立硬件看門狗及高速無限讀寫次數(shù)鐵電存儲器。具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標(biāo)定、參數(shù)配置、地址設(shè)置等眾多功能，俯仰角/翻滾角測量范圍-360°～+360°（可自行設(shè)置，最大-1800°～+1800°）；航向角測量范圍-720°～+720°（可自行設(shè)置，最大-1800°～+1800°）。

2.2 信號接收裝置的設(shè)計

信號接收裝置由微處理器模塊、電源模塊、繼電器模塊、通信模塊和狀態(tài)顯示模塊構(gòu)成。主要完成傳感器刀閘角度量分析、刀閘分合閘狀態(tài)判斷、繼電器無源接點開出和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議輸出等功能。信號接收裝置主要技術(shù)指標(biāo)：輸入信號為18路信號接入；輸出開關(guān)量信號為18路常開、常閉接點輸出；電源輸入為AC100-240V；電源輸出3路DC24V輸出。整個硬件系統(tǒng)以ARM處理器最小系統(tǒng)為核心，通過不同類型的數(shù)字接口連接各個功能子模塊組成系統(tǒng)整體框架。硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

系統(tǒng)控制板主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)通信功能：系統(tǒng)控制板通過串口與姿態(tài)傳感器進(jìn)行通信，獲取姿態(tài)信息。

（2）裝置自檢與故障指示功能：具有裝置自檢功能，包括自身狀態(tài)自檢、傳感器狀態(tài)自檢、通信狀態(tài)自檢等，配備本地故障指示燈，并上傳至上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；信號接收裝置應(yīng)有傳感器故障就地指示燈，能夠就地判斷傳感器工作狀態(tài)。

（3）防死機(jī)功能：系統(tǒng)設(shè)計了看門狗芯片監(jiān)測主控制器的工作狀態(tài)，保證整個系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定工作。一旦主控制器出現(xiàn)死機(jī)狀態(tài)，立即進(jìn)行復(fù)位操作。

圖2 硬件設(shè)計框圖

（4）就地調(diào)試功能：信號接收裝置具備就地調(diào)試功能，能夠現(xiàn)場進(jìn)行程序升級，就地實現(xiàn)信號解析、傳感器的地址設(shè)置，具有對傳感器進(jìn)行精度校準(zhǔn)功能，并可通過后臺系統(tǒng)或裝置自身下發(fā)同語言指令，召喚任意一個傳感器的采集數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)解析與協(xié)議轉(zhuǎn)換功能：根據(jù)與姿態(tài)傳感器的通信協(xié)議解析所需要的參數(shù)信息，能夠分析傳感器監(jiān)測到的位置數(shù)據(jù)變化情況，根據(jù)與上層的通信介質(zhì)與協(xié)議，應(yīng)將刀閘的分合閘狀態(tài)和分合閘異常狀態(tài)進(jìn)行協(xié)議封裝上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

系統(tǒng)接口設(shè)計（表1、表2）：

表1 對外接口配置

表2 指示功能配置

硬件電路設(shè)計：

開出電路板采用2塊標(biāo)準(zhǔn)板，每塊提供12路開關(guān)量；同時增加3路電源控制，一路負(fù)責(zé)給繼電器供電，一路控制CPU的GPIO口控制信號；一路控制+24V備用電源輸出。如圖3所示，YK1和COM為遙控輸出的常開接點，K1為繼電器，U1為光電耦合器，起到隔離作用，繼電器K1的線圈3、4腳分別接光耦輸出腳3，24V電源地GND24V，光耦輸出腳4接24V電源正，光耦的輸入管腳1接操作電源VCC_OP，管腳2（YK1_CPU）接到MCU的GPIO口，單片機(jī)通過輸出高低電平控制光耦的關(guān)斷、導(dǎo)通，從而控制繼電器線圈的電源，達(dá)到控制繼電器觸點分合目的。

RS-485通信電路模塊如圖4所示，電路輸出端通過TVS二極管增強(qiáng)抗干擾能力，保持通信穩(wěn)定。U5為485收發(fā)芯片，管腳1為監(jiān)測端口，連接到MCU的UART_RX，管腳4為發(fā)送端口，連接到MCU的UART_TX，管腳2、3為收發(fā)控制管腳，通過三極管Q1來控制監(jiān)測或發(fā)送狀態(tài)，三極管的基極（RS485_CON1）連接到MCU的GPIO，輸出高電平時為監(jiān)測狀態(tài)，輸出高電平時為發(fā)送狀態(tài)，CL1為共模電感，用來抑制共模干擾，TVS1、TVS2、TVS3為瞬態(tài)抑制二極管，用來防止浪涌或靜電放電對電路造成損壞，R14為線路終端匹配電阻，RS485_1_A、RS485_1_B為485電路信號接口。

2.3 信號接收裝置系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計

信號接收裝置下位機(jī)軟件采取嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，軟件的整體設(shè)計思想采用輪詢的方式，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需要執(zhí)行應(yīng)用層相應(yīng)的功能程序，完成系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度與管理。

圖3 開出電路板繼電器控制電路圖

圖4 RS-485通信電路圖

圖5 下位機(jī)軟件架構(gòu)圖

軟件架構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，從上到下依次為應(yīng)用層、基礎(chǔ)層和驅(qū)動層。如圖5所示。該設(shè)計可將復(fù)雜功能簡單化，降低層與層之間的依賴，有利于程序的標(biāo)準(zhǔn)化以及功能的增添或替換。驅(qū)動層主要負(fù)責(zé)對底層硬件電路和芯片的訪問，實現(xiàn)對不同功能電路的控制、對采集芯片的驅(qū)動：主要包括SPI讀寫驅(qū)動、不同功能的串口驅(qū)動與模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動。基礎(chǔ)層位于驅(qū)動層的上層，主要負(fù)責(zé)將相對應(yīng)的驅(qū)動層封裝成程序服務(wù)單元，給頂層的應(yīng)用層提供簡單靈活的接口，便于實現(xiàn)不同功能：主要包括系統(tǒng)參數(shù)配置程序、上電自檢程序、與傳感器之間的通信任務(wù)、與上位機(jī)軟件之間的通信任務(wù)、以太網(wǎng)信息收發(fā)任務(wù)、電壓電流信息采集任務(wù)、狀態(tài)指示輸出任務(wù)、無源開關(guān)量輸出任務(wù)。應(yīng)用層位于分層結(jié)構(gòu)的最頂層，主要負(fù)責(zé)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等任務(wù)的切換。在應(yīng)用層中，有人機(jī)交互程序、系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、狀態(tài)指示程序。

傳感器數(shù)據(jù)接收與處理：

傳感器接收并處理數(shù)據(jù)流程如圖6所示，傳感器數(shù)據(jù)主要分為姿態(tài)數(shù)據(jù)和地址應(yīng)答。姿態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)分合閘判據(jù)進(jìn)行判斷，并根據(jù)與上位機(jī)的通信協(xié)議將分合狀態(tài)與具體參數(shù)進(jìn)行上傳；地址應(yīng)答是上位機(jī)設(shè)置地址的具體應(yīng)答，信號接收裝置作為中繼站將設(shè)置結(jié)果反饋給上位機(jī)。

信號接收裝置：

信號接收裝置收到上位機(jī)參數(shù)類型與上位機(jī)軟件的功能相關(guān)，主要分為傳感器地址與分組設(shè)置、分合閘角度設(shè)置、分合閘容差角度設(shè)置、分合位標(biāo)定與角度清零等。信號接收裝置需要根據(jù)接收數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行不同的功能模塊數(shù)據(jù)處理。如圖7所示。

3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計

上位機(jī)系統(tǒng)基于VS2017平臺下的.Net framework4.5框架開發(fā)，由采集平臺、共享內(nèi)存、智能告警分析、狀態(tài)判別及數(shù)據(jù)存儲等部分組成。上位機(jī)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想軟件界面如圖8所示。后臺界面可按照現(xiàn)實需求靈活編輯，傳感系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)控后臺，對傳感器及接收裝置的工作狀態(tài)、自檢的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。同時對現(xiàn)場各刀閘歷史運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分合閘各種異常分合閘特征，分析刀閘健康狀態(tài)，監(jiān)控后臺系統(tǒng)可單獨部署也可集成到變電站現(xiàn)有輔控平臺中。

主要功能：完成對下位機(jī)裝置的通信，包括人機(jī)交互界面、以太網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)圖形顯示、數(shù)據(jù)庫查詢下載等。數(shù)據(jù)通信包括地址、編組設(shè)置命令下發(fā)，接收下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)與分合閘判據(jù)等參數(shù)；查詢和配置參數(shù)：IP與端口號設(shè)置、接收裝置的地址與編組、分合位角度、容差角度等設(shè)置；清零與矯正功能；數(shù)據(jù)解析與展示功能；分合閘狀態(tài)分析；數(shù)據(jù)存儲、查詢、下載及導(dǎo)出功能。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)處理流程

圖7 信號接收裝置接收數(shù)據(jù)處理流程

圖8 上位機(jī)軟件頁面

圖9 分合閘設(shè)置頁面

分合閘參數(shù)設(shè)置頁面，以列表形式方便設(shè)置接收裝置地址、接收裝置地址編組、分位角度、合位角度、分合閾值角度等，可根據(jù)不同電壓等級和不同類型的刀閘可方便進(jìn)行傳感器配置。如圖9所示。

4 IEC61850通訊協(xié)議的設(shè)計

為了后臺更好的監(jiān)測刀閘實時狀態(tài)，本設(shè)計通過采用modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（MMS），將刀閘信息上傳至Ⅲ區(qū)的后臺可視化系統(tǒng)中或接入變電站現(xiàn)有的輔控系統(tǒng)平臺。上傳信息包括接收裝置自檢，姿態(tài)傳感器狀態(tài)自檢，失電報警，狀態(tài)報告，故障報警；隔離開關(guān)角度，分合閘時間，姿態(tài)傳感器狀態(tài)，傳感器在線狀態(tài)；隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)（合閘，分閘，合閘異常，分閘異常）等信息。將監(jiān)測每個隔離開關(guān)描述為一個IED對象，將最小功能單元建模為一個邏輯節(jié)點對象。

（1）協(xié)議轉(zhuǎn)換卡與MCU數(shù)據(jù)交換參考Modbus-RTU協(xié)議，同時增加自定義報文進(jìn)行通訊，通信參數(shù)設(shè)置包括：波特率（9600，可配）；無奇偶校驗位；1個停止位；8個數(shù)據(jù)位。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換卡與MCU數(shù)據(jù)交互主要包括：每個隔離開關(guān)（共6個，1～6）A、B、C三相的開關(guān)角度、開關(guān)動作時間、姿態(tài)傳感器狀態(tài)自檢、姿態(tài)傳感器故障告警、姿態(tài)傳感器通信狀態(tài)，以及每個隔離開關(guān)（共6個，1～6）的分合閘狀態(tài)、接收裝置狀態(tài)自檢和接收裝置故障告警等信息。

（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換卡和MCU之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議的0x03功能碼（協(xié)議轉(zhuǎn)換卡作為主機(jī)，MCU作為從機(jī)）。

（4）協(xié)議轉(zhuǎn)換卡在開機(jī)時采集一次，后續(xù)每隔1s采集一次，實時更新。MCU的從機(jī)地址為0x01，寄存器起始地址為300（0x012C），協(xié)議轉(zhuǎn)換卡讀取MCU數(shù)據(jù)的寄存器個數(shù)為20（0x0014）。

5 試驗

刀閘位置在線監(jiān)測系統(tǒng)試驗項目和試驗要求應(yīng)該滿《國網(wǎng)運檢部關(guān)于印發(fā)隔離開關(guān)分合閘位置“雙確認(rèn)”改造技術(shù)規(guī)范（試行）的通知》（運檢一〔2018〕99號）》和《Q/GDW 1535變電設(shè)備在線檢測裝置通用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，按照試驗項目要求進(jìn)行試驗驗證。表3為刀閘位置在線監(jiān)測系統(tǒng)部分試驗項目。

圖10 樣機(jī)試驗檢測圖

表3 刀閘位置在線監(jiān)測系統(tǒng)部分試驗項目列表

本設(shè)計的刀閘位置在線監(jiān)測裝置在完成設(shè)計后，廠內(nèi)進(jìn)行相關(guān)試驗合格后，2020年6月在許昌開普檢測研究院股份有限公司進(jìn)行型式試驗驗證，試驗項目一次性通過率100%，刀閘位置的狀態(tài)監(jiān)測判定準(zhǔn)確率100%，位置檢測定位精度誤差≤0.46°，測試重復(fù)性精度≤0.11°，通訊數(shù)據(jù)一致性良好。試驗表明，本次設(shè)計的刀閘位置在線監(jiān)測裝置性能良好，可滿足變電站運行刀閘設(shè)備的在線監(jiān)測需求。樣機(jī)試驗檢測圖如圖10所示。

為滿足國家電網(wǎng)中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)建設(shè)需要，支撐變電站智能化一鍵順控實施，解決變電站采用單一輔助開關(guān)接點判斷刀閘位置方式的誤判問題，本文設(shè)計了一套基于姿態(tài)傳感器的刀閘位置在線監(jiān)測系統(tǒng)作為刀閘“雙確認(rèn)”的第二判據(jù)，實現(xiàn)刀閘的合閘到位、分閘到位、合閘異常、分閘異常準(zhǔn)確判斷，可自動上傳上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可適用于不同電壓等級的敞開式和組合電器刀閘狀態(tài)監(jiān)測，可實現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)及傳動機(jī)構(gòu)的運行狀態(tài)的提前判斷，提高高壓開關(guān)操作智能化水平，為變電站的可靠穩(wěn)定運行提供安全保障。