李 涵 宋 宇

一種就地化保護自動檢測平臺硬件設(shè)計與應(yīng)用

李 涵 宋 宇

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 211102）

隨著智能變電站建設(shè)規(guī)模不斷擴大，就地化保護裝置需求量持續(xù)增加，設(shè)備生產(chǎn)工廠及檢驗中心的工作量隨之增加，常規(guī)的人工檢測方式無論是在效率方面還是檢測質(zhì)量方面都存在不足之處，無法滿足需求。如何實現(xiàn)對就地化繼電保護裝置的快速有效檢測，已經(jīng)成為就地化繼電保護裝置廣泛推廣應(yīng)用前需要解決的關(guān)鍵性問題。針對該問題，本文設(shè)計就地化保護自動檢測系統(tǒng)的硬件平臺，對流水線平臺與軟件操作系統(tǒng)配合工作實現(xiàn)自動運輸、投卸技術(shù)進行分析研究。

智能變電站；就地化保護；自動檢測；柔性插接

0 引言

近年來，智能電網(wǎng)概念的興起極大促進了智能變電站的建設(shè)，就地化保護的新思路應(yīng)運而生[1]。由于就地化保護裝置的測試方法和通信形式發(fā)生變化，大量檢測工作需要在工廠進行，常規(guī)檢測方法無法滿足工廠化大規(guī)模檢測需求，這一問題給就地化保護測試工作帶來了新的挑戰(zhàn)[2]。針對上述問題，本文設(shè)計一種就地化保護自動檢測平臺，以解決就地化保護裝置檢測方法不成熟、效率低等問題。

1 就地化保護檢測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

就地化保護檢測平臺整體架構(gòu)如圖1所示，該平臺采用模塊化設(shè)計、流水線式檢測方式，主要部件包括掃描模塊、測試模塊、流水線裝置、檢測控制臺。

1）掃描模塊

掃描模塊的作用是對被測繼電保護裝置的智能標(biāo)簽進行掃描，讀取其基本參數(shù)信息，并將該信息反饋給檢測控制臺。

圖1 就地化保護檢測平臺整體架構(gòu)

2）測試模塊

測試模塊的作用是接收檢測控制臺發(fā)送的檢測功能指令，向被測繼電保護裝置輸入相應(yīng)的開關(guān)量和電壓、電流值，并將被測繼電保護裝置的反饋量回傳至檢測控制臺。測試模塊的輸入、輸出信號，既可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號[3]，一個測試平臺通常包括多個測試模塊，與流水線裝置的檢測工位對應(yīng)，可以根據(jù)測試需要投入或投出。

3）流水線裝置

流水線裝置用于運輸及投卸被測繼電保護裝置。檢測控制臺將指令下達給流水線裝置，電動臺依次將被測繼電保護裝置傳輸?shù)綑z測工位進行連接。為了能夠適應(yīng)多種測試方案，真正體現(xiàn)流水線技術(shù)的優(yōu)越性，流水線平臺可以設(shè)置多個檢測工位供測試模塊使用，檢測工位通過光纜與測試模塊通信，通過航插接插件與被測繼電保護裝置連接。

4）檢測控制臺

檢測控制臺是整個測試平臺系統(tǒng)的核心樞紐，通過對各部分模塊進行合理調(diào)度來實現(xiàn)被測裝置的運輸、測試方案的生成與下達和測試數(shù)據(jù)分析整個自動閉環(huán)檢測過程。

2 就地化保護檢測系統(tǒng)硬件工作原理

2.1 自動傳輸裝載設(shè)計

就地化保護在裝置尺寸、通信協(xié)議和應(yīng)用模型方面實現(xiàn)高度標(biāo)準(zhǔn)化，輔以預(yù)制航插接口的應(yīng)用，為測試過程中自動定位和對接創(chuàng)造了條件[4-5]。就地化保護測試可采用流水線自動傳輸和裝載方式，將被測裝置接入測試系統(tǒng)指定工位，減少人為干預(yù)。

流水線測試平臺的流水線裝置采用電動滑臺的設(shè)計，主要由定位工裝件、標(biāo)準(zhǔn)航插接插件、、二軸滑軌組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動滑臺示意圖

1）滑軌

滑軌采用、二軸滑軌，軸滑軌進行橫向移動，用于被測裝置與測試模塊的工位定位，軸滑軌進行縱向移動，用于被測裝置與測試模塊的航插接插件對接。當(dāng)滑軌在300mm范圍內(nèi)移動時，精度誤差小于0.03mm，當(dāng)滑軌在1 000mm范圍內(nèi)移動時，精度誤差最大不超過0.1mm。

2）定位工裝件

定位工裝件用于固定被測裝置，對被測裝置縱向移動時的精度起決定性作用。由于不同類型的被測裝置的接口位置尺寸不盡相同，因此在安裝被測裝置前，需要對定位工裝件進行調(diào)整以滿足測試需求。

3）標(biāo)準(zhǔn)航插接插件

標(biāo)準(zhǔn)航插接插件的作用是與被測裝置進行對接，向被測裝置傳入開關(guān)量和電壓、電流值[6]，并將反饋信號回傳至檢測控制臺。由于不能保證不同類型的被測裝置在接口設(shè)計上絕對一致，因此標(biāo)準(zhǔn)航插接插件在設(shè)計上需要留有裕度，采用柔性設(shè)計，使標(biāo)準(zhǔn)航插接插件在橫向上可以進行小范圍移動，柔性接插件示意圖如圖3所示。同時，為了保證接插件的穩(wěn)定性，需要采用定位彈簧對接插件進行固定。當(dāng)被測裝置的接口被軸滑軌推入導(dǎo)向槽時，軸滑軌開始工作，使航插接口移動，最終實現(xiàn)被測裝置和測試模塊穩(wěn)定銜接。

4）位置傳感器

本文設(shè)計的流水線檢測系統(tǒng)使用光電位置傳感器與磁性位置傳感器。光電位置傳感器用于感應(yīng)被測保護裝置在電動滑臺上的實際位置，并將位置數(shù)據(jù)傳輸給測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對被測裝置的實際定位。磁性位置傳感器安裝在電動滑臺的氣缸上，其作用是檢測測試時接插件的實際位置。當(dāng)接插件發(fā)生機械故障而未處于初始位置時，電動滑臺開始運轉(zhuǎn)，會對接插件造成損害。因此，安裝磁性位置傳感器可以感應(yīng)接插件的實際位置，當(dāng)接插件沒有回歸至初始位置時，測試系統(tǒng)將暫停電動滑臺運行，從而保護接插件。

圖3 柔性接插件示意圖

2.2 流水線檢測設(shè)計

流水線檢測單元控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖4所示，包括主控單元模塊、傳感器模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、伺服電動機驅(qū)動模塊、通信接口模塊和輔助電源模塊六個部分。

圖4 流水線檢測單元控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

主控單元的作用是對各工控單元進行合理調(diào)度以完成流水線檢測；傳感器模塊的作用是對光電傳感器和磁傳感器的信號采樣處理；電磁閥驅(qū)動模塊用于驅(qū)動電動滑臺氣缸運行；伺服電動機驅(qū)動模塊用于驅(qū)動伺服電動機帶動平臺運行；通信接口模塊為主控單元和其他模塊提供通信服務(wù)，其中控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network, CAN）通信用于主控端與各測試接口進行通信，RS 485用于主控端和交流伺服電動機通信以控制電動滑臺的運行速度；輔助電源模塊為各部分提供所需電能。

被測繼電保護裝置在通過標(biāo)簽檢驗后，由電動滑臺運至流水線系統(tǒng)指定的檢測環(huán)節(jié)工位，在被測繼電保護裝置進入對應(yīng)的工位前，流水線檢測系統(tǒng)通過CAN總線發(fā)送工位狀態(tài)，隨后流水線檢測系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前工位的運行狀態(tài)判斷是否將被測繼電保護裝置投入，電動滑臺推動裝置與測試儀完成對接進行檢測，檢測的結(jié)果及對應(yīng)的工位編號通過CAN總線回傳至測試控制臺。

3 就地化保護檢測系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

3.1 氣缸及其控制電磁閥選型

因為設(shè)計的流水線平臺主要進行重復(fù)性的水平運動，運動過程較為簡單穩(wěn)定，若采用電缸作為動力執(zhí)行器，成本較高，且電缸在平臺運行受阻時容易被損壞，故選用亞德客公司生產(chǎn)的雙軸氣缸作為動力執(zhí)行器，型號為TN32，如圖5所示。該型雙軸氣缸可以適應(yīng)多種復(fù)雜的工作環(huán)境[7-8]，能在承受大負載的同時保持動作靈敏，輸出轉(zhuǎn)矩線性穩(wěn)定，保證電動滑臺的平穩(wěn)運行。

圖5 亞德客TN32型雙軸氣缸

電磁閥用于控制氣缸動作，當(dāng)電磁閥內(nèi)部的電磁線圈通電或者斷電時，其產(chǎn)生的電磁力將會控制閥門通斷進而控制氣缸的開閉[9]。因為流水線的電動滑臺僅當(dāng)運載被測繼電保護裝置時才會工作，其靜止時間遠大于運行時間，對應(yīng)的電磁閥閉合時間遠大于開啟時間，故采用亞德客公司生產(chǎn)的常閉式直流電磁閥，型號為4V210—08，如圖6所示。該型電磁閥采用24V直流供電，最大能夠提供0.8MPa壓強，具備耐久性好、動作勻速的優(yōu)點。

圖6 亞德客4V210—08型常閉式直流電磁閥

3.2 控制芯片選型

控制板實物如圖7所示，控制芯片采用數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）及復(fù)雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）的雙控制核心架構(gòu)。DSP芯片選用德州儀器公司的TMSF28377s型，該型DSP作為最新一代的控制處理器，具備最高200MHz的工作頻率和400MIPS（million instruction per second）的處理速度。CPLD芯片選用阿爾特拉公司的EPM1270T144型，該型CPLD具備最高333MHz的工作主頻，可以并行執(zhí)行多個任務(wù)程序。本文采用DSP負責(zé)處理模擬量采樣、通信接收發(fā)送任務(wù)及控制算法的計算任務(wù)，采用CPLD負責(zé)處理同步回放延時產(chǎn)生的計算任務(wù)和驅(qū)動波形的輸出任務(wù)。

圖7 控制板實物

3.3 傳感器采樣電路設(shè)計

本文設(shè)計的傳感器采樣電路采用歐姆龍公司PNP輸出型光電傳感器作為待測保護裝置的位置傳感器，具體型號為E3Z—LS86，該型光電傳感器對干擾信號抑制能力強，動作響應(yīng)迅速可靠[10]，因此適用于檢測被測保護裝置的實際位置。

設(shè)計的光電傳感器的采樣調(diào)理電路如圖8所示，光電傳感器采樣電路通過端口4接收采樣信號，經(jīng)過主回路處理后輸出至后級調(diào)理電路，再經(jīng)過運算放大器后送入DSP處理。運算放大器采用±12V供電，光電傳感器采用12V供電，當(dāng)光電傳感器工作正常時，傳感器綠色發(fā)光二極管LED2常亮，當(dāng)光電傳感器接收到采樣信號時，傳感器橙色發(fā)光二極管LED1閃爍。在光電傳感器的1端和4端并聯(lián)瞬態(tài)二極管TVS1用于抑制浪涌電壓，防止光電傳感器和后級調(diào)理電路因瞬時高壓而損壞。

圖8 光電傳感器采樣調(diào)理電路

磁性位置傳感器采用亞德客公司生產(chǎn)的磁性傳感器，具體型號為AL—20R，該型傳感器控制精度高，靈活性好，適用于偵測氣缸實際位置。磁性開關(guān)傳感器采樣調(diào)理電路如圖9所示，磁性位置傳感器采用12V供電，當(dāng)磁性開關(guān)傳感器未檢測到氣缸靠近時，開關(guān)處于斷開狀態(tài)，此時輸入采樣電壓被瞬態(tài)二極管TVS1鉗位至2.8V，DSP檢測為高電平。當(dāng)磁性開關(guān)傳感器檢測到氣缸靠近時，開關(guān)處于閉合狀態(tài)，回路導(dǎo)通，磁性開關(guān)傳感器的藍色發(fā)光二極管LED1和后級采樣調(diào)理電路的紅色發(fā)光二極管LED2同時被點亮，由于回路存在導(dǎo)通內(nèi)阻，此時輸入采樣電壓約為0.5V，DSP檢測為低電平。

圖9 磁性開關(guān)傳感器采樣調(diào)理電路

3.4 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計

電磁閥驅(qū)動電路如圖10所示，采用光耦將控制信號和功率信號進行電氣隔離，光耦采用安華高公司的HCPL—3120型。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transi- stor, MOSFET）采用威世公司生產(chǎn)的SI7738DP—T1—GE3 MOS管，該型MOS管最大可承受150V電壓及30A的持續(xù)電流。電磁閥驅(qū)動電路工作原理具體為：當(dāng)DSP輸入光耦3腳的PWM信號為高電平時，光耦原邊發(fā)光二極管截止，進而光耦副邊截止，光耦1腳輸出低電平，開關(guān)管S1驅(qū)動信號為低電平，電磁閥停止工作；當(dāng)DSP輸入光耦3腳的PWM信號為低電平時，光耦原邊發(fā)光二極管導(dǎo)通，使光耦副邊同樣導(dǎo)通，光耦1腳輸出高電平，開關(guān)管S1驅(qū)動信號為高電平，驅(qū)動電磁閥開始運行。為了在電磁閥關(guān)閉期間為功率模塊提供續(xù)流回路，在MOS管的漏極和電源之間并聯(lián)一個續(xù)流二極管VD1。紅色發(fā)光二極管LED1用于顯示電磁閥的工作狀態(tài)，當(dāng)電磁閥正常工作時，LED1被點亮。

圖10 電磁閥驅(qū)動電路

3.5 通信電路設(shè)計

1）CAN總線通信電路設(shè)計

本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)采用CAN總線實現(xiàn)各模塊通信功能，控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線起源于博世公司為汽車開發(fā)的通信協(xié)議，可以實現(xiàn)由點對點或由點對多的通信方式。得益于成本低廉、對干擾抑制能力好、可以實現(xiàn)遠距離實時通信的特點，目前CAN總線已經(jīng)發(fā)展為工業(yè)界嵌入式控制局域網(wǎng)的規(guī)范現(xiàn)場總線，本文設(shè)計的CAN總線通信電路如圖11所示。由于DSP本身具有CAN總線數(shù)據(jù)處理模塊，因此只需設(shè)計CAN收發(fā)器電路即可，本文采用恩智浦PCA82C251型CAN收發(fā)器芯片，該型CAN收發(fā)器芯片具有最大1Mbit/s的總線差分發(fā)射能力和CAN控制器差分接收能力，抗電磁干擾能力高，因此適用于大部分場景。流水線系統(tǒng)一般安裝于工廠，廠內(nèi)不同設(shè)備裝置會產(chǎn)生干擾，因此需要對CAN總線電路做干擾抑制處理。采用安華高HCPL—3120型光耦對CAN總線接收端和發(fā)送端進行電氣隔離。瞬態(tài)二極管TVS1和TVS2可以有效地抑制接收發(fā)送時突然產(chǎn)生的浪涌電壓，防止芯片損壞。圖11中紅色發(fā)光二極管LED1和綠色發(fā)光二極管LED2用于指示CAN通信信號的發(fā)送與接收。

圖11 CAN總線通信電路

2）RS 485總線通信電路設(shè)計

RS 485協(xié)議廣泛用于表征數(shù)字系統(tǒng)的驅(qū)動器和接收器的電氣特性，為了對電動滑臺的交流伺服電動機進行速度控制，需要在主控和交流伺服電動機之間建立RS 485通信，以傳輸電機的速度數(shù)據(jù)和指令信號。RS 485通信電路如圖12所示，由于伺服交流電動機處于高功率回路，因此需要進行電氣隔離。本文采用德州儀器ISO3082型全雙工RS 485收發(fā)器，該型收發(fā)器自帶隔離，無需外置光耦芯片，可以簡化通信電路。通信電路使用隔離的5V電源供電以保證通信不受外界信號干擾，使通信信號與電源信號有效隔離。

圖12 RS 485通信電路

通信芯片的接收使能端和發(fā)送使能端由同一個DSP驅(qū)動信號控制，通過程序判斷進行通信數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的模式選通。將RS 485總線的輸出端A上拉電阻到隔離的5V，輸出端B下拉電阻至隔離地，可以有效避免噪聲信號的干擾，同時使芯片未工作時A、B輸出端之間的電壓差能保持在200mV以上，設(shè)置兩個解耦電容以吸收總線上的高頻干擾信號。設(shè)置瞬態(tài)二極管用于抑制RS 485總線上的浪涌電壓，防止芯片損壞。為了適應(yīng)高速、長距離的信號傳輸，在伺服電動機設(shè)置120W的線路匹配阻抗，紅色的發(fā)光二極管LED1和綠色發(fā)光二極管LED2分別為信號的發(fā)送與接收指示燈，控制板采用DB9母頭的RS 485總線輸出接口以匹配交流伺服電動機的通信端口。

4 自動檢測平臺應(yīng)用

本文采用搭建的自動測試平臺對南瑞繼保公司生產(chǎn)的220kV就地化線路保護裝置PCS—931A—JG—G進行實際測試。

自動檢測平臺俯視圖如圖13所示，底部臺面布置二維運動滑軌，工件固定工裝安裝于運動滑軌頂部。編號1為軸滑軌，編號2為軸滑軌，編號3為定位工裝件，編號4為掃描器，編號5為標(biāo)準(zhǔn)航插接插件，編號6為被測繼電保護裝置PCS—931A—JG—G。

圖13 自動檢測平臺俯視圖

定位工裝件俯視圖如圖14所示，編號1為工位的線束固定夾具，編號2為4個航插，可在設(shè)定調(diào)節(jié)范圍內(nèi)左右移動，以滿足不同廠家裝置尺寸結(jié)構(gòu)的微調(diào)。

圖14 定位工裝件俯視圖

平臺首先通過掃描模塊掃描PCS—931A—JG—G裝置智能標(biāo)簽獲取裝置基本參數(shù)信息，然后平臺將PCS—931A—JG—G裝置運載至對應(yīng)檢測模塊的工位進行測試。測試結(jié)果正確后可進行下一項測試，最后自動生成測試報告。本平臺通過二維碼識別讀取保護裝置基本參數(shù)信息的方式替代人工輸入，通過流水線運輸測試裝置至指定工位替代人工安裝，將原有約30min的測試時長縮短到約15min，測試效率提升50%。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種就地化保護自動測試平臺，對于就地化保護裝置如何實現(xiàn)流水線自動化式的運輸、投卸技術(shù)進行了分析研究，給出測試平臺的整體架構(gòu)，闡述了各部分模塊的具體功能，對硬件平臺主要模塊進行選型，并設(shè)計了硬件平臺的采樣調(diào)理電路、電磁閥驅(qū)動電路、通信電路，為就地化保護自動檢測提供了一個高效的檢測途徑。

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Design and application of an automatic detection platform for local protection

LI Han SONG Yu

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd Maintenance Branch Company, Nanjing 211102)

With the continuous expansion of the construction scale of intelligent substations, the demand for local protection devices has been constantly increasing, and the workload of equipment production plants and inspection centers has also increased. Conventional manual inspection methods are insufficient in terms of efficiency and inspection quality, which is unable to meet the requirements. How to realize the rapid and effective detection of local protection relays has become a key issue that needs to be solved before the local protection relays being widely promoted and applied. In view of this problem, this paper designs the hardware platform of the local protection automatic detection system, and analyzes and researches the assembly line platform and the software operating system to realize the automatic transportation and unloading technology.

intelligent substation; local protection; automatic detection; flexible plug

2021-06-30

2021-07-26

李 涵（1990—），男，碩士，工程師，主要研究方向為繼電保護。