杜躍宇,邱書波

1.濟(jì)南能源工程集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250011 2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 電子信息工程學(xué)院,濟(jì)南250353

目前,國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)中的隔離開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)一般是通過(guò)遙測(cè)信號(hào)來(lái)判斷,并通過(guò)操作員觀察的方式進(jìn)行確認(rèn)。這樣的判斷方式存在諸多問(wèn)題,例如效率低、存在誤判風(fēng)險(xiǎn)等。在無(wú)人值守的變電站,人員無(wú)法第一時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察確認(rèn),一般采用視頻監(jiān)控的方式來(lái)確認(rèn)隔離開(kāi)關(guān)分合狀態(tài),而基于圖像的狀態(tài)監(jiān)測(cè)亦存在諸多問(wèn)題,例如受環(huán)境影響大、部署困難、算法對(duì)樣本依賴度高等?，F(xiàn)有的隔離開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)判斷方式存在一定的局限性,因此開(kāi)發(fā)一種行之有效、穩(wěn)定可靠的隔離開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法顯得尤為重要[1]。

近幾年,無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等技術(shù)的快速發(fā)展,其中姿態(tài)傳感器用于無(wú)人機(jī)、機(jī)器人的控制得到了很好的效果[2-3]。受此啟發(fā),將姿態(tài)傳感器引入到隔離開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)判斷中,不失為一種好的思路。

通過(guò)研究四軸旋翼機(jī)和自平衡機(jī)器人的姿態(tài)控制,本文將四軸旋翼機(jī)和自平衡機(jī)器人常用的姿態(tài)傳感器用于隔離開(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),基于姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)了一種隔離開(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)進(jìn)行精確判別,為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了重要保障。

1 硬件設(shè)計(jì)

該狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分組成,分別是安裝在隔離開(kāi)關(guān)上的姿態(tài)傳感器、用于接收姿態(tài)信息并判斷隔離開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)的接收裝置和用于在線顯示分合閘狀態(tài)并記錄的上位機(jī)。

對(duì)于常規(guī)變電站,接收裝置在對(duì)隔離開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)完成判斷之后通過(guò)開(kāi)關(guān)量將判定結(jié)果傳給測(cè)控裝置;對(duì)于智能變電站,接收裝置在對(duì)隔離開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)完成判斷之后通過(guò)開(kāi)關(guān)量將判定結(jié)果傳給智能終端。測(cè)控裝置或智能終端再按IEC61850規(guī)約通過(guò)變電站控制層傳送至監(jiān)控主機(jī)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于MPU9250的隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

1.1 姿態(tài)傳感器硬件設(shè)計(jì)

姿態(tài)傳感器基于InvenSense公司的MPU9250實(shí)現(xiàn),MPU9250內(nèi)部集成有3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)和3軸磁力計(jì),支持SPI和 IIC總線,傳輸速率可達(dá)400 kHz/s。角速度測(cè)量范圍最高達(dá)±2 000 (°)/s,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好。加速度測(cè)量范圍最大為±16 g,靜態(tài)測(cè)量精度高。磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量范圍為±4 800 μT。集成數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(DMP)可以整合九軸傳感器數(shù)據(jù),向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算數(shù)據(jù)。核心MCU采用STM32F103RCT6,主頻為72 MHz,程序存儲(chǔ)空間為256 KB,通過(guò)IIC協(xié)議獲取姿態(tài)信息后進(jìn)行處理,然后通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議與接收裝置通信交互數(shù)據(jù)[4-6]。傳感器系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 傳感器系統(tǒng)框圖

傳感器安裝于隔離開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主軸,采集隔離開(kāi)關(guān)分合閘時(shí)主軸旋轉(zhuǎn)的角度,通過(guò)該角度來(lái)判斷隔離開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài),并將角度、加速度、角加速度等數(shù)據(jù)通過(guò)485總線以Modbus-RTU協(xié)議上傳至接收裝置。接收裝置以此為依據(jù)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)進(jìn)行判斷,控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸出,并將數(shù)據(jù)通過(guò)IEC61850規(guī)約上傳至監(jiān)控主機(jī)。

1.2 接收裝置硬件設(shè)計(jì)

接收裝置主要用來(lái)處理傳感器上傳的數(shù)據(jù),通過(guò)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的分合閘狀態(tài)進(jìn)行判定,然后將判定結(jié)果通過(guò)IEC61850規(guī)約上傳。接收裝置主控芯片采用STM32F407VET6,它是一款帶DSP和FPU的高性能ARM Cortex-M4 MCU,具有512 KB Flash、168 MHz CPU、ART加速器、以太網(wǎng)和FSMC[7]。接收裝置的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 接收裝置系統(tǒng)框圖

接收裝置應(yīng)具備IEC61850通信功能,而在STM32F407VET6平臺(tái)上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,因此采用規(guī)約轉(zhuǎn)換的方式將標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC61850規(guī)約通信,從而將隔離開(kāi)關(guān)的角度、分合狀態(tài)等信息傳送至變電站后臺(tái)。

1.3 其他外圍電路

系統(tǒng)還包括存儲(chǔ)電路和串口通信電路。其中,存儲(chǔ)電路用來(lái)儲(chǔ)存常溫下門檻電壓對(duì)應(yīng)的標(biāo)定值,作為程序判定開(kāi)關(guān)量輸入狀態(tài)的依據(jù)。存儲(chǔ)芯片采用的是AT25040AN,這是一款SPI接口的CMOS EEPROM,容量為4 KB。串口通信電路用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信,作為調(diào)試與標(biāo)定的接口。收發(fā)器采用的是SP3232EBEA,這是一款寬電壓RS232收發(fā)器,采用增強(qiáng)型ESD規(guī)范設(shè)計(jì),提高了通信可靠性。

2 隔離開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)判定算法

隔離開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)判定算法是在接收裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)的,判斷依據(jù)是傳感器采集上傳的隔離開(kāi)關(guān)角度數(shù)據(jù),而隔離開(kāi)關(guān)最終的狀態(tài)判定還需要結(jié)合狀態(tài)判斷邏輯來(lái)完成。

2.1 隔離開(kāi)關(guān)分合閘到位判斷

姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)地對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的角度進(jìn)行采集,在部署時(shí)需要根據(jù)隔離開(kāi)關(guān)的分合位置對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)隔離開(kāi)關(guān)的初始狀態(tài)為合閘到位,此時(shí)將傳感器標(biāo)定為0度。當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)為分閘到位時(shí)再對(duì)傳感器標(biāo)定為θo。設(shè)隔離開(kāi)關(guān)的分閘到位和合閘到位的角度裕度為Δ,當(dāng)姿態(tài)傳感器被喚醒后測(cè)量出動(dòng)作開(kāi)始時(shí)的角度θs和動(dòng)作結(jié)束時(shí)的角度θf(wàn),可根據(jù)公式(1)判斷出隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)為由合到分且分閘成功。

θo-Δ≤θf(wàn)-θs≤θo+Δ

(1)

當(dāng)姿態(tài)傳感器測(cè)得的角度滿足公式(2)時(shí),則可判定隔離開(kāi)關(guān)的狀態(tài)為由分到合且合閘成功。

-θo-Δ≤θf(wàn)-θs≤-θo+Δ

(2)

當(dāng)姿態(tài)傳感器測(cè)得的角度值滿足公式(3)時(shí),則可判定隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)為分閘異常。

Δ<θf(wàn)-θs<θo-Δ

(3)

當(dāng)姿態(tài)傳感器測(cè)得的角度值滿足公式(4)時(shí),則可判定隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)為合閘異常。

-θo+Δ<θf(wàn)-θs<-Δ

(4)

2.2 狀態(tài)判斷邏輯

隔離開(kāi)關(guān)的狀態(tài)判斷需要接收裝置通過(guò)分析安裝于A、B、C三相隔離開(kāi)關(guān)上的傳感器數(shù)據(jù),分別對(duì)A、B、C三相隔離開(kāi)關(guān)分合閘位置和狀態(tài)進(jìn)行判定,然后再依據(jù)位置和狀態(tài)判斷邏輯對(duì)該隔離開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)進(jìn)行判定,其位置判定邏輯如圖4所示。

在完成位置判定結(jié)果的同時(shí),位置判定結(jié)果又作為狀態(tài)判定結(jié)果的輸入?yún)?shù),根據(jù)狀態(tài)判定邏輯完成隔離開(kāi)關(guān)的狀態(tài)判斷,其狀態(tài)判定邏輯如圖5所示。

圖5 狀態(tài)判定邏輯框圖

完成狀態(tài)判定后,接收裝置會(huì)開(kāi)出相應(yīng)的硬接點(diǎn),每個(gè)隔離開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)3個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出,其中1個(gè)接點(diǎn)對(duì)應(yīng)傳感器健康狀態(tài),另外兩個(gè)接點(diǎn)對(duì)應(yīng)隔離開(kāi)關(guān)的分合閘狀態(tài)。開(kāi)關(guān)量輸出邏輯如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)量輸出邏輯

3 軟件設(shè)計(jì)及可靠性與經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 軟件設(shè)計(jì)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件由姿態(tài)傳感器程序、接收裝置程序和61850協(xié)議轉(zhuǎn)換程序三部分構(gòu)成。其中,姿態(tài)傳感器程序用來(lái)采集和解算姿態(tài)傳感器采集到的角度、角速度、角加速度和地磁等信息,并將其打包成標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式,供接收裝置查詢或通過(guò)中斷方式送接收裝置;接收裝置程序用來(lái)查詢或中斷接收姿態(tài)傳感器上行數(shù)據(jù),依據(jù)分合閘判斷算法和邏輯判斷算法判斷出隔離開(kāi)關(guān)的狀態(tài),并控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸出動(dòng)作;IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換程序用來(lái)將接收裝置獲得的角度、判斷的隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)、控制的開(kāi)關(guān)量輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換為MMS協(xié)議經(jīng)站控層上傳至變電站監(jiān)控后臺(tái)。姿態(tài)傳感器程序流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器程序流程圖

姿態(tài)傳感器程序初始化后,加載傳感器配置,循環(huán)監(jiān)測(cè)姿態(tài)數(shù)據(jù),通過(guò)MPL庫(kù)解算出三軸加速度、角速度、磁力值和溫度,通過(guò)卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后進(jìn)行MODBUS標(biāo)準(zhǔn)格式打包[8-10]。若接收到接收裝置的數(shù)據(jù)請(qǐng)求,則將其發(fā)送給接收裝置。另外,當(dāng)檢測(cè)到大角度變化時(shí)會(huì)喚醒發(fā)送中斷,將數(shù)據(jù)上傳至接收裝置。

接收裝置程序初始化后,加載接收裝置配置信息,開(kāi)始循環(huán)查詢各個(gè)傳感器數(shù)據(jù),根據(jù)收到的傳感器數(shù)據(jù)判斷出隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài),根據(jù)狀態(tài)輸出相應(yīng)的硬接點(diǎn),并將數(shù)據(jù)打包成MODBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包,通過(guò)串口發(fā)送給IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)表將數(shù)據(jù)映射到IED模型,最終實(shí)現(xiàn)IEC61850通信功能[11-12]。接收裝置的程序流程圖如圖7所示。

圖7 接收裝置程序流程圖

3.2 可靠性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了200次的重復(fù)性模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)包含兩個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目,第一為傳感器測(cè)量精度試驗(yàn),第二為分合閘狀態(tài)判定一致性試驗(yàn)。

傳感器測(cè)量精度試驗(yàn)方法為：在-360～360°范圍內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)傳感器施加不同角度,分別記錄轉(zhuǎn)臺(tái)施加角度值和記錄傳感器真實(shí)角度測(cè)量值,計(jì)算角度測(cè)量誤差。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 傳感器測(cè)量誤差

續(xù)表2

表2為-360～360°范圍內(nèi)同一傳感器分別在不同給定角度下的實(shí)際測(cè)量值,可以看出,測(cè)量值在不同給定角度下測(cè)量誤差略有變化,在測(cè)量過(guò)程中誤差略有累積,但是,測(cè)量誤差和累積誤差均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的最小誤差0.5°,因此可以斷定,該裝置的傳感器系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量隔離開(kāi)關(guān)的角度。

分合閘狀態(tài)判定一致性試驗(yàn)方法為：模擬實(shí)際應(yīng)用過(guò)程,將傳感器固定于隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)主軸,通過(guò)操作機(jī)構(gòu)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬隔離開(kāi)關(guān)的分合。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了四種狀態(tài)下每種狀態(tài)100次的模擬試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 分合閘狀態(tài)判定一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3為模擬四種狀態(tài)下隔離開(kāi)關(guān)分合閘動(dòng)作一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出,通過(guò)400次的分合閘動(dòng)作其中四種狀態(tài)判定準(zhǔn)確度達(dá)到100%,滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此可以判定,該裝置可穩(wěn)定、準(zhǔn)確地判定隔離開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)。

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)隔離開(kāi)關(guān)的分合閘狀態(tài)。

3.3 可靠性與經(jīng)濟(jì)性分析

基于MPU9250的隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入了傳感器誤差自校正算法和傳感器通信故障自恢復(fù)機(jī)制,同時(shí)接收裝置對(duì)上通信采用了冗余設(shè)計(jì),可以通過(guò)光纖、網(wǎng)線、RS485和無(wú)源接點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)通信,確保系統(tǒng)從末端數(shù)據(jù)采集到中端數(shù)據(jù)處理與結(jié)果上傳環(huán)節(jié),以及終端結(jié)果確認(rèn)的各環(huán)節(jié)的可靠性。該系統(tǒng)作為智能變電站一鍵順控的重要組成部分,能夠幫助電力運(yùn)維人員在遠(yuǎn)程進(jìn)行分合閘狀態(tài)判斷,不僅將原有的停(送)電時(shí)間由30 min縮減到了5 min,還在一定程度上節(jié)約了人力資源,解決了運(yùn)行人員不足的問(wèn)題,具備良好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于MPU9250的隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)MPU9250九軸姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控隔離開(kāi)關(guān)的狀態(tài),將狀態(tài)信息傳送至接收裝置,接收裝置根據(jù)姿態(tài)判斷算法和邏輯判斷算法對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的分合閘狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判定,給出相應(yīng)的硬接點(diǎn)輸出,同時(shí)將狀態(tài)信息通過(guò)IEC61850通信規(guī)約上傳至站控層監(jiān)控后臺(tái)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,為變電站隔離開(kāi)關(guān)的“雙確認(rèn)”提供了有效的判據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性及可操作性強(qiáng),能夠有效提升變電站隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度,對(duì)變電站的智能化發(fā)展具有重要意義。