王 文
(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002)
高壓斷路器操動機構(gòu)是斷路器主要組成部分,斷路器正常分合主要由操動機構(gòu)來完成[1]。由于斷路器一般安裝在戶外機構(gòu)箱中,惡劣的運行環(huán)境給操動機構(gòu)正常運行帶來很大影響,特別是操動機構(gòu)的氣動機構(gòu)對環(huán)境要求很高,在炎熱的夏季和寒冷的冬季,過熱和過冷的氣候環(huán)境導(dǎo)致氣動機構(gòu)打壓頻繁[2-4]。惡劣的氣候?qū)е乱簤簷C構(gòu)使用周期變短,故障頻發(fā),嚴(yán)重影響斷路器正常分合[5-7]。目前,常規(guī)方法主要是通過運維人員定期檢查以及根據(jù)設(shè)備使用年限進行定檢,但是常規(guī)方法只能通過眼睛和人體溫濕度感知去判斷,并且和人工巡視及定檢次數(shù)有關(guān),對斷路器操動機構(gòu)的好壞判斷沒有明顯的分界線,無法精準(zhǔn)判斷[8-10]。人工巡視還有很大的弊端,不僅和運維人員的積極性有關(guān),還和運維人員的巡視位置有關(guān),種種不確定因素導(dǎo)致很難發(fā)現(xiàn)潛在的故障,給電力系統(tǒng)安全可靠運行帶來安全隱患。隨著自動化技術(shù)不斷發(fā)展,智能監(jiān)測技術(shù)被廣泛應(yīng)用,如何通過智能監(jiān)測技術(shù)進行斷路器操動機構(gòu)溫濕度監(jiān)測是未來的重點研究方向。
高壓斷路器操動機構(gòu)監(jiān)測裝置采用多個高精度的智能化溫濕度傳感器對機構(gòu)箱內(nèi)的溫濕度進行監(jiān)測,通過傳輸性能好的高性能無線通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進行處理;采用最新5G技術(shù)實現(xiàn)與遠(yuǎn)程后臺監(jiān)測中心的通信;采用信號處理模塊對采集信號進行放大與濾波處理;采用數(shù)據(jù)融合算法保證機構(gòu)箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)控制核心模塊處理結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定的溫濕度閾值進行綜合比較,當(dāng)溫濕度高于閾值時,本裝置可快速啟動現(xiàn)場蜂鳴報警裝置以及遠(yuǎn)程后臺監(jiān)測中心報警,提醒運維人員進行現(xiàn)場處理,消除安全隱患,確保電網(wǎng)可靠安全。
監(jiān)測裝置主要由以下部分組成:具有多個傳感節(jié)點的溫濕度傳感器,對信號放大與濾波的信號處理器,無線通信模塊,直流供電裝置,核心控制模塊,報警模塊以及遠(yuǎn)程后臺監(jiān)測中心。溫濕度傳感器安裝的位置及個數(shù)根據(jù)不同廠家的機構(gòu)箱結(jié)構(gòu)確定,一般是在機構(gòu)箱內(nèi)側(cè)各個柜體分別安裝2個,采用貼片式安裝;直流供電裝置主要采用小型電壓調(diào)壓裝置;報警模塊主要通過聲光報警來完成,報警信息通過液晶顯示。整個裝置智能化程度很高,完全能夠滿足現(xiàn)場要求,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)
a.溫濕度檢測模塊
溫濕度檢測模塊主要由前端的溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集。為保證采集數(shù)據(jù)精確度,通過市場調(diào)查研究,采用應(yīng)用比較廣泛的DHTII型傳感器,通過預(yù)留的固定螺旋孔實現(xiàn)貼片式安裝,對檢測電路進行優(yōu)化設(shè)計,使采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。檢測電路如圖2所示。
圖2 溫濕度檢測電路
b.信號處理模塊
信號處理模塊對采集的溫濕度信號進行濾波和放大,輸出給控制核心模塊。由于現(xiàn)場機構(gòu)箱內(nèi)還存在其他信號,檢測的溫濕度信號可能存在信號干擾,如果不進一步過濾以及過濾后放大,控制核心模塊可能接收不到。信號放大電路如圖3所示,濾波電路如圖4所示。
圖3 信號放大電路
圖4 濾波電路
機構(gòu)箱內(nèi)的溫濕度通過安裝多個溫濕度傳感器進行檢測,4個機構(gòu)箱門各安裝2個,頂端4角各安裝1個,通過多個傳感器數(shù)據(jù)融合獲得機構(gòu)箱內(nèi)溫濕度的精確數(shù)據(jù)進行綜合判斷。多數(shù)據(jù)融合方法步驟如下。
a.利用小波包能量譜方法對多個溫濕度傳感器信號進行分解處理,提取特征向量。
(1)
式中:Ej為第j個傳感器頻帶能量;xjk(k=1,2,…,N)為信號Ej各離散點的值。然后求出各頻帶能量占總能量的百分比。
ei=Ei/∑En
(2)
式中:En為第n個傳感器頻帶能量,作為穩(wěn)定性診斷的輸入特征量。
表1 實測數(shù)據(jù)及后臺數(shù)據(jù)
b.利用徑向基(radial basis function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對機構(gòu)箱內(nèi)的溫濕度進行初步穩(wěn)定性診斷;RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱層和輸出層組成,完成非線性映射。
(3)
(4)
式中:e為輸入向量;wi為權(quán)值;ci和σi分別為基函數(shù)的數(shù)據(jù)中心和寬度;n為中心數(shù)目;φ(·)為徑向基函數(shù);ω0為偏差。
c.利用貝葉斯推理對初步診斷結(jié)果融合,實現(xiàn)最終融合結(jié)果。
(5)
(6)
式中:u(k)和un(k)為二值函數(shù);a0(k)為第k次測量下Hi的先驗概率;Pk(H1/u1(k),…,u1(k),…,un(k))為第k次測量下Hi的后驗概率(i=0.1);H1為目標(biāo)存在該信號;H0為目標(biāo)不存在該信號。
該裝置運行一段時間后,通過專業(yè)的環(huán)境工程師對機構(gòu)箱內(nèi)的溫濕度進行檢測,并且與遠(yuǎn)程后臺監(jiān)測中心溫度進行對比,確保實測值與監(jiān)測值一致,同時通過與該裝置設(shè)置的溫濕度閾值進行對比,實現(xiàn)現(xiàn)場與遠(yuǎn)方報警。實測數(shù)據(jù)及后臺數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出,現(xiàn)場實際測量的溫濕度數(shù)值與監(jiān)測數(shù)值完全一致,根據(jù)監(jiān)測數(shù)值與閾值比較,超過閾值時實現(xiàn)了自動報警;同時還記錄了采集數(shù)據(jù)的當(dāng)天環(huán)境溫度,再次證明采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。2019年8月8日12:14:29實測溫度值超過閾值40 ℃,2020年6月21日18:35:57及2020年7月19日16:28:21濕度實測值超過閾值30%,系統(tǒng)都發(fā)生了報警,充分證明該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性比較好,現(xiàn)場實用性強。
a.采用短距離無線Zigbee與5G通信技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,達(dá)到了理想效果,證明了該裝置的可適用性。
b.采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)多傳感器采集數(shù)據(jù)融合,較好解決了數(shù)據(jù)采集過程中的偶然性問題帶來的誤差。
c.采用智能自動監(jiān)測技術(shù),大大降低了運維人員的工作強度,提高了工作質(zhì)量,可為后期其他設(shè)備智能監(jiān)測提供參考。
d.該裝置提高了電網(wǎng)的安全性與可靠性,可繼續(xù)推廣應(yīng)用。