陳 沖

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇無錫 214112）

機電一體化是融合了計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子電氣和機械工程的復合型先進技術(shù)。將機電一體化技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)的自動化管理，顯著減輕人工壓力，降低人工成本；另一方面也能實現(xiàn)電力系統(tǒng)運行工況的實時監(jiān)測和潛在故障的超前處理，從而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。隨著電力系統(tǒng)覆蓋規(guī)模的擴大、內(nèi)部電氣設(shè)備數(shù)量的增加，傳統(tǒng)的管理模式已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)的運行需求。在這一背景下，探究機電一體化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用策略具有重要的現(xiàn)實意義。

1 電力系統(tǒng)中機電一體化系統(tǒng)的組成與應(yīng)用價值

1.1 機電一體化系統(tǒng)的組成架構(gòu)

根據(jù)功能需求的不同，機電一體化系統(tǒng)在具體組成上也有差異。但是總體來說，完整的機電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含計算機系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、信息系統(tǒng)4部分。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機電一體化系統(tǒng)的組成架構(gòu)

基于圖1的機電一體化系統(tǒng)運行流程為：首先利用前端傳感器獲取信息，然后通過通信裝置將信息傳遞給電氣系統(tǒng)，經(jīng)過信號的降噪、濾波和放大等一系列處理后，在D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)實現(xiàn)從模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變，得到可以被計算機正常識別的二進制數(shù)字信號。然后在計算機內(nèi)進行處理分析，根據(jù)分析結(jié)果自動生成控制指令，或者是人工編輯控制指令，再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，傳遞到前端的執(zhí)行器，完成相應(yīng)的動作。信息系統(tǒng)可通過建立仿真模型的方式，以采集到的實時數(shù)據(jù)為依據(jù)，進行電力系統(tǒng)的故障判斷和故障自動修復，從而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.2 機電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用價值

機電一體化技術(shù)的運用，打破了不同系統(tǒng)之間的信息壁壘，提高了電力系統(tǒng)內(nèi)部信息的傳遞效率。這樣一來，前端電氣設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，就可以同步反饋給終端的計算機；同時，計算機下達的操控指令也能同步下達至前端的執(zhí)行器。從而構(gòu)建起了響應(yīng)迅速、控制精確的機電一體化控制系統(tǒng)，對提高電能穩(wěn)定供給有積極幫助。此外，機電一體化技術(shù)的電力系統(tǒng)可以獲取當前電力系統(tǒng)內(nèi)每一臺電力設(shè)備的運行信息，并展開分析判斷是否存在異常工況或潛在故障。這樣就可以在實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上超前識別故障，并實現(xiàn)對故障的自動處理。

2 機電一體化在電力系統(tǒng)電路調(diào)頻故障信號監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 電路調(diào)頻故障信號監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1.1 信號濾波電路的設(shè)計

電力系統(tǒng)在運行時，電路內(nèi)可能會產(chǎn)生噪聲信號。該系統(tǒng)在收集電路振動信號時，噪聲信號會產(chǎn)生一定的干擾，進而影響故障判斷結(jié)果。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中增加了信號濾波電路，可以通過有源濾波的方式去除信號中的噪聲。將兩級有源濾波器置于電路中，合成信號源器件，并基于運算放大器的功能，組合形成一個低通路的濾波電路，如圖2所示。

圖2 濾波電路

2.1.2 信號放大電路的設(shè)計

本系統(tǒng)的信號放大電器中使用了WER44158 芯片，工作電壓為5～24 V。將該信號放大器作為電路反饋的電壓放大器，在輸入信號源以后可以顯著降低工作噪聲。放大電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號放大電路

結(jié)合圖3可知，該放大電路中輸入電阻R1的阻值與信號放大倍數(shù)之間為正相關(guān)。如果需要將信號源放大10倍，只需要調(diào)節(jié)電阻值使電阻放大倍數(shù)為10倍即可。另外，WER44158 芯片共有12 個引腳，其中第4腳和第5腳為該芯片的供電引腳，分別提供+6 V和–6 V 的電壓。在系統(tǒng)電路部分設(shè)計完畢后，即可實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電路調(diào)頻故障信號的動態(tài)監(jiān)測。

2.2 電路調(diào)頻故障信號監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.2.1 基于機電一體化監(jiān)測故障信號

故障信號監(jiān)測的原理，是利用前端傳感器獲取海量實時數(shù)據(jù)，然后將實時數(shù)據(jù)與標準工況進行對比，如果實時數(shù)據(jù)不在標準工況的閾值范圍內(nèi)，則判斷為故障。因此，監(jiān)測故障信號需要處理海量的數(shù)據(jù)，為了減輕系統(tǒng)運行負擔，在故障信號的監(jiān)測中需要對數(shù)字信息進行壓縮處理。對于壓縮后的數(shù)據(jù)，尋找發(fā)射時間與通信頻率之間的映射關(guān)系。其中，時間是決定故障信號監(jiān)測的核心因素。本文采用基于雙向滑動的故障信號監(jiān)測方法，使原來相對靜止的能量信號源，按照一定順序在待檢測的數(shù)據(jù)中進行雙向滑動，直到確定故障信號的具體產(chǎn)生位置。監(jiān)測過程如圖4所示。

圖4 雙向滑動監(jiān)測過程

由圖4可知，在滑動過程中信號源會依次經(jīng)過2個不同的窗口，即J窗口和I窗口。當信號源從一個窗口進入到另一個窗口時，會產(chǎn)生一定數(shù)量的噪音信號。為了正確區(qū)分不同窗口的噪聲矢量，需要采取監(jiān)測函數(shù)變化的形式判斷噪聲信號的具體位置。其中，窗口信號能量可表示為：

式（1）中，DJ（w）表示窗口J 的能量；相應(yīng)的DI（w）表示窗口I 的能量；K 表示窗口的長度；|dy|表示窗口接收數(shù)據(jù)，其中y=W-h 或y=W+h。同時，由式（1）可知，監(jiān)測函數(shù)的最大值與噪聲信號的倒數(shù)屬于同一量級。如果實際監(jiān)測環(huán)境中存在較多的外部干擾，信號質(zhì)量較差，這種情況下信號頻率也會出現(xiàn)不同程度的波動現(xiàn)象。因此，基于機電一體化的電力系統(tǒng)電路故障信號監(jiān)測，必須要分別從該電路的起點與終點處分別設(shè)置監(jiān)測點，從而最大程度上減輕起點時刻噪聲環(huán)境產(chǎn)生的可能性。

2.2.2 電路調(diào)頻故障信號監(jiān)測系統(tǒng)的試驗論證

為驗證基于機電一體化的電路調(diào)頻故障信號監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果，設(shè)計了對照試驗。分別選擇傳統(tǒng)的故障信號監(jiān)測系統(tǒng)與本文設(shè)計的系統(tǒng)，搭建相同的電路，并在電路中人為制造一個故障信號。觀察對比兩個系統(tǒng)的電路調(diào)頻曲線，并對比故障點在曲線中的具體位置，得到試驗結(jié)果。

當電路調(diào)頻系統(tǒng)退化到潛在的故障點，該故障會發(fā)展成為可以被系統(tǒng)監(jiān)測到的故障信號；隨著時間的推移，電路調(diào)頻系統(tǒng)繼續(xù)退化，此時潛在故障發(fā)展成為功能故障，整個電力系統(tǒng)都會因為故障而癱瘓。另外，從潛在故障發(fā)展成為功能故障需要經(jīng)過一段時間。本次試驗中將這一時間間隔設(shè)定為15 min。試驗從上午9∶00開始，并分別在9∶00，12∶00，15∶00、18∶00和20∶00進行監(jiān)測。為減小誤差干擾，每個時間點的監(jiān)測均獲取3組數(shù)據(jù)。兩種系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)整理如表1所示。

表1 2種系統(tǒng)監(jiān)測實驗結(jié)果對比

結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)在5個故障發(fā)生時間點的15組監(jiān)測數(shù)據(jù)中，有11次是在故障發(fā)生以后檢出，有4 次是在故障尚未發(fā)生前檢出，檢出率為26.7%。而基于機電一體化技術(shù)的電路調(diào)頻故障信號監(jiān)測系統(tǒng)，15組數(shù)據(jù)表明均在故障尚未發(fā)生前將潛在故障檢出，檢出率為100%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)的檢出率提高了73.3%。由此可見，基于機電一體化的電力系統(tǒng)電路調(diào)頻故障監(jiān)測更加有效，同時也為故障的解決提供了有力的支持。

3 結(jié)束語

在電力系統(tǒng)自動化運行和智能化管理的背景下，機電一體化技術(shù)也得到了廣泛運用。其中，控制和保護是機電一體化在電力系統(tǒng)中的兩個主要應(yīng)用方向。目前融合了機電一體化技術(shù)的電力系統(tǒng)，可實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部各處運行數(shù)據(jù)的動態(tài)采集、智能分析，隨時掌握運行工況，并根據(jù)工況分析結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，在尚未給電力系統(tǒng)運行造成不良影響的前提下將故障處理掉，從而維護電力系統(tǒng)的運行安全。下一步，電力行業(yè)的機電一體化技術(shù)將會與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能能技術(shù)進行深度融合，并朝著智能化、節(jié)能化方向發(fā)展，更好地滿足電力系統(tǒng)的管理需求。