汪海光 張 偉 蘭 浩 唐 霖 張永強(qiáng)

一種氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備波紋管監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪海光 張 偉 蘭 浩 唐 霖 張永強(qiáng)

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

為了解決高海拔地區(qū)變電站氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）波紋管形變超出限值導(dǎo)致筒體破裂、漏氣、設(shè)備發(fā)熱、短路等安全事故的問題，本文結(jié)合嵌入式技術(shù)及LoRa無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)GIS波紋管狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LoRa無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)對GIS波紋管形變、溫度等狀態(tài)量的在線監(jiān)測，具有成本低、便于部署實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)功能可以滿足需求，能夠在一定程度上降低變電站運(yùn)維人員的工作量，同時(shí)也為GIS的長期可靠運(yùn)行提供了保障。

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）；波紋管；監(jiān)測系統(tǒng)；LoRa

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas-insulated metal-enclosed switchgear, GIS）是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要設(shè)備，GIS間隔之間通過母線分配、傳送電能，為滿足變電站設(shè)計(jì)與布置的需求，母線筒單相長度可達(dá)百余米[1-2]。為了抵消設(shè)備長期運(yùn)行期間熱脹冷縮、地基沉降等外部應(yīng)力的影響，在相鄰母線或設(shè)備間設(shè)置波紋管伸縮節(jié)以吸收補(bǔ)償母線形變[3]。但是，在高海拔地區(qū)，由于晝夜溫差過大、配置不合理等原因，波紋管形變超出允許補(bǔ)償量進(jìn)而導(dǎo)致筒體破裂、漏氣、設(shè)備發(fā)熱、短路等安全事故的情況時(shí)有發(fā)生[4]。因此，波紋管形變監(jiān)測成為變電站日常運(yùn)維的重要項(xiàng)目之一。

由于變電站內(nèi)波紋管位置分散，現(xiàn)有的有線、WiFi、ZigBee等監(jiān)測組網(wǎng)方式因布線及維護(hù)成本高、信號傳輸距離短且易受干擾等缺點(diǎn)難以滿足波紋管在線監(jiān)測需求[5-6]。多數(shù)變電站通過標(biāo)尺測量法監(jiān)測波紋管形變，運(yùn)維人員定期到現(xiàn)場進(jìn)行巡檢，記錄數(shù)據(jù)并繪制變化曲線[7-8]，工作效率較低。

與傳統(tǒng)無線通信方式相比，LoRa技術(shù)具有功耗低、信號傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，其通信距離可達(dá)5km，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力強(qiáng)[9]。本文將LoRa無線通信技術(shù)與ARM嵌入式技術(shù)相融合，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)波紋管監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Σy管形變數(shù)據(jù)進(jìn)行無線監(jiān)測及故障預(yù)警，減少變電站巡檢工作量，提高變電站一次設(shè)備運(yùn)維效率及安全性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

波紋管形變監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要由安裝于開關(guān)設(shè)備本體的數(shù)據(jù)采集終端、形變傳感器、溫度傳感器及安裝于主控室的LoRa網(wǎng)關(guān)、監(jiān)測后臺等組成。

圖1 波紋管形變監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集終端

安裝于需監(jiān)測的波紋管附近，用于采集波紋管形變、溫度等數(shù)據(jù)。每個(gè)采集終端可同時(shí)監(jiān)測4路形變傳感器數(shù)據(jù)，以便采集波紋管不同位置的形變量，它與后臺間采用LoRa無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 波紋管形變傳感器

基于滑動變阻器原理，傳感器通過結(jié)構(gòu)件安裝在波紋管法蘭上，波紋管發(fā)生形變時(shí)帶動傳感器伸縮，電阻值隨之變化。形變傳感器安裝方式如圖2所示。

圖2 形變傳感器安裝方式

式中：ref為參考電壓值；0為傳感器安裝時(shí)的輸出電壓值；1為實(shí)際輸出電壓值；為形變傳感器總長。

1.3 溫度傳感器

選用四線制PT100溫度傳感器，其應(yīng)用原理如圖3所示。

圖3 PT100溫度傳感器原理

傳感器接線端包含兩根電源線及兩根電壓采樣線，與二線制及三線制PT100相比具有更高的測量準(zhǔn)確度。傳感器安裝于與波紋管相連的母線筒上，用于獲取母線實(shí)時(shí)溫度。

1.4 LoRa網(wǎng)關(guān)

安裝于主控室，用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與LoRa無線網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行無線通信，接收數(shù)據(jù)報(bào)文，并通過TCP/IP協(xié)議傳輸至監(jiān)測后臺。

1.5 監(jiān)測后臺

主要負(fù)責(zé)接收、存儲波紋管形變及溫度數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行人機(jī)交互。后臺主機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫并通過操作界面中的主接線圖將母線各部位波紋管狀態(tài)信息實(shí)時(shí)展示給用戶。同時(shí)，用戶可選擇查看特定位置波紋管的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)及變化曲線。

2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端硬件架構(gòu)如圖4所示，主要包括主控模塊、LoRa無線通信模塊、電源模塊、模擬量采集模塊及溫度采集模塊等。

圖4 數(shù)據(jù)采集終端硬件架構(gòu)

2.1 主控模塊

采用STM32L475微控制器，該芯片基于Cortex—M4內(nèi)核，主頻可達(dá)80MHz，內(nèi)置128KB靜態(tài)隨機(jī)存儲器（static random access memory, SRAM）及512KB Flash，可滿足終端數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析等邊緣計(jì)算功能。同時(shí)，芯片還內(nèi)置有3個(gè)12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter, ADC），可接入16路外部信號源，各通道可配置為單次、連續(xù)、掃描或間斷模式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果可選擇以左對齊或右對齊方式存儲于16位數(shù)據(jù)存儲器中，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)5MHz，各通道采樣間隔時(shí)間可通過程序設(shè)置。通過該模塊實(shí)現(xiàn)工作邏輯控制、輸入輸出（input output, IO）控制、傳感器模擬量信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.2 無線通信模塊

目前，變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)常用的無線組網(wǎng)方式主要包括LoRa、WiFi、ZigBee、NB-IoT、4G等。WiFi及ZigBee技術(shù)由于信號傳輸距離短，難以滿足長母線監(jiān)測需求，NB-IoT及4G技術(shù)需采用專有頻段通信，授權(quán)費(fèi)用及流量費(fèi)用高。因此，本系統(tǒng)選用LoRa方式進(jìn)行組網(wǎng)。幾種無線通信方式的性能對比見表1[10]。

表1 無線通信方式性能對比

通信模塊采用基于LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的F8L10D集成芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸。該芯片支持?jǐn)?shù)據(jù)透傳、命令控制、應(yīng)用程序編程接口（application pro- gramming interface, API）、Modbus等工作模式，可通過軟件對其數(shù)據(jù)傳輸速率、無線發(fā)射功率、無線頻段等參數(shù)進(jìn)行配置，本方案采用數(shù)據(jù)透傳模式，LoRa芯片通過通用異步收發(fā)傳送器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）總線與主控模塊連接。

2.3 模擬量采集模塊

由于形變傳感器直接安裝于母線設(shè)備上，開關(guān)操作、系統(tǒng)運(yùn)行故障、工頻電壓等引起的電磁干擾極易通過傳感器通信線纜耦合進(jìn)入終端內(nèi)部，造成測量不準(zhǔn)確、通信中斷甚至電路損壞等故障[11-12]。因此，采樣通道選用ISO124隔離放大器，該放大器采用占空比調(diào)制-解調(diào)技術(shù)，模擬量信號以數(shù)字量的形式通過差動電容隔離層進(jìn)行傳輸，能夠有效抑制干擾信號輸入。模擬量數(shù)據(jù)采集通過STM32集成的ADC模塊完成。

2.4 溫度采集模塊

系統(tǒng)采用PT100鉑熱電阻監(jiān)測母線溫度，與集成測溫芯片相比具有安裝靈活、抗電磁干擾能力強(qiáng)、測量準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。傳感器通過接插端子與終端相連，采用TL431設(shè)計(jì)電流源模塊為傳感器供電，傳感器輸出電壓信號經(jīng)AD8226放大后進(jìn)入ADC模塊。

2.5 終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端軟件流程如圖5所示。采集終端啟動后，首先對各外設(shè)模塊及IO引腳進(jìn)行初始化并讀取設(shè)備ID、配置信息等參數(shù)，然后開始監(jiān)聽無線報(bào)文，對ID匹配的查詢報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)，依次采集各通道傳感器數(shù)值，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式后打包發(fā)送至后臺。

圖5 數(shù)據(jù)采集終端軟件流程

3 監(jiān)測后臺軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)采用星形組網(wǎng)方式，監(jiān)測后臺輪詢采集各終端波紋管狀態(tài)數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫并通過人機(jī)交互界面展示給用戶。軟件能夠?qū)Ξ惓?shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。通過歷史數(shù)據(jù)查看功能，用戶可查看過去特定時(shí)間段的狀態(tài)數(shù)據(jù)變化曲線。監(jiān)測后臺軟件架構(gòu)如圖6所示，主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)展示等功能。

圖6 監(jiān)測后臺軟件架構(gòu)

3.2 報(bào)警策略

波紋管引發(fā)設(shè)備故障的原因主要有：①波紋管形變超出允許補(bǔ)償量導(dǎo)致自身開裂；②由于安裝問題，波紋管不能發(fā)揮補(bǔ)償作用導(dǎo)致母線開裂[13]。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以下兩條報(bào)警策略：

1）當(dāng)波紋管形變量超出設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)波紋管形變超限報(bào)警。

2）根據(jù)波紋管形變量與環(huán)境溫度關(guān)系模型對形變值進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)監(jiān)測形變值遠(yuǎn)小于系統(tǒng)預(yù)測值時(shí)觸發(fā)報(bào)警，提醒運(yùn)維人員關(guān)注。

母線及基礎(chǔ)受溫度影響產(chǎn)生的伸縮量可通過式（3）計(jì)算。

由式（2）、式（3）可得波紋管形變量為

對式（4）進(jìn)行變換可得

若在一定時(shí)間內(nèi)通流引起的母線溫升s為一定值，則可認(rèn)為波紋管形變量與環(huán)境溫度符合一元線性回歸模型，有

式中：t為波紋管形變量；t為環(huán)境溫度；和為待定參數(shù)。

系統(tǒng)選取時(shí)間最近的100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，計(jì)算和，得出波紋管形變量與環(huán)境溫度的關(guān)系函數(shù)，即可預(yù)測波紋管實(shí)時(shí)形變值。

4 系統(tǒng)功能測試

為了驗(yàn)證監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，在工廠選取一段800kV母線搭建波紋管在線監(jiān)測系統(tǒng)，在波紋管外安裝形變傳感器及溫度傳感器，并將數(shù)據(jù)采集終端就近安裝于母線上，安裝方式如圖7所示。通過監(jiān)測后臺對波紋管形變及溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測，每30min采集一組數(shù)據(jù)。截取某日00:00～24:00的狀態(tài)變化曲線如圖8所示。

圖7 波紋管形變傳感器及采集終端安裝方式

圖8 波紋管形變量與溫度變化曲線

從圖8可以看出，監(jiān)測期間溫度在2～17℃之間變化，波紋管受母線熱脹冷縮影響，溫度升高時(shí)壓縮，溫度下降時(shí)拉伸，形變長度發(fā)生明顯變化，與溫度成反比例關(guān)系。通過該試驗(yàn)，系統(tǒng)功能得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)了基于LoRa的波紋管狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及基于STM32微控制器的數(shù)據(jù)采集終端，提出了具體的硬件方案及軟件流程，并搭建試驗(yàn)平臺對系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。監(jiān)測系統(tǒng)采用LoRa無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)相比，具有成本低、便于部署實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。通過該系統(tǒng)對波紋管形變及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不僅可以降低變電站運(yùn)維人員的工作量，也為GIS長期可靠運(yùn)行提供了保障。

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Design and implementation of monitoring system for gas-insulated metal-enclosed switchgear bellows

WANG Haiguang ZHANG Wei LAN Hao TANG Lin ZHANG Yongqiang

(Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077)

In order to solve the problems such as cylinder rupture, air leakage, equipment heating, short circuit and other safety accidents caused by the deformation of gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS) bellows in substation at high altitude, this paper designs and implements GIS bellows condition monitoring system by combining embedded technology and LoRa wireless communication technology. The system transmitting data by LoRa wireless technology, which can realize online monitoring of GIS bellows deformation, temperature and other states. It has the advantages of low cost and easy deployment and implementation. Through the test verification, the system function can meet the requirements. This system can reduce the workload of substation operation and maintenance personnel, and also provides a guarantee for the long-term reliable operation of GIS equipment.

gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS); bellows; monitoring system; LoRa

2022-09-01

2022-10-20

汪海光（1985—），男，浙江諸暨人，碩士，工程師，主要從事變電站數(shù)字化、一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測研發(fā)工作。