田 忠，常 敏，金海勇，賀 兵

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司 直流公司，湖北 宜昌 443000；2.上海樂(lè)研電氣有限公司，上海 201802)

電力設(shè)備安全大多需要使用絕緣設(shè)備，SF6氣體是組成絕緣設(shè)備的重要部分，因此在電力安全檢測(cè)技術(shù)中，對(duì)SF6氣體的檢測(cè)效率直接關(guān)系到電力設(shè)備能否順利進(jìn)行的技術(shù)關(guān)鍵。常規(guī)技術(shù)檢測(cè)大多采用SF6氣體傳感器、SF6氣體檢測(cè)電路等方式，這種方法雖然在一定程度上提高了SF6氣體檢測(cè)水平，但是仍舊存在一定的局限性。比如檢測(cè)能力差、檢測(cè)滯后等，隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展和智能巡視機(jī)器人的逐步應(yīng)用，為SF6氣體檢測(cè)提供了新思路。

其中有研究設(shè)計(jì)出FFT檢測(cè)方法，利用特征分解法和紫外光譜提取環(huán)境元素，進(jìn)而分析出變電站GIS設(shè)備中SF6冗余情況。該技術(shù)方案檢測(cè)試驗(yàn)貼合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的檢測(cè)力度。但在運(yùn)行過(guò)程中容易引起高低頻噪聲，對(duì)變電站GIS設(shè)備造成影響，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]；還有研究利用分布式半導(dǎo)體激光器全面掃描變電站GIS設(shè)備整體結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建CEPAS檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而形成采集和分析一體化處理系統(tǒng)，對(duì)變電站GIS設(shè)備SF6泄漏具有較高的針對(duì)性，更為全面的掌握變電站GIS設(shè)備氣體泄漏情況。但這種方法采用的激光器成本較高，對(duì)人體危害較大，因此不具有普遍適用性[2]。

1 基于MS+XD芯片嵌入式電路設(shè)計(jì)

針對(duì)上述變電站GIS設(shè)備SF6泄漏檢測(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題，本文基于智能巡視機(jī)器人研究方向，在機(jī)器人內(nèi)部加裝檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)將TMS+XD芯片嵌入到機(jī)器人系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站GIS設(shè)備環(huán)境的分析功能，利用離子遷移法分析環(huán)境中的SF6離子，進(jìn)而掌握變電站GIS設(shè)備中氣體情況，通過(guò)DED算法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出氣體泄漏對(duì)變電站GIS設(shè)備的影響，制定出最優(yōu)SF6填充范圍，為輸配電設(shè)備安全運(yùn)行提供幫助[3]。

TMS+XD聯(lián)合設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 TMS+XD聯(lián)合設(shè)計(jì)電路Fig.1 TMS+XD joint design circuit

從圖1可以看出，本研究通過(guò)將TMS和XD芯片聯(lián)合，利用TMS芯片的信號(hào)調(diào)理功能和XD的數(shù)據(jù)分析能力對(duì)機(jī)器人掃描數(shù)據(jù)精確分析，從而加強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)后續(xù)SF6氣體泄漏的分析提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)更為方便算法尋優(yōu)找到最佳氣體填充范圍，保證變電站GIS設(shè)備運(yùn)行的安全[8]。從圖1可看出，通過(guò)連接電路將TMS32芯片與XD129芯片連接起來(lái)，由引腳ET輸出電流，通過(guò)電感和電阻串聯(lián)回路，同時(shí)與電容C組成并聯(lián)支路，電阻R1與EA連接電阻R2組成并聯(lián)回路，最終輸入到XD芯片的VIN引腳和VCC引腳，兩個(gè)引腳線路通過(guò)R3阻隔。TMS32芯片輸入數(shù)據(jù)由信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)，通過(guò)MAX232連接器和ROM進(jìn)行信息采集儲(chǔ)存。XD129芯片完成數(shù)據(jù)分析輸出，通過(guò)LED顯示器演示數(shù)據(jù)規(guī)律，通過(guò)連接外圈電路，芯片功能數(shù)據(jù)由片內(nèi)RAM進(jìn)行讀取，進(jìn)而完成變電站GIS設(shè)備環(huán)境的分析[9]。

組成芯片在運(yùn)行過(guò)程中能夠根據(jù)不同環(huán)境完成自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為提高對(duì)變電站GIS設(shè)備中SF6氣體的敏感度，分析芯片供能需要更為全面，由此建立多方位功能模塊，具體如圖2所示。

圖2 組成芯片多方位功能模塊Fig.2 Compose the chip’s multi-directional function module

從圖2可以看出，對(duì)TMS32+XD129聯(lián)合芯片的功能分析建立多方位功能模塊，以組成芯片為核心，通過(guò)對(duì)變電站GIS設(shè)備環(huán)境和氣室分析，與組成芯片完成數(shù)據(jù)互通，將傳感信息通過(guò)模數(shù)解調(diào)方式輸入到組成芯片中，傳感裝置安裝在智能巡視機(jī)器人掃描窗口，主要對(duì)環(huán)境中溫度、氣體壓力和變電站GIS設(shè)備氣體閥門進(jìn)行采集。在接收模塊中設(shè)置有RS485通信和RS232通信端口完成數(shù)據(jù)接收，經(jīng)過(guò)后續(xù)分析及傳輸最終將結(jié)果加載到演示界面上，便于檢測(cè)SF6氣體具體泄漏情況[10]。

在設(shè)置SOFC監(jiān)測(cè)器時(shí)，其內(nèi)裝配有加熱爐，加熱爐為監(jiān)測(cè)器提供工作溫度。K型熱電偶的輸出信號(hào)由儀表放大器放大，并用AD976芯片采樣。比較設(shè)定點(diǎn)和實(shí)時(shí)工作溫度(700 ℃)，以便S3C2440中央處理器(CPU)中實(shí)現(xiàn)的比例-積分-微分模塊向直流固態(tài)繼電器輸出脈寬調(diào)制信號(hào)，以控制熔爐加熱，其中SOFC監(jiān)測(cè)器的輸出信號(hào)約為200～300 mV，由ADS1256的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片直接采樣，不加其他放大處理以避免噪聲。電壓跟隨器用于隔離，增加輸入阻抗，提高監(jiān)測(cè)器的負(fù)載能力。數(shù)字信號(hào)以RS232格式封裝并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，識(shí)別出油中的SF6氣體。

2 離子遷移法檢測(cè)SF6泄漏技術(shù)

根據(jù)機(jī)器人掃描的變電站GIS設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù)，本文通過(guò)采用離子遷移法將設(shè)備中SF6離子濃度遷移到氣體分析儀中，從而判斷氣體泄漏濃度對(duì)變電站GIS設(shè)備運(yùn)行的影響，并記錄事件發(fā)生時(shí)間，為后續(xù)人工維護(hù)和檢修提供幫助，離子遷移技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 離子遷移原理圖Fig.3 Schematic diagram of ion migration

從圖3可以看出，將待檢測(cè)設(shè)備中氣體離子通過(guò)發(fā)射源送入離子遷移裝置中，載氣離子和SF6離子在分離源的作用下發(fā)生電離發(fā)應(yīng)，形成分化性的多種離子。經(jīng)過(guò)電場(chǎng)的作用，氣體離子通過(guò)隔離門進(jìn)入漂移區(qū)，隔離門周期性開(kāi)啟，泄漏的氣體離子在通過(guò)隔離門時(shí)被檢測(cè)。帶電離子在漂移區(qū)中不斷碰撞，由于氣體離子的遷移速率存在差異，因此在漂移區(qū)中完成分離，在采集區(qū)由收集板檢測(cè)。變電站GIS設(shè)備利用離子遷移法對(duì)泄漏的SF6氣體離子進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)框圖如圖4所示。

圖4 離子遷移檢測(cè)框圖Fig.4 Block diagram of ion migration detection

從圖4可以看出，離子遷移檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)⒆冸娬綠IS設(shè)備中SF6氣體遷移到分析儀中，通過(guò)電力設(shè)備允許泄漏SF6氣體濃度調(diào)整變電站GIS設(shè)備閥門通道，更為有利于設(shè)備的安全操作。離子遷移技術(shù)在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)分析變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，由此形成電力正波，本文采集的氣體泄漏以方波形式為例，之后對(duì)電力正波進(jìn)行變電站GIS設(shè)備環(huán)境分析，根據(jù)分析的氣體波譜和光聲信號(hào)建立圖形樣式，進(jìn)而建立傳感波形，電力正波轉(zhuǎn)換的波形一般為正弦或者余弦波形，波形數(shù)據(jù)主要來(lái)源為SF6泄漏離子，通過(guò)波形傳輸?shù)綒怏w分析儀中，最終通過(guò)DED算法完成尋優(yōu)填充操作[11]。

離子遷移法充分運(yùn)用了現(xiàn)代波形控制系統(tǒng)和光聲感應(yīng)技術(shù)，通過(guò)多個(gè)技術(shù)功能實(shí)現(xiàn)SF6泄漏氣體的離子分析和波形轉(zhuǎn)換，最終以離子的形式編入算法程序中，實(shí)現(xiàn)變電站GIS設(shè)備氣體泄漏的檢測(cè)，為輸配電系統(tǒng)的穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。

3 DED算法模型

差分能量檢測(cè)(Differential Energy Detection DED)算法通過(guò)劃定的SF6填充標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比變電站GIS設(shè)備內(nèi)部氣體存余量，根據(jù)比較結(jié)果與預(yù)設(shè)填充范圍判斷變電站GIS設(shè)備狀態(tài)，若檢測(cè)的外界環(huán)境SF6濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值，則表示氣體泄漏過(guò)大，發(fā)出停機(jī)指令；否則認(rèn)為內(nèi)部SF6濃度處于正常范圍[12]。

根據(jù)機(jī)器人掃描窗口數(shù)據(jù)和離子遷移輸出波形分析SF6氣體函數(shù)，則氣體檢測(cè)數(shù)學(xué)模型表示為：

(1)

式中:H0表示預(yù)設(shè)SF6氣體濃度值;H1表示機(jī)器人檢測(cè)變電站GIS設(shè)備內(nèi)部SF6濃度;y(t)表示氣體表達(dá)函數(shù)模型;n(t)表示內(nèi)部氣體存余量;h表示泄漏氣體變化系數(shù);x(t)表示SF6泄漏變量函數(shù)。

DED算法中對(duì)變電站GIS設(shè)備能量的差分計(jì)算公式：

(2)

式中:Y表示DED算法中能量檢測(cè)函數(shù);N表示所需檢測(cè)設(shè)備數(shù)量;yi(t)表示單體設(shè)備檢測(cè)能量函數(shù)。

將差分函數(shù)與變電站GIS設(shè)備SF6氣體檢測(cè)模型函數(shù)集合處理，對(duì)檢測(cè)變電站GIS設(shè)備中SF6氣體模型函數(shù)簡(jiǎn)化：

(3)

式中：λ表示氣體標(biāo)準(zhǔn)差分能量值。

根據(jù)變電站GIS設(shè)備運(yùn)行中可能出現(xiàn)的SF6氣體泄漏故障，通過(guò)DED算法估算氣體運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)填充氣體量估算實(shí)際效率。

(4)

根據(jù)式(4)中SF6氣體泄漏對(duì)變電站GIS設(shè)備運(yùn)行效率估計(jì)值，利用概率學(xué)公式判斷存在差分能量情況下氣體泄漏概率：

(5)

式中：Pd表示變電站GIS設(shè)備SF6氣體泄漏概率；Pr表示氣體差分能量集；Γ表示非完全可控變量；m表示變電站GIS設(shè)備氣體顯示量。

經(jīng)過(guò)概率和估算了解變電站GIS設(shè)備可能出現(xiàn)氣體泄漏情況，實(shí)際運(yùn)行中SF6氣體泄漏和填充規(guī)律如下：

(6)

式中：Pf表示實(shí)際運(yùn)行中變電站GIS設(shè)備SF6氣體量值；Pr表示變電站GIS設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中SF6計(jì)量方式；Y表示總氣體填充量；λ表示氣體變化系數(shù)；H0表示變電站GIS設(shè)備初始?xì)怏w常量；Qm表示SF6對(duì)變電站GIS設(shè)備運(yùn)行影響效率。

通過(guò)DED算法對(duì)變電站GIS設(shè)備SF6氣體泄漏濃度估算概率和實(shí)際運(yùn)行中氣體泄漏影響[13]，使檢測(cè)系統(tǒng)更為精確了解變電站GIS設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)SF6氣體室外和室內(nèi)濃度比較給予參考價(jià)值，提高本研究檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)SF6氣體運(yùn)行的可行性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)室配置采用i8系列雙核計(jì)算機(jī)，采用64+256 GB儲(chǔ)存方式[14-15]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置，對(duì)DL/T537系列變電站GIS設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)；變電站GIS設(shè)備電壓等級(jí)6～35 kV，設(shè)備參數(shù)精度為96%，算法推算誤差不超過(guò)0.5%。在此環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件Tab.1 Environment parameters and configuration software

本設(shè)計(jì)試驗(yàn)通過(guò)對(duì)變電站GIS設(shè)備運(yùn)行中SF6泄漏問(wèn)題進(jìn)行研究，根據(jù)智能機(jī)器人掃描環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)掃描數(shù)據(jù)分析。分析檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)變電站GIS設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中SF6氣體的泄漏濃度和精確度，精確度計(jì)算公式為：

(7)

將計(jì)算結(jié)果匯總數(shù)據(jù)表，最終顯示SF6氣體泄漏檢測(cè)能力測(cè)試表如表2所示。

表2 氣體泄漏檢測(cè)能力測(cè)試表Tab.2 Gas leakage detection capability test table

通過(guò)表2數(shù)據(jù)分析，本文設(shè)計(jì)的氣體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)采用DL/T537系列變電站GIS設(shè)備，容量范圍為6～35 kV，實(shí)驗(yàn)中采用20 kV變電站，檢測(cè)系統(tǒng)輸出的SF6泄漏濃度為15.8 mol/ml，精確度為92.5%；文獻(xiàn)[1]方法采用的FFT檢測(cè)方法采用15 kV變電站GIS設(shè)備，運(yùn)行中檢測(cè)的SF6泄漏濃度為31.7 mol/mL，精確度為89.1%；文獻(xiàn)[2]方法設(shè)計(jì)的CEPAS檢測(cè)系統(tǒng)采用10 kV容量變電站GIS設(shè)備，運(yùn)行中檢測(cè)的SF6泄漏濃度為34.4 mol/mL，精確度為83.6%。由此看出本文對(duì)變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏檢測(cè)方法具有較高可行性。

利用仿真軟件顯示3種氣體檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)變電站GIS設(shè)備運(yùn)行中SF6泄漏濃度檢測(cè)的變化曲線，利用Multisim軟件模擬SF6泄漏模型，在20 kV變電站中進(jìn)行試驗(yàn)，輸入頻率為30 kHz，鋸齒波和正弦波正負(fù)為1，光強(qiáng)為14.0 cd，氣體濃度為50 mol/mL，氣壓為1 kPa；SF6泄漏檢測(cè)仿真模型如圖5所示。

圖5 SF6泄漏檢測(cè)仿真模型Fig.5 SF6 leakage detection simulation model

根據(jù)變電站運(yùn)行時(shí)間變化，在此期間泄漏的SF6濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后仿真出規(guī)律性曲線分析各系統(tǒng)性能，如圖6所示。

圖6 檢測(cè)的變電站GIS設(shè)備SF6泄漏濃度Fig.6 Detected SF6 leakage concentration of substation GIS equipment

從圖6可以看出，本研究對(duì)變電站GIS設(shè)備泄漏濃度影響具有明顯作用，變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化有所升高，但整體變化相對(duì)較為穩(wěn)定，最低泄漏濃度為10 mol/mL，在變電站GIS設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為10 h達(dá)到最高泄漏濃度為15 mol/mL；文獻(xiàn)[1]方法采用的FFT檢測(cè)方法變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化增加幅度較大，最低泄漏濃度為10 mol/mL，在變電站GIS設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為14 h達(dá)到最高泄漏濃度為32 mol/mL；文獻(xiàn)[2]方法設(shè)計(jì)的CEPAS檢測(cè)系統(tǒng)變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化波動(dòng)較大，運(yùn)行時(shí)間0～5 h持續(xù)增加，此時(shí)泄漏濃度為30 mol/mL，6～10 h期間呈波動(dòng)狀態(tài)，最終在10 h泄漏濃度最大為34 mol/mL。

通過(guò)對(duì)比各檢測(cè)系統(tǒng)精度曲線，進(jìn)一步完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)處理結(jié)果進(jìn)行仿真對(duì)比，得到系統(tǒng)精確度曲線對(duì)比結(jié)果，具體如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)精確度曲線Fig.7 System accuracy curve

從圖7可以看出，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)3種檢測(cè)方法隨變電站GIS設(shè)備容量變化精確度變化較大，本研究降低幅度較小，最高精度為92.5%，在變電站GIS設(shè)備容量為3 500 kW達(dá)到最低，此時(shí)為89%；文獻(xiàn)[1]方法設(shè)計(jì)的FFT檢測(cè)方法與本研究變化規(guī)律相似，但整體精度相對(duì)較低，最高精度為89.1%，在變電站GIS設(shè)備容量為4 000 kW達(dá)到最低，此時(shí)為86%；文獻(xiàn)[2]方法設(shè)計(jì)的CEPAS檢測(cè)系統(tǒng)呈波動(dòng)性變化，在容量為1 200 kW時(shí)達(dá)到波峰，此時(shí)最高精度為85.5%，在變電站GIS設(shè)備容量為3 300 kW達(dá)到波谷，此時(shí)精度最低為82.6%。

綜上所述，本設(shè)計(jì)對(duì)變電站GIS設(shè)備中SF6氣體的檢測(cè)具有明顯效果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明本研究檢測(cè)的SF6泄漏濃度最低，在運(yùn)行過(guò)程中精確度最高，體現(xiàn)出本設(shè)計(jì)檢測(cè)方法的優(yōu)越性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)變電站GIS設(shè)備中SF6氣體泄漏檢測(cè)方法進(jìn)行研究，通過(guò)智能機(jī)器人和檢測(cè)技術(shù)配合完成氣體泄漏的檢測(cè)研究，設(shè)計(jì)聯(lián)合性TMS+XD處理芯片加強(qiáng)機(jī)器人的感知能力，采用離子遷移檢測(cè)SF6泄漏技術(shù)，對(duì)變電站GIS設(shè)備環(huán)境中含有的SF6離子進(jìn)行頻譜和波形變換，方便判斷變電站GIS設(shè)備內(nèi)部具體SF6變化規(guī)律。利用DED算法比較變電站GIS設(shè)備運(yùn)行中內(nèi)外SF6氣體離子的濃度，通過(guò)對(duì)氣體檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，將結(jié)果記錄分析匯總為SF6氣體泄漏檢測(cè)能力測(cè)試表，發(fā)現(xiàn)本檢測(cè)方法在變電站GIS設(shè)備檢測(cè)中泄漏SF6氣體最少，檢測(cè)精度最高。雖然如此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，對(duì)變電站GIS設(shè)備氣體泄漏修復(fù)程序繁瑣等問(wèn)題仍待解決。