沈陽(yáng)工程學(xué)院 彭少卿

1 引言

隨著現(xiàn)代電力科技的進(jìn)步，各類新型開(kāi)關(guān)裝置在電網(wǎng)的建設(shè)與運(yùn)行中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。GIS 設(shè)備是一種氣體絕緣全密封型的開(kāi)關(guān)裝置，在現(xiàn)代電網(wǎng)中有著非常廣泛的應(yīng)用，重量輕、體積小、模塊化設(shè)計(jì)集成諸多功能、可靠性高，是非常大的優(yōu)勢(shì)，在多種變電站、輸配電線路以及開(kāi)關(guān)柜中使用比較廣泛。伴隨著停電的時(shí)間對(duì)電網(wǎng)要求變得越來(lái)越高，一方面可以用帶電作業(yè)加以解決[1]，另一方面應(yīng)該將對(duì)線路和設(shè)備的監(jiān)控力度作為重點(diǎn)。

因?yàn)?GIS 設(shè)備至關(guān)重要，現(xiàn)在對(duì)其設(shè)備的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)，安裝和維護(hù)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，如果其自身出現(xiàn)了故障，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)就會(huì)變得非常困難，并且維護(hù)費(fèi)用也很高，因此，所造成的損失是非常大的，不僅會(huì)導(dǎo)致大面積的停電，還會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生許多不穩(wěn)定的因素。

2 GIS 隔離開(kāi)關(guān)模型及檢測(cè)方法

2.1 GIS 隔離開(kāi)關(guān)模型簡(jiǎn)介

GIS 裝置通常由隔離開(kāi)關(guān)，斷路器，母線，變壓器，接地器件，避雷器件，電纜等組成。若依其特點(diǎn)與應(yīng)用，則通常可分為：電力與控制；能量存儲(chǔ)設(shè)備和系統(tǒng)；隔離體系；接地設(shè)備和其附屬設(shè)備；一個(gè)外部的密封件體系等。

隔離開(kāi)關(guān)分為兩類：一類是正常隔離開(kāi)關(guān)，一類是帶緩速開(kāi)關(guān)；二是快速開(kāi)關(guān)配電彈簧裝置，該裝置既可起到斷路作用，又可起到母線過(guò)流或過(guò)流的作用。按安裝位置，可將斷路器分為角隔離開(kāi)關(guān)和線隔離開(kāi)關(guān)，其中角隔離開(kāi)關(guān)多應(yīng)用在主電路的直角曲線上，而線隔離開(kāi)關(guān)多應(yīng)用在主電路的線路上。

2.2 GIS 隔離開(kāi)關(guān)一二次動(dòng)作原理分析

將所述斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的動(dòng)接點(diǎn)從所述斷開(kāi)位置到所述剛閉合、所述剛斷開(kāi)位置之間的距離稱為所述開(kāi)距；移動(dòng)觸點(diǎn)從剛打開(kāi)、剛打開(kāi)到關(guān)閉位置之間的距離稱為觸點(diǎn)沖程。將從脫開(kāi)位置到剛合，剛分位置的拐臂的轉(zhuǎn)角稱為開(kāi)角；所述的拐臂從剛打開(kāi)和剛打開(kāi)到關(guān)閉位置的轉(zhuǎn)角就是接觸角。研究了斷路器不同工作狀態(tài)下上述沖程和轉(zhuǎn)角之間的相互關(guān)系。

當(dāng)該隔離開(kāi)關(guān)的次級(jí)回路收到一個(gè)合閘命令后，當(dāng)一個(gè)遠(yuǎn)端的合閘觸點(diǎn)被關(guān)閉時(shí)，SL2就會(huì)開(kāi)啟該觸點(diǎn)，CX 就是一個(gè)二次合閘回路，遠(yuǎn)端的合閘觸點(diǎn)在正常情況下是開(kāi)啟的，正常情況下是開(kāi)啟的，正常情況下是開(kāi)啟的。而在近側(cè)的斷開(kāi)接觸器回路[2]，TX 處于正常閉合狀態(tài)，在近側(cè)的合閘接觸器回路，使用電路支架來(lái)維持回路不間斷的供電，電機(jī)從能量?jī)?chǔ)存控制環(huán)節(jié)獲得能量，電機(jī)的能量?jī)?chǔ)存環(huán)節(jié)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到所需的位置時(shí)，SL2被切斷，CX 合閘接觸器的線圈被切斷，其狀態(tài)從正常打開(kāi)變?yōu)檎ｊP(guān)閉，在此情況下，斷開(kāi)器支架被切斷，開(kāi)關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化，從而完成了合閘控制。

2.3 GIS 隔離開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法分析

在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)的檢修都是采用常規(guī)檢修和故障檢修兩種方式。周期性設(shè)備大修是一種基于設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)變化規(guī)律為理論基礎(chǔ)，能夠有效保障系統(tǒng)和設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，防止大量重大設(shè)備大修和大停電。但是，隨著技術(shù)和運(yùn)營(yíng)電網(wǎng)的公司經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行的常規(guī)設(shè)備檢修已經(jīng)很難再滿足技術(shù)、電網(wǎng)的發(fā)展以及公司經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。隨著科技的進(jìn)步和電網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展與擴(kuò)張，傳統(tǒng)的設(shè)備維修工作量不斷增大，維修人員日益缺乏，停電調(diào)度變得更加困難[3]。另外，目前以斷電試驗(yàn)為基礎(chǔ)的狀態(tài)維修工作，還存在斷電壓力大、斷電試驗(yàn)無(wú)法反映裝置狀態(tài)變化趨勢(shì)、斷電試驗(yàn)中缺陷檢測(cè)率偏低等問(wèn)題。為此，國(guó)家電網(wǎng)大力推行并構(gòu)建了以“實(shí)時(shí)檢測(cè)”為基礎(chǔ)的檢修系統(tǒng)。

3 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的 GIS 隔離開(kāi)關(guān)故障判據(jù)分析

3.1 隔離開(kāi)關(guān)分合閘判斷基本準(zhǔn)則

對(duì)于 GIS 中的隔離開(kāi)關(guān)，其分合閘的合閘和分閘狀態(tài)，以及斷路器故障的判定。接觸的沖程和轉(zhuǎn)動(dòng)的角都要測(cè)量。該方法采用了一種新型的角位移傳感器，并采用 DSP 作為主控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)—角變化的測(cè)量，通常采用曲線形式。當(dāng)拐臂長(zhǎng)不變時(shí)，將拐臂角速度與拐臂角速度相乘，就可以得到拐臂角速度。GIS 斷路器的操作裝置，即操作裝置，其運(yùn)動(dòng)軌跡與接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相等，通過(guò)對(duì)接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行積分，得到接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。而動(dòng)作時(shí)間的測(cè)定則是通過(guò) DSP 測(cè)得的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流持續(xù)時(shí)間來(lái)進(jìn)行。

3.2 隔離開(kāi)關(guān)故障診斷基本理論

3.2.1 GIS 隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)軌跡去燥方法

以 GIS 為代表的拐臂等 GIS 隔離開(kāi)關(guān)為例，在其移動(dòng)時(shí)，其測(cè)角傳感器（無(wú)接觸磁感應(yīng)角位移傳感器）在由主控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不正常、數(shù)據(jù)毛刺等問(wèn)題。在對(duì)資料進(jìn)行處理前，經(jīng)常要對(duì)資料進(jìn)行校正與除噪，而最常見(jiàn)的是移動(dòng)中位數(shù)除噪，其除噪效果更具實(shí)用性與工程性。

3.2.2 常用的曲線特征提取方法

而曲線形狀的特征通常具有諸如：周長(zhǎng)，面積，矩形度，圓度，球形度，不變矩，離心度，外接矩形，形狀標(biāo)記等。在 GIS 隔離開(kāi)關(guān)的角位移傳感器所測(cè)量出的不同時(shí)刻下的角度，或在不同時(shí)刻下的位移曲線中，矩和偏心率的概念是比較重要的，在此進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

4 GIS 隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械特性檢測(cè)智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 常用單片機(jī)與 DSP 對(duì)比分析

就單片機(jī)與 DSP 的性能比較和使用范圍而言，可以概括為：在一般的領(lǐng)域，也就是在中低端的領(lǐng)域，單片機(jī)被廣泛地使用，而 DSP 被廣泛地用于中高端的領(lǐng)域，因?yàn)?DSP 具有更快的處理速度，更強(qiáng)大的功能。前者通常具有8比特或16比特的處理比特，后者通常具有32比特的處理比特。前者多是針對(duì)系統(tǒng)的控制，而后者則多是應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理中。就發(fā)展程度而言，后者是前者的一個(gè)更高層次的發(fā)展，后者可支持 FFT 算法，并具有特定的指令，具有快速的指令處理功能，具有極為強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力[4]。從硬件層面來(lái)看，后者具有高度的集成性、巨大的存儲(chǔ)容量以及在硬件中生成的波特率以及 FIFO 緩沖區(qū)。在其內(nèi)部，整合了 A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)保持器，并具有 PWM 輸出接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非接觸式角位移傳感器的采集。與一般16位微控制器比較，DSP的運(yùn)算速度約為16位微控制器的10倍，一次乘法運(yùn)算可提高20倍。

4.2 GIS 隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械特性系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.2.1 基于 TMS320F28335的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著 GIS 技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)GIS 技術(shù)的研究也越來(lái)越多。通過(guò)分析 GIS 隔離開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的 GIS 隔離開(kāi)關(guān)的機(jī)械性能判定系統(tǒng)相比，本論文所提出的 GIS隔離開(kāi)關(guān)的機(jī)械性能判定系統(tǒng)，其主要特征和特征如下。

一是對(duì) GIS 中的拐臂角位移傳感器進(jìn)行了數(shù)據(jù)的收集和預(yù)處理，并可以對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，從而可以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度，并可以對(duì)其進(jìn)行了工作可靠性的判定，從而增強(qiáng)了電網(wǎng)的工作可靠性，增強(qiáng)了供電可靠性和智能程度；

二是本智能系統(tǒng)具有很強(qiáng)的工作監(jiān)控和機(jī)器的故障診斷功能，能夠盡可能地增加其工作的可靠度；

三是GIS 隔離開(kāi)關(guān)的機(jī)械性能智能化控制系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存能力和智能化的判定方法，可以通過(guò)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)判定設(shè)備的工作狀況，在出現(xiàn)故障時(shí)，可以很容易地判定出設(shè)備當(dāng)前的工作狀況以及故障的種類。

4.2.2 A/D 采樣電路與信號(hào)處理系統(tǒng)

其中，A/D 轉(zhuǎn)換電路在TMS320F28335中起到了非常關(guān)鍵的作用，其廣泛使用適用于各種嵌入式控制系統(tǒng)。如果 A/D 變換的信道數(shù)量很多，需要使用多個(gè)信道時(shí)，可以使用信道擴(kuò)充。DSP 中經(jīng)常使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換信道，其中ADS783就是其中的一個(gè)。

在 DSP 中，A/D 采樣電路是一個(gè)非常重要的功能，因?yàn)樵趯?shí)際生活中，經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)都是模擬的，但是 DSP 所處理的大部分都是數(shù)字的，所以為了在 DSP 的運(yùn)算能力上有很大的優(yōu)勢(shì)，就需要利用 A/D 轉(zhuǎn)換功能，把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字信號(hào)。由于不需要再進(jìn)行擴(kuò)充，因此，GIS 隔離開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性智能控制系統(tǒng)所需 A/D 轉(zhuǎn)換通道的數(shù)量，只需要通過(guò)本體控制芯片就可以達(dá)到系統(tǒng)的需求。

4.2.3 PWM 原理及電路實(shí)現(xiàn)

在 DSP 的全部控制系統(tǒng)中，對(duì)于一些對(duì)工作周期要求比較苛刻的場(chǎng)合，最關(guān)鍵的就是能使工作周期在整個(gè)工作周期內(nèi)按任意比例進(jìn)行調(diào)整。TMS320x280x 系列的處理器非常靈活，配置資源也非常豐富，完全可以在全范圍內(nèi)進(jìn)行任何占空比的配置和控制。其內(nèi)部資源中有電子 PWM 鏈路和模塊，可以以最低的功率消耗，對(duì)任何工作循環(huán)進(jìn)行調(diào)整和控制，以確保高的可靠性。具有正數(shù)、負(fù)數(shù)、倒數(shù)等多種工作方式。

ePWM 鏈路模塊可以分為時(shí)基TB 子模塊，計(jì)數(shù)與比較（CC）子模塊，動(dòng)作限制 AQ （動(dòng)作限制）模塊，死區(qū)數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊，PWM 斬波子模塊，故障斷路器模塊，事件觸發(fā) ET （Equipment Time）模塊。PWM 結(jié)構(gòu)如圖1所示。在設(shè)置 e 型 PWM 模組和節(jié)組時(shí)，需要對(duì)各子模組中的多個(gè)寄存器進(jìn)行初始化。為了在上面提到的方式下 ePWM 模組的工作，必須設(shè)定一個(gè)控制寄存器。

圖1 PWM 結(jié)構(gòu)

4.2.4 SRAM 及 FLASH 電路的設(shè)計(jì)

本文采用 SRAM 和 FLASH 兩種電路實(shí)現(xiàn)了對(duì) GIS 斷路器機(jī)械性能的智能化控制。FLASH 存儲(chǔ)器，也被稱為 FLASH 存儲(chǔ)器，是一種將 ROM和 RAM 的優(yōu)點(diǎn)融合在一起，既具有 EEPROM 的特性，也具有在不掉電的情況下，可以進(jìn)行高速的讀出（NVRAM 的優(yōu)點(diǎn)）。在過(guò)去的30年中，嵌入式系統(tǒng)一直都是將（ROMEPROM）作為其的存儲(chǔ)設(shè)置，但是近些年來(lái)，F(xiàn)LASH 全面取代了 ROM（EPROM）在嵌入式系統(tǒng)中的位置，將其用作存儲(chǔ)Bootloader 以及操作系統(tǒng)或者程序代碼，或者將其直接當(dāng)硬盤使用（U 盤）。英文簡(jiǎn)稱 SRAM，是一種只有靜態(tài)訪問(wèn)功能的存儲(chǔ)器，無(wú)須更新電路就可將其內(nèi)存的資料儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。一種 SRAM 是插在 CPU 和主內(nèi)存之間的一種高速緩存.SRAM 被廣泛地應(yīng)用在二級(jí) Cache 中。其使用三極管存儲(chǔ)資料。相對(duì)于 DRAM，SRAM 具有更高的速率，但是其存儲(chǔ)空間要小于其他種類的存儲(chǔ)空間。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì) GIS 中的隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行了理論研究，并對(duì)其模型進(jìn)行了研究，提出了 GIS 中隔離開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)方案。對(duì) GIS 隔離開(kāi)關(guān)兩次的工作機(jī)理作了簡(jiǎn)單的分析和介紹。本文在闡述 GIS 隔離開(kāi)關(guān)工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)各個(gè)參數(shù)的特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并就如何建立起隔離開(kāi)關(guān)的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控體系進(jìn)行了初步的參數(shù)分析。對(duì) GIS 中的隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行了性能分析和故障診斷。對(duì) GIS 中的隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械性能進(jìn)行了分析。著重對(duì) GIS 隔離開(kāi)關(guān)的機(jī)械性能進(jìn)行了分析。其中主要介紹了以TMS320F28335為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模數(shù)變換電路的設(shè)計(jì)，前處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，PWM 電路的設(shè)計(jì)，電源電路的設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)等。