配電設備狀態監測與故障診斷系統研究

徐一銘+劉楊濤

摘 要：智能變電站具有信息化、數字化以及操作可視化等特點，是未來電網發展中的一個核心環節。因此對于變電站設備的監控直接影響著電能輸送的質量，鑒于此，文章對配電設備狀態監測與故障診斷系統的研究進行簡要分析，并且介紹了斷路器狀態檢測和故障診斷，從而更深入地掌握該監測設備的實際功效。

關鍵詞：配電設備；狀態監測；故障診斷

中圖分類號：TM845 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）30-0101-02

配電設備的在線監測技術，主要是針對設備實際工作狀態，通過現代化的監測手段以及科學有效的評價手段，來判斷設備的運行狀態和使用壽命。通過配電設備狀態監測與故障診斷系統，可以自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和檢測等功能，同時，具備支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策和協同互動等高級功能，提高配電設備的運行穩定性和安全性。因此，在線監測和狀態檢修時，配電設備狀態監測與故障診斷系統是智能變電站自動化水平的體現，是未來電網發展的主要方向。本文就對配電設備狀態監測與故障診斷系統進行詳細分析。

1 配電設備狀態監測系統的功能架構設計

配電設備狀態監測與故障診斷系統是智能電網的重要組成部分，主要針對變電站內的變壓器、電壓互感器、電流互感器、電容器、斷路器以避雷器等設備進行在線監測。配電設備狀態監測與故障診斷系統功能結構，如圖1所示。

1.1 系統構成

由上圖可知，配電設備狀態監測與故障診斷系統主要通過在線診斷的方式，通過對歷史數據、在線實時數據來判斷配電設備的運行狀態，為后期設備的檢修和保養提供必要的理論依據。具體包括變電站內的變壓器狀態監測與故障診斷裝置；電壓互感器狀態監測與故障診斷裝置；電流互感器狀態監測與故障診斷裝置；電容器狀態監測與故障診斷裝置；斷路器狀態監測與故障診斷裝置以及避雷器狀態監測與故障診斷裝置。

1.2 系統功能

配電設備狀態監測與故障診斷系統主要功能包括提供配電設備在線或者非在線監測信息的瀏覽；智能診斷；故障分析、預測和評估等。配電設備狀態監測與故障診斷系統主要采用現代互聯網技術，用戶可以通過瀏覽器查詢配電設備的相關數據和運行狀態信息，同時可以借助主機對配電設備的實時監測數據進行分析計算，并將最終結果反饋給用戶。智能診斷主要涉及到變電站內的變壓器、電壓互感器、電流互感器、電容器、斷路器以避雷器等設備，狀態監測裝置具有數據信息事實錄入功能、數據修改、查詢以及顯示和打印功能，故障診斷采用了人工智能理論，能夠準確有效的指出設備的實時狀態，并且根據設備的歷史數據和工作狀況，預測設備未來的云翔狀態，能夠對潛在故障隱患進行有效預判。當設備發生故障或者災害時，系統可以幫助分析該設備發生故障的具體原因，并且計算損失，便于對故障采取進行及時有效的維護處理，并且將損失降到最低。

2 在線監測系統的軟/硬件設計

本文主要從觸頭溫度及行程監測兩個方面，分析斷路器的狀態監測與故障診斷。斷路器觸頭溫度及行程監測系統，采用分布式結構，由一個上位機監測模塊和多個溫度、行程測量模塊構成，彼此間通過無線傳輸方式進行通信，具體設計如下。

2.1 斷路器在線監測系統的硬件設計

溫度、行程測量模塊的硬件設計主要包括單片機、傳感器、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、無線射頻芯片以及數據轉換芯片構成。通過傳感器對斷路器的觸頭溫度以及行程數據進行實時采集，然后再利用無線通信的方式傳輸到上位機模塊進行深入分析和處理。溫度、行程測量模塊結構，如圖2所示。

從圖2中可以看出，斷路器觸頭溫度、行程測量模塊主要可以分為溫度測量單元、行程測量單元以及無線通信單元三個部分。其中溫度測量單元主要由遠紅外溫度傳感器和數據轉換芯片組成，通過遠紅外溫度傳感器對觸頭溫度進行實時監測，然后在利用數據轉換芯片將傳感器監測到的電壓信號轉換成可供單片機利用的數字模擬信號；行程測量單元主要由光電編碼器、信號處理電路、數據轉換芯片以及數據存儲器組成；無線通信單元主要通過無線射頻芯片完成對數據信息的無線傳輸。無線通信測量模塊對應的地址是唯一的，當測量模塊接收到上位機發送的數據包后，與相應的地址進行比對分析，如果相同則立刻向上位機恢復應答信號，如果不同，則不做任何回復。這三個單元主要由單片機微處理器對其進行控制，從而實現數據信息的收集與傳輸。

2.2 斷路器在線監測系統的軟件設計

斷路器觸頭溫度、行程測量模塊軟件設計包括主程序設計、溫度測量軟件設計以及行程測量軟件設計三個部分。

①主程序是接收數據，發送指令的核心環節，具體包括接收上位機發送的觸頭溫度測量指令、行程數據傳輸指令等。主程序的工作流程，如圖3所示。

從圖中可以看出，主程序接收到指令后，根據不同類別將指令分別傳輸到溫度測量傳輸和行程測量傳輸單元中并完成相應的操作，當數據傳輸完成后，主程序進行初始化，并進入查詢狀態等待下一次指令的發送。

②溫度測量軟件由I/O CLOCK和CS共同定義串行接口的6種時序模式。其工作過程主要有模擬量采樣、模擬量轉換和數字量傳輸三個階段。模擬量采樣過程中，CS需要保持高電平，當電平變低時，在第三個I/O CLOCK下降沿，開始對輸入模擬量進行采樣，采樣周期維持7個I/O CLOCK，并且在第10個I/O CLOCK下進行降沿鎖存；在模擬量轉換過程中，CS由低電平轉換成高電平，I/O CLOCK禁止模擬數據轉換結果的輸出，此時DATA OUT處于高阻狀態，單元內的CMOS門限檢測器通過檢測一系列電容的充電電壓決定模擬轉換后的數字量的每一位，轉換過程不超過21μs；在數字量傳輸階段，CS由高電平變為低電平，允許I/O CLOCK正常工作，并使DATA OUT脫離高阻狀態，接收上次的轉換結果。期間需要移出上次轉換結果數據量對應的最高位，下一個I/O CLOCK的下降沿驅動DATA OUT輸出上一次轉換結果數據量對應的次高位，依次第9個I/O CLOCK的下降，沿驅動DATA OUT輸出上一次轉換結果數據量的最低位，第10個I/O CLOCK的下降沿驅動DATA OUT輸出一個低電平，以便串行接口的傳輸大于10個時鐘。

在CS的下降沿，上一次轉換的最高位MSB，出現在DATA OUT端，10位數字量通過DATA OUT發送到微處理器。為了開始傳輸，將需要10個時鐘脈沖，在第10個時鐘脈沖的下降沿，內部邏輯把DATA OUT拉至低電平，確保其余位清零。在正常轉換內，CS端由高電平至低電平的跳變，可以終止該周期，器件將返回到初始狀態，輸出數據寄存器的內容保持為上一次轉換結果。由于可能破壞輸出結果數字量，所以在接近轉換完成時，需要將CS拉至低電平。

3 結 語

綜上所述，伴隨著我國智能電網建設的快速發展，配電設備在線監測系統的實際應用越來越普遍，其發揮的作用也越來越重要。配電設備狀態監測與故障診斷系統，可以對運行狀態下的變壓器、電壓互感器、電流互感器、電容器、斷路器以避雷器進行在線監測，并且通過相應的軟件系統，對這些設備的狀態檢測數據進行分析和診斷，從而便于技術的發現配電設備的潛在故障，同時，根據分析結果對該設備進行檢修和保養，從而提升了配電設備運行的可靠性和穩定性，使其運行質量得到改善，有效地延長使用壽命，降低電力部門的運維成本。

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