基于姿態傳感器的刀閘狀態在線監測系統的研究

山東電工電氣集團有限公司 史存偉 李鳳民 傅春明 張 猛 王 坤 劉恒志

本文設計了一套基于多參量姿態傳感器的組合電器分合閘狀態在線監測系統，通過直接測量刀閘操縱桿的位置量實現刀閘位置的精準判定，在不影響設備性能的前提下，與原有的刀閘輔助接點判定刀閘位置的方式共同形成了非同源的刀閘位置“雙確認”判定系統。該監測系統安全、可靠、穩定，為能源物聯網建設起到了積極地推動作用。

目前，智慧變電站倒閘操作多采用“一鍵順控”技術，其中刀閘分合閘狀態為“一鍵順控”的重要判據，刀閘遠方操作時，至少存在兩個非同源指示同時發生對應變化，才能確認刀閘已操作到位。刀閘分合閘“雙確認”的第一種判據一般采用輔助開關接點方式判斷位置狀態。另一種非同源方式主要監測方法有：行程、視頻、壓力、光柵、姿態傳感器法等監測方式，根據刀閘傳動結構特點，不同的刀閘在位置變化時操動機構的傳動機構動作特性不同，但主要操動機構會呈現出姿態變化，因此第二判據主要目的是測量刀閘的姿態位置。

姿態傳感技術廣泛應用在航模無人機、車輛船舶、人體運動分析等測量方位領域中。本設計在不影響設備性能的前提下，通過在刀閘操縱桿安裝姿態傳感器的方式，將監測信號傳輸到刀閘狀態接收裝置系統，實現一種非同源的刀閘分合閘位置監測方式。與原有的刀閘輔助接點判斷結果結合形成刀閘分合閘狀態“雙確認”系統，融合到一鍵順控系統中，保證了設備刀閘操作安全執行。該系統作為刀閘“雙確認”的第二判據，具有高精準度及免維護的優點，可將傳統倒閘144項操作縮減為12項操作任務，極大提升了工作效率及安全性。作為“一鍵順控”技術的推廣應用，將給智能變電站帶來可觀的經濟效益，同時增加了可靠供電時長，對電網系統的能源物聯網建設起到了積極地推動作用。

1 系統架構

姿態傳感器信號通過串口將刀閘分合閘狀態信息發送給刀閘狀態接收裝置，刀閘狀態接收裝置經過解析判斷后，將表示刀閘分合閘狀態的無源接點輸出至測控裝置（常規站） 或就地裝置（智能站），針對不同應用場景，可設計有線傳輸和無線傳輸方式，實現多種運動工況下刀閘監測。刀閘狀態接收裝置將傳感器的角度、分合閘時間、刀閘狀態等信息通過RS485接口或者網口上傳給后臺系統，其中，網口信息一般采用IEC61850協議，后臺系統可直接部署于變電站輔控平臺也可部署在單獨的一鍵順控主機中。實現刀閘分合閘狀態監測和“雙確認”功能。圖1所示為傳輸系統框架圖。

2 基于姿態傳感器的刀閘位置監測系統設計

圖1 傳輸系統框架圖

本文所設計的刀閘分合閘位置在線監測系統主要有姿態傳感器、刀閘狀態接收裝置及上位機信息系統組成。多參量姿態傳感器通過測量刀閘操作桿的姿態變化量后將信息傳送給信號接收裝置，從而計算分析得出刀閘位置信息，通過軟件算法對應實時監測判斷出“分閘到位”、“合閘到位”、“分閘異常”、“合閘異常”四種狀態。對于每臺刀閘設備分合閘狀態，輸出3對接點信號，2路用于刀閘分合閘狀態，1路表示傳感器故障接點信號，傳感器故障接點閉合，正常時分開。另外，接收裝置通過IEC61850協議將監測到的信號傳送給后臺系統，進而與傳統的輔助開關接點判定刀閘位置的方式共同形成了非同源的刀閘位置“雙確認”判定系統。

2.1 多參量姿態傳感器的設計

姿態傳感器采用加速度計、磁傳感器、陀螺儀的多參量傳感器和微處理器等構成，內部嵌入擴展卡爾曼濾波算法，能夠快速精確的解算出航向角、俯仰角和翻滾角等信息，測量分辨率為0.01°，可進行內部自校準。采用獨立硬件看門狗及高速無限讀寫次數鐵電存儲器。具備數據采集、數據標定、參數配置、地址設置等眾多功能，俯仰角/翻滾角測量范圍-360°～+360°（可自行設置，最大-1800°～+1800°）；航向角測量范圍-720°～+720°（可自行設置，最大-1800°～+1800°）。

2.2 信號接收裝置的設計

信號接收裝置由微處理器模塊、電源模塊、繼電器模塊、通信模塊和狀態顯示模塊構成。主要完成傳感器刀閘角度量分析、刀閘分合閘狀態判斷、繼電器無源接點開出和標準協議輸出等功能。信號接收裝置主要技術指標：輸入信號為18路信號接入；輸出開關量信號為18路常開、常閉接點輸出；電源輸入為AC100-240V；電源輸出3路DC24V輸出。整個硬件系統以ARM處理器最小系統為核心，通過不同類型的數字接口連接各個功能子模塊組成系統整體框架。硬件設計框圖如圖2所示。

系統控制板主要功能如下：

（1）數據通信功能：系統控制板通過串口與姿態傳感器進行通信，獲取姿態信息。

（2）裝置自檢與故障指示功能：具有裝置自檢功能，包括自身狀態自檢、傳感器狀態自檢、通信狀態自檢等，配備本地故障指示燈，并上傳至上層網絡系統；信號接收裝置應有傳感器故障就地指示燈，能夠就地判斷傳感器工作狀態。

（3）防死機功能：系統設計了看門狗芯片監測主控制器的工作狀態，保證整個系統能夠長期穩定工作。一旦主控制器出現死機狀態，立即進行復位操作。

圖2 硬件設計框圖

（4）就地調試功能：信號接收裝置具備就地調試功能，能夠現場進行程序升級，就地實現信號解析、傳感器的地址設置，具有對傳感器進行精度校準功能，并可通過后臺系統或裝置自身下發同語言指令，召喚任意一個傳感器的采集數據。

（5）數據解析與協議轉換功能：根據與姿態傳感器的通信協議解析所需要的參數信息，能夠分析傳感器監測到的位置數據變化情況，根據與上層的通信介質與協議，應將刀閘的分合閘狀態和分合閘異常狀態進行協議封裝上層網絡系統。

系統接口設計（表1、表2）：

表1 對外接口配置

表2 指示功能配置

硬件電路設計：

開出電路板采用2塊標準板，每塊提供12路開關量；同時增加3路電源控制，一路負責給繼電器供電，一路控制CPU的GPIO口控制信號；一路控制+24V備用電源輸出。如圖3所示，YK1和COM為遙控輸出的常開接點，K1為繼電器，U1為光電耦合器，起到隔離作用，繼電器K1的線圈3、4腳分別接光耦輸出腳3，24V電源地GND24V，光耦輸出腳4接24V電源正，光耦的輸入管腳1接操作電源VCC_OP，管腳2（YK1_CPU）接到MCU的GPIO口，單片機通過輸出高低電平控制光耦的關斷、導通，從而控制繼電器線圈的電源，達到控制繼電器觸點分合目的。

RS-485通信電路模塊如圖4所示，電路輸出端通過TVS二極管增強抗干擾能力，保持通信穩定。U5為485收發芯片，管腳1為監測端口，連接到MCU的UART_RX，管腳4為發送端口，連接到MCU的UART_TX，管腳2、3為收發控制管腳，通過三極管Q1來控制監測或發送狀態，三極管的基極（RS485_CON1）連接到MCU的GPIO，輸出高電平時為監測狀態，輸出高電平時為發送狀態，CL1為共模電感，用來抑制共模干擾，TVS1、TVS2、TVS3為瞬態抑制二極管，用來防止浪涌或靜電放電對電路造成損壞，R14為線路終端匹配電阻，RS485_1_A、RS485_1_B為485電路信號接口。

2.3 信號接收裝置系統下位機軟件設計

信號接收裝置下位機軟件采取嵌入式開發系統，軟件的整體設計思想采用輪詢的方式，根據系統任務需要執行應用層相應的功能程序，完成系統任務的調度與管理。

圖3 開出電路板繼電器控制電路圖

圖4 RS-485通信電路圖

圖5 下位機軟件架構圖

軟件架構采用分層結構設計，從上到下依次為應用層、基礎層和驅動層。如圖5所示。該設計可將復雜功能簡單化，降低層與層之間的依賴，有利于程序的標準化以及功能的增添或替換。驅動層主要負責對底層硬件電路和芯片的訪問，實現對不同功能電路的控制、對采集芯片的驅動：主要包括SPI讀寫驅動、不同功能的串口驅動與模數轉換驅動。基礎層位于驅動層的上層，主要負責將相對應的驅動層封裝成程序服務單元，給頂層的應用層提供簡單靈活的接口，便于實現不同功能：主要包括系統參數配置程序、上電自檢程序、與傳感器之間的通信任務、與上位機軟件之間的通信任務、以太網信息收發任務、電壓電流信息采集任務、狀態指示輸出任務、無源開關量輸出任務。應用層位于分層結構的最頂層，主要負責包括數據采集、數據存儲、數據導出等任務的切換。在應用層中，有人機交互程序、系統初始化程序、數據采集程序、狀態指示程序。

傳感器數據接收與處理：

傳感器接收并處理數據流程如圖6所示，傳感器數據主要分為姿態數據和地址應答。姿態數據根據分合閘判據進行判斷，并根據與上位機的通信協議將分合狀態與具體參數進行上傳；地址應答是上位機設置地址的具體應答，信號接收裝置作為中繼站將設置結果反饋給上位機。

信號接收裝置：

信號接收裝置收到上位機參數類型與上位機軟件的功能相關，主要分為傳感器地址與分組設置、分合閘角度設置、分合閘容差角度設置、分合位標定與角度清零等。信號接收裝置需要根據接收數據的類型進行不同的功能模塊數據處理。如圖7所示。

3 上位機軟件系統設計

上位機系統基于VS2017平臺下的.Net framework4.5框架開發，由采集平臺、共享內存、智能告警分析、狀態判別及數據存儲等部分組成。上位機軟件采用結構化設計思想軟件界面如圖8所示。后臺界面可按照現實需求靈活編輯，傳感系統設置監控后臺，對傳感器及接收裝置的工作狀態、自檢的狀態進行實時監測。同時對現場各刀閘歷史運行數據進行分析，根據分合閘各種異常分合閘特征，分析刀閘健康狀態，監控后臺系統可單獨部署也可集成到變電站現有輔控平臺中。

主要功能：完成對下位機裝置的通信，包括人機交互界面、以太網絡通信、數據圖形顯示、數據庫查詢下載等。數據通信包括地址、編組設置命令下發，接收下位機采集的數據與分合閘判據等參數；查詢和配置參數：IP與端口號設置、接收裝置的地址與編組、分合位角度、容差角度等設置；清零與矯正功能；數據解析與展示功能；分合閘狀態分析；數據存儲、查詢、下載及導出功能。

圖6 傳感器數據處理流程

圖7 信號接收裝置接收數據處理流程

圖8 上位機軟件頁面

圖9 分合閘設置頁面

分合閘參數設置頁面，以列表形式方便設置接收裝置地址、接收裝置地址編組、分位角度、合位角度、分合閾值角度等，可根據不同電壓等級和不同類型的刀閘可方便進行傳感器配置。如圖9所示。

4 IEC61850通訊協議的設計

為了后臺更好的監測刀閘實時狀態，本設計通過采用modbus協議轉換為IEC61850標準協議（MMS），將刀閘信息上傳至Ⅲ區的后臺可視化系統中或接入變電站現有的輔控系統平臺。上傳信息包括接收裝置自檢，姿態傳感器狀態自檢，失電報警，狀態報告，故障報警；隔離開關角度，分合閘時間，姿態傳感器狀態，傳感器在線狀態；隔離開關分合閘狀態（合閘，分閘，合閘異常，分閘異常）等信息。將監測每個隔離開關描述為一個IED對象，將最小功能單元建模為一個邏輯節點對象。

（1）協議轉換卡與MCU數據交換參考Modbus-RTU協議，同時增加自定義報文進行通訊，通信參數設置包括：波特率（9600，可配）；無奇偶校驗位；1個停止位；8個數據位。

（2）協議轉換卡與MCU數據交互主要包括：每個隔離開關（共6個，1～6）A、B、C三相的開關角度、開關動作時間、姿態傳感器狀態自檢、姿態傳感器故障告警、姿態傳感器通信狀態，以及每個隔離開關（共6個，1～6）的分合閘狀態、接收裝置狀態自檢和接收裝置故障告警等信息。

（3）協議轉換卡和MCU之間的通信采用標準Modbus-RTU協議的0x03功能碼（協議轉換卡作為主機，MCU作為從機）。

（4）協議轉換卡在開機時采集一次，后續每隔1s采集一次，實時更新。MCU的從機地址為0x01，寄存器起始地址為300（0x012C），協議轉換卡讀取MCU數據的寄存器個數為20（0x0014）。

5 試驗

刀閘位置在線監測系統試驗項目和試驗要求應該滿《國網運檢部關于印發隔離開關分合閘位置“雙確認”改造技術規范（試行）的通知》（運檢一〔2018〕99號）》和《Q/GDW 1535變電設備在線檢測裝置通用技術規范》的規定，按照試驗項目要求進行試驗驗證。表3為刀閘位置在線監測系統部分試驗項目。

圖10 樣機試驗檢測圖

表3 刀閘位置在線監測系統部分試驗項目列表

本設計的刀閘位置在線監測裝置在完成設計后，廠內進行相關試驗合格后，2020年6月在許昌開普檢測研究院股份有限公司進行型式試驗驗證，試驗項目一次性通過率100%，刀閘位置的狀態監測判定準確率100%，位置檢測定位精度誤差≤0.46°，測試重復性精度≤0.11°，通訊數據一致性良好。試驗表明，本次設計的刀閘位置在線監測裝置性能良好，可滿足變電站運行刀閘設備的在線監測需求。樣機試驗檢測圖如圖10所示。

為滿足國家電網中國特色國際領先的能源互聯網企業建設需要，支撐變電站智能化一鍵順控實施，解決變電站采用單一輔助開關接點判斷刀閘位置方式的誤判問題，本文設計了一套基于姿態傳感器的刀閘位置在線監測系統作為刀閘“雙確認”的第二判據，實現刀閘的合閘到位、分閘到位、合閘異常、分閘異常準確判斷，可自動上傳上層網絡系統，可適用于不同電壓等級的敞開式和組合電器刀閘狀態監測，可實現操作機構及傳動機構的運行狀態的提前判斷，提高高壓開關操作智能化水平，為變電站的可靠穩定運行提供安全保障。