智能化集成化配電設(shè)備試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

謝劉丹，趙莉莉，沈海萍，倪小紅，關(guān)山，崔金棟

（1.杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司，杭州 311100；2.東北電力大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 吉林 吉林 132012）

0 引言

配電設(shè)備的出廠質(zhì)量是配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。配電設(shè)備的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目繁多，試驗(yàn)情況復(fù)雜，主要包括一般性檢查、機(jī)械特性試驗(yàn)和機(jī)械操作試驗(yàn)。但是目前的出廠試驗(yàn)設(shè)備功能單一，單臺裝置僅能進(jìn)行固定的試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)過程中還需按試驗(yàn)規(guī)程更換試驗(yàn)設(shè)備或變更試驗(yàn)線，工作強(qiáng)度大，智能化和自動(dòng)化水平低。此外，試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍舊使用紙質(zhì)報(bào)告進(jìn)行存儲，不利于相關(guān)試驗(yàn)部門之間進(jìn)行信息共享，工作效率低下。因此，如何提高配電設(shè)備的出廠試驗(yàn)效率和出廠質(zhì)量是目前電力系統(tǒng)工作人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者和電力系統(tǒng)工作對配電設(shè)備的出廠試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究。蘭劍等[1]提出了一種全自動(dòng)斷路器底盤車機(jī)械壽命試驗(yàn)系統(tǒng)，降低了試驗(yàn)人員的參與程度，提高了工作效率；孫秋芹等[2]提出了一種變壓器綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，以程序順序控制的方式，完成變壓器的電氣試驗(yàn)，提高了變壓器試驗(yàn)效率；陳平等[3]根據(jù)斷路器插頭結(jié)構(gòu)和二次回路特點(diǎn)，研發(fā)了一種機(jī)械特性試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置，改進(jìn)了試驗(yàn)接線方式；董冬等[4]研發(fā)了一種試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺，實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)存儲和試驗(yàn)資源管理。上述研究均為對試驗(yàn)裝置的單個(gè)功能進(jìn)行完善或改進(jìn)，并未對試驗(yàn)裝置的多功能集成進(jìn)行研究。

因此，本文研發(fā)了一種智能化集成化配電設(shè)備試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備出廠試驗(yàn)的智能化和集成化，提高了出廠設(shè)備的質(zhì)量和可靠性，簡化了試驗(yàn)過程，并開發(fā)了智能綜合檢測平臺軟件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的數(shù)字化管理，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和安全性。

1 試驗(yàn)裝置功能分析

智能化集成化配電設(shè)備試驗(yàn)裝置是針對高壓配電柜、中置柜和箱式變電站等多種配電設(shè)備的出廠試驗(yàn)而研發(fā)的。各種配電設(shè)備的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目大有不同，并且試驗(yàn)要求也錯(cuò)綜復(fù)雜。通過梳理大量文獻(xiàn)[1-3，5-7]，歸納配電設(shè)備的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)而確定智能化集成化配電設(shè)備試驗(yàn)裝置的具體功能。配電設(shè)備出廠試驗(yàn)項(xiàng)目主要為一般性檢查、機(jī)械特性試驗(yàn)和機(jī)械操作試驗(yàn)項(xiàng)目。其中，一般性檢查項(xiàng)目又包括框架結(jié)構(gòu)檢查、表面噴涂及電鍍、元器件裝配、母線裝配、輔助回路配線、主回路電氣間隔及爬電距離，以及輔助回路電氣間隔及爬電距離等子試驗(yàn)項(xiàng)目。機(jī)械特性試驗(yàn)又包括觸頭開距、接觸行程、回路電阻、合閘彈跳時(shí)間、合閘時(shí)間、合閘速度、分閘時(shí)間及分閘速度等子試驗(yàn)項(xiàng)目。機(jī)械操作試驗(yàn)又包括主開關(guān)、手車、接地開關(guān)、電氣操作、絕緣性能、主回路電阻等子試驗(yàn)項(xiàng)目。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

智能化集成化配電設(shè)備試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括試驗(yàn)管理終端、試驗(yàn)對象識別模塊、標(biāo)準(zhǔn)化通信接口、試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入模塊，以及多個(gè)用于特定試驗(yàn)項(xiàng)目的智能化試驗(yàn)?zāi)K（智能化試驗(yàn)?zāi)K為圖1虛線框內(nèi)部分）。多個(gè)試驗(yàn)?zāi)K通過RS485總線以“即插即用”的方式與試驗(yàn)管理終端相連接，完成多種試驗(yàn)項(xiàng)目的程序化一鍵式操作，為不同用戶提供了柔性強(qiáng)、成本低的選擇方案，并且為新智能化試驗(yàn)?zāi)K的開發(fā)與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

圖1 智能化集成化配電設(shè)備試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)管理終端為智能化集成化配電設(shè)備試驗(yàn)裝置的控制核心，由它協(xié)調(diào)各試驗(yàn)?zāi)K，完成出廠試驗(yàn)工作。試驗(yàn)對象識別模塊采用條碼、二維碼或射頻識別等方式獲取試驗(yàn)對象的識別碼，并通過試驗(yàn)管理終端進(jìn)行顯示。可調(diào)式電源采用高頻調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電壓和電流的大范圍調(diào)節(jié)，滿足多種試驗(yàn)項(xiàng)目的供電需求。

針對一般性檢查項(xiàng)目，例如對于試驗(yàn)對象的框架結(jié)構(gòu)檢查和元器件裝配等，試驗(yàn)人員可通過文字、圖片和視頻等形式通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入模塊將檢查結(jié)果上傳，供相關(guān)部門審核。

針對機(jī)械特性試驗(yàn)項(xiàng)目和機(jī)械操作試驗(yàn)項(xiàng)目，例如主開關(guān)試驗(yàn)、電氣間隔/爬電距離測量試驗(yàn)、絕緣性能試驗(yàn)、斷路器底盤車試驗(yàn)及通電操作試驗(yàn)等，研發(fā)了智能化試驗(yàn)?zāi)K，這些模塊主要包括控制芯片（例如STM32芯片等）、傳感器、通信電路和控制電路等。各智能化試驗(yàn)?zāi)K在試驗(yàn)管理終端的控制下以程序化一鍵操作的方式完成出廠試驗(yàn)工作。此外，標(biāo)準(zhǔn)化通信接口模塊上設(shè)有多個(gè)USB、RS232和RS485接口，可與高壓測試儀或耐壓試驗(yàn)臺等已有試驗(yàn)裝置建立通信，進(jìn)而以程序化的方式完成相應(yīng)試驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2 智能化試驗(yàn)?zāi)K

智能化試驗(yàn)?zāi)K是在傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，對控制芯片、傳感器、控制電路及通信電路等進(jìn)行升級調(diào)整得到，能以數(shù)字化、智能化的方式完成特定的試驗(yàn)項(xiàng)目。

以主開關(guān)分/合閘試驗(yàn)為例，試驗(yàn)要求：分合閘操作各5次，并聯(lián)合閘脫扣器在額定電源電壓的85%～110%之間，應(yīng)可靠動(dòng)作，當(dāng)電源電壓≤30%時(shí)，不應(yīng)脫扣；并聯(lián)分閘脫扣器在額定電源電壓的65%（直流）或85%（交流）～110%之間，應(yīng)可靠動(dòng)作，當(dāng)電源電壓≤30%時(shí)，不應(yīng)脫扣。

主開關(guān)試驗(yàn)?zāi)K如圖2所示，主要包括主控單元、顯示模塊、光耦模塊和調(diào)壓器。其中，主控單元采用STM32F103RCT6單片機(jī)，由它協(xié)調(diào)外接電路，完成主開關(guān)分/合閘操作試驗(yàn)的各過程。顯示模塊用于顯示主控單元所接收到的試驗(yàn)信息，供試驗(yàn)人員查看。光耦模塊的輸入/輸出端口分別與主控單元合斷路器相連接，提高輸入端的抗干擾性。調(diào)壓器在主控單元的控制下隨機(jī)為主開關(guān)輸出5次0.85～1.10倍和不大于0.3倍的額定電壓。

圖2 主開關(guān)試驗(yàn)?zāi)K

主開關(guān)分/合閘試驗(yàn)流程如圖3所示。測試開始時(shí)，首先將斷路器置于分閘位，對斷路器合閘位進(jìn)行測試，主控單元控制調(diào)壓器隨機(jī)生成5次范圍為0.85～1.10倍額定電壓作為斷路器的輸入，觀察主控單元是否收到斷路器合閘到位信號，若5次中有一次或多次未收到合閘到位信號，則判定為合閘異常并通過顯示模塊顯示斷路器合閘異常，若5次均收到合閘到位信號，此時(shí)，主控單元控制調(diào)壓器隨機(jī)生成5次不大于0.3倍額定電壓作為斷路器輸入，觀察主控單元是否收到斷路器合閘到位信號，若5次中有一次或多次收到合閘到位信號，則判定為合閘異常并通過顯示模塊顯示斷路器合閘異常，若5次均未收到合閘到位信號，則判定為合閘正常并通過顯示模塊顯示斷路器合閘正常；同理，將斷路器置于合閘位，對斷路器分閘位進(jìn)行測試，完成主開關(guān)分/合閘試驗(yàn)各過程。

圖3 主開關(guān)分/合閘試驗(yàn)流程

3 軟件設(shè)計(jì)

智能綜合檢測平臺軟件是一套試驗(yàn)管理軟件與數(shù)據(jù)庫的集合，其以工業(yè)防護(hù)型智能平板為載體，通過RS485總線建立與子試驗(yàn)平臺的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)平臺的數(shù)字化、智能化和集成化管理。該軟件主要負(fù)責(zé)生成試驗(yàn)計(jì)劃、控制試驗(yàn)流程、獲取各試驗(yàn)?zāi)K的試驗(yàn)結(jié)果、顯示試驗(yàn)結(jié)果和打印報(bào)表。此外，出于兼容性和功能性的考慮，該軟件設(shè)有兩種工作方式，分別用于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)對象（數(shù)據(jù)庫中存儲或已通過本裝置試驗(yàn)的試驗(yàn)對象）和新試驗(yàn)對象。對于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)對象，該軟件通過試驗(yàn)對象識別模塊所檢測的設(shè)備編碼信息建立起數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系，從而自動(dòng)生成試驗(yàn)計(jì)劃。對于新的試驗(yàn)對象，其工作流程如圖4所示。首先，根據(jù)試驗(yàn)要求建立測試子項(xiàng)；其次，將歸屬于相同試驗(yàn)對象的測試子項(xiàng)組合，完成試驗(yàn)計(jì)劃的生成；之后，依次測試各測試子項(xiàng)目，并實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)流程，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，試驗(yàn)人員進(jìn)行處理，并根據(jù)試驗(yàn)要求確定是否繼續(xù)試驗(yàn)，如果是，則重新進(jìn)行該試驗(yàn)項(xiàng)目，如果否，則結(jié)束該試驗(yàn)項(xiàng)目；最后，獲取各子試驗(yàn)平臺的試驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行顯示。

圖4 智能綜合檢測平臺工作流程

以箱式變電站為例，所開發(fā)的新建測試子項(xiàng)界面如圖5所示，新建測試子項(xiàng)類型包括輸入項(xiàng)、日期項(xiàng)、圖片項(xiàng)及聯(lián)動(dòng)項(xiàng)等。針對框架結(jié)構(gòu)檢查、表面噴涂及電鍍、元器件裝配、母線裝配等一般性檢查項(xiàng)目時(shí)，可通過新建測試子項(xiàng)中的輸入項(xiàng)、圖片項(xiàng)和視頻項(xiàng)將檢查結(jié)果上傳。

圖5 新建測試子項(xiàng)界面

4 結(jié)論

1）研制了一種智能化集成化配電設(shè)備試驗(yàn)裝置，將多種試驗(yàn)功能進(jìn)行高度集成，實(shí)現(xiàn)對配電設(shè)備出廠試驗(yàn)的智能化和程序化管理，降低了試驗(yàn)人員的參與度，保證了試驗(yàn)結(jié)果可靠性，極大地提升了試驗(yàn)效率。

2）設(shè)計(jì)了多種適于不同試驗(yàn)要求的智能化試驗(yàn)?zāi)K，可通過一鍵式操作的形式完成對應(yīng)試驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了出廠試驗(yàn)裝置的數(shù)字化和智能化水平。

3）研發(fā)了智能綜合試驗(yàn)平臺軟件，與內(nèi)在數(shù)據(jù)庫結(jié)合，生成試驗(yàn)計(jì)劃，存儲試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)試驗(yàn)過程和試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)字化和智能化管理。