基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)設(shè)計

張 峰

（許繼電氣智能中壓開關(guān)有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著信息科技和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國的電力系統(tǒng)也在不斷向前發(fā)展，對能源的需求量日益增大，這就要求電力系統(tǒng)中的高壓開關(guān)設(shè)備的性能必須緊跟發(fā)展的腳步，不斷提高電力系統(tǒng)中高壓開關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性以及操作性。

電力系統(tǒng)中的高壓開關(guān)設(shè)備需要定期進行檢修和維護。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的維修是通過技術(shù)工人進入變電站對設(shè)備進行人工檢測并進行維修。該維修方式需要技術(shù)工人擁有非常豐富的經(jīng)驗、知識儲備以及過硬的技術(shù)，并且維修成本也逐日增加。由于技術(shù)工人存在不確定性，會導致電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的故障檢測存在偶然性和不穩(wěn)定性，嚴重的還會出現(xiàn)安全事故。因此傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測方法不能適應當下電力系統(tǒng)的發(fā)展。

綜上所述，該文提出基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)。通過檢測系統(tǒng)對高壓開關(guān)設(shè)備進行故障檢測，減少錯誤操作，提高可靠性，同時還能降低電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的維修成本，使電力系統(tǒng)向智能自動化方向發(fā)展。

1 電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基于導通電阻實時監(jiān)測的系統(tǒng)硬件設(shè)計

選擇型號為CONN590、產(chǎn)地位于瑞士的制造公司所生產(chǎn)的內(nèi)嵌形式的工業(yè)用控制監(jiān)測計算機。所采用的主計算機的內(nèi)存為2.0 GB，運行內(nèi)存為8.0 GB，計算機的運行芯片為酷睿i4-3579B。另外，為了保證運行的流暢，還配置1個內(nèi)存為123.0 GB的外接移動硬盤，以輔助計算機運行。移動硬盤除了內(nèi)存還應該具有5個對外接口、3個LAN接口和5個USB插孔，便于計算機可以靈活與其他外部通信軟件相連，從而可以對數(shù)據(jù)進行采集和實時監(jiān)控。為了方便操作人員工作，計算機采用超大屏幕的顯示屏。

后端的實時監(jiān)控設(shè)備選用生產(chǎn)地址位于瑞士的制造公司所制造的綜合安保裝置和人工智能實時監(jiān)控設(shè)備。綜合安保裝置滿足世界常規(guī)設(shè)計制造標準，可以很好地承載導通電阻所產(chǎn)生的電流量，可以很好地保護電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備中的線路，并對電流量進行控制，還可以測量導通電阻本身的發(fā)熱程度和電流量。人工智能實時監(jiān)測設(shè)備可以對整體系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，確保通過電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的電壓、電流量維持在安全范圍內(nèi)，其還擁有過流保護和觸地保護機制。

1.2 電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)信息的傳送方式分為3個不同的途徑：1） 以接收點為單位進行傳送，每個設(shè)備擁有固定的發(fā)送名稱和地址，并且每個設(shè)備只能通過這一個固定的名稱和地址傳送數(shù)據(jù)信息。2） 以組為單位傳送信息數(shù)據(jù)，將所有設(shè)備平均分為幾組，每組里的設(shè)備共用同一個名稱和地址傳送信息，同一個組內(nèi)的設(shè)備之間也能互相傳送和接收信息。3）以類似廣播的形式傳送信息數(shù)據(jù)，設(shè)定一個設(shè)備為對外設(shè)備，負責向外界傳送信息，其他設(shè)備只能單向向該設(shè)備傳送信息數(shù)據(jù)，然后通過該設(shè)備將需要傳輸?shù)男畔鬏敵鋈?。外界向?nèi)傳輸信息也要經(jīng)過該設(shè)備后再傳送給其他設(shè)備。高壓開關(guān)設(shè)備測溫系統(tǒng)采用簡單的測溫網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)點間的距離短，可以縮短信息數(shù)據(jù)的傳送時間。采用第一種以點為單位的傳輸方式，當遇到設(shè)備相對較遠的情況時，融合第三種廣播式的傳輸方式來傳送信息。2種方式相結(jié)合大大提高了信息的精準程度，同時還可以縮短時間，提高系統(tǒng)運行的效率。

為了確保基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)可以穩(wěn)定地抓取和傳送溫度信息，該文詳細地對不同測溫設(shè)備之間的運行步驟進行設(shè)計，具體步驟如下：1）在被測節(jié)點通電后，整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)被限制，從而進行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化操作。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化后，每個被測節(jié)點彼此連成網(wǎng)絡(luò)，開始進行相對通信搜索，在搜索到附近終端網(wǎng)絡(luò)后便請求與終端建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。此時，終端網(wǎng)絡(luò)接受邀請并進行安全性評估，確保信息安全后，同意建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。終端與被測節(jié)點之間建立的聯(lián)系是相對獨立且具有個性化的聯(lián)系。2）當被測節(jié)點與終端網(wǎng)絡(luò)建立起網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系后，就標志組網(wǎng)建立的完成。這個時候被測節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)信息狀態(tài)會被改成單一狀態(tài)，進行信息的單線點對點傳輸。終端根據(jù)被測節(jié)點的特性進行函數(shù)處理，設(shè)置完成函數(shù)處理后，被測節(jié)點的設(shè)備就能將本身數(shù)據(jù)向終端進行傳輸，同時終端可以對被測節(jié)點的情況進行實時監(jiān)控。3）在終端調(diào)節(jié)器接收被測節(jié)點傳輸過來的實時數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進行儲存，同時對被測節(jié)點進行反饋。在被測節(jié)點接收到反饋后，一次信息的傳送任務循環(huán)完成，被測節(jié)點開始第二輪的溫度信息傳送任務。在終端和被測節(jié)點中的網(wǎng)絡(luò)不被破壞的情況下，被測節(jié)點會一直重復溫度信息傳送任務，連續(xù)不斷地向終端網(wǎng)絡(luò)傳送信息。

ATT7022E電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的計量參數(shù)及校表參數(shù)寄存器是通過SPI提供給外部MCU的。ATT7022E電能質(zhì)量的SPI讀寫格式相同，8位命令，24位數(shù)據(jù)，MSB在前，LSB在后，發(fā)送8位命令后，讀取24位數(shù)據(jù)。

通過SPI寫入1個8 bits的命令字節(jié)后，根據(jù)時鐘脈沖頻率來判斷等待時間。當時鐘脈沖頻率低于500 kHz時，寫入命令后等待時間為0 μs，當時鐘脈沖頻率高于500 kHz時，則寫入命令后等待2 μs才能繼續(xù)通過SPI讀取24位的數(shù)據(jù)。

ATT7022E通過SPI寫一些特殊的命令字來配合軟件校表，在完成軟件校準后，進行電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集分析。其中，采樣數(shù)據(jù)到 FFT算法流程如圖1所示。

圖1 采樣數(shù)據(jù)FFT算法分析

在數(shù)據(jù)采樣前進行軟件校表，軟件校表參數(shù)寄存器01H的第8 bit和第9 bit配置為00，0xC9寫入0x005A，如果諧波分析大于21次，則需要128點FFT分析。ATT7022E只能采用手動模式，使能SPI寫操作，將OxC5寫入0x011，設(shè)置為手動方式。對數(shù)據(jù)進行增益系數(shù)調(diào)整，如果需要下一次操作，就返回并開始數(shù)據(jù)采樣。

當被測節(jié)點成功接入終端網(wǎng)絡(luò)后，開始進行調(diào)試，調(diào)試完成后開始抓取和傳送溫度數(shù)據(jù)。與終端相連的調(diào)解器接收到由被測節(jié)點發(fā)出的建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的申請后邊開始進行網(wǎng)絡(luò)調(diào)試，使終端可以與被測節(jié)點建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。在調(diào)試過程中，調(diào)解器會生成不同的連接方法，被測節(jié)點與終端會同時建立多種聯(lián)系。在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系建立成功后，調(diào)解器會根據(jù)所建立的連接的穩(wěn)定性進行選擇，斷掉不穩(wěn)定的連接，最終被測節(jié)點與終端會建立相對穩(wěn)定的單線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。

在整個測溫系統(tǒng)中，測溫節(jié)點負責采集高壓開關(guān)柜的各待測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，并按規(guī)定時間實時地將所采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給終端無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點通過節(jié)點之間的單線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系將接收到的溫度數(shù)據(jù)信息發(fā)送給前端實時監(jiān)測設(shè)備。前端實時監(jiān)測設(shè)備負責區(qū)分發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)的節(jié)點位置以及實時顯示溫度數(shù)據(jù)，方便用戶對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判斷開關(guān)是否出現(xiàn)故障。

2 實驗論證分析

2.1 系統(tǒng)測試

該文所設(shè)計的基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)的實施范圍由被測節(jié)點與終端之間的距離來決定?？梢酝ㄟ^改變被測節(jié)點與終端之間的距離進行試驗，以驗證該系統(tǒng)的拓補能力。

在進行試驗的過程中，不斷改變終端與被測節(jié)點之間的位置。初試終端與被測節(jié)點之間的距離設(shè)置為100 m，然后以10 m為單位依次增加距離，當最遠距離為200 m時結(jié)束試驗。設(shè)置被測節(jié)點向終端每次傳輸數(shù)據(jù)包為100個。通過終端對被測節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包裹數(shù)量進行統(tǒng)計記錄和判斷。記錄每次數(shù)據(jù)包裹丟失概率，統(tǒng)計記錄見表1。

由表1可知，當終端與被測節(jié)點的距離在140 m以內(nèi)時，終端所能接收的從被測節(jié)點傳輸過來的包裹數(shù)量為100個，都是包裹的概率為0%，同時接收速度沒有延誤。當終端與被測節(jié)點之間的距離為150 m和160 m時，終端所能接收的從被測節(jié)點傳輸過來的包裹數(shù)量開始減少，出現(xiàn)包裹丟失的情況，但相對丟失數(shù)量較小，丟失概率在3%以內(nèi)，說明這個時候系統(tǒng)之間仍然可以穩(wěn)定運行。但是當終端與被測節(jié)點的距離超過160 m時，終端所能接收的從被測節(jié)點傳輸過來的包裹數(shù)量開始大幅度減少。在試驗的過程中發(fā)現(xiàn)，隨著終端與被測節(jié)點的距離不斷增加，不僅數(shù)據(jù)包裹的丟失率不斷增高，傳輸?shù)乃俣纫苍诮档?，同時終端與被測節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系也逐漸被削弱。

表1 終端接收被測節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包裹丟失記錄

因此，在運行該文所設(shè)計的基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)時要注意終端與被測節(jié)點之間的距離，合理安排終端、路由器、被測節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間的距離，使系統(tǒng)可以平穩(wěn)運行，減少溫度數(shù)據(jù)的誤差。

在對該文所設(shè)計的基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)進行性能測試試驗之前，對系統(tǒng)的各個組件進行聯(lián)網(wǎng)測試，確保系統(tǒng)中的組件狀態(tài)良好，硬件電路可以平穩(wěn)運行。

在完成測試前的準備工作后，對終端和被測節(jié)點進行參數(shù)設(shè)置，連接路由器，設(shè)置調(diào)解器。連接終端、路由器和調(diào)解器，將終端和被測節(jié)點進行通電。

測試試驗步驟如下：1） 在被測節(jié)點通電后，整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)被限制，開始系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化操作。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化后，每個被測節(jié)點彼此連成網(wǎng)絡(luò)，開始進行相對通信搜索，在搜索到附近終端網(wǎng)絡(luò)后便請求與終端建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。此時，終端網(wǎng)絡(luò)接受邀請并進行安全性評估，確保信息安全后，同意建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。終端與被測節(jié)點之間建立的聯(lián)系是相對獨立且個性化的聯(lián)系。2） 當被測節(jié)點與終端網(wǎng)絡(luò)建立起網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系后，就標志組網(wǎng)建立的完成。這個時候被測節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)信息狀態(tài)會被改成單一狀態(tài)，進行信息的單線點對點傳輸。終端根據(jù)被測節(jié)點的特性進行函數(shù)處理，在設(shè)置完成函數(shù)處理后，被測節(jié)點的設(shè)備就能將本身數(shù)據(jù)向終端進行傳輸，同時終端可以對被測節(jié)點的情況進行實時監(jiān)控。3） 當終端調(diào)節(jié)器接收到被測節(jié)點傳輸過來的實時數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進行儲存，同時對被測節(jié)點進行反饋。在被測節(jié)點接收到反饋后，一次信息的傳送任務循環(huán)完成。被測節(jié)點開始第二輪的溫度信息傳送任務。在終端和被測節(jié)點中的網(wǎng)絡(luò)不被破壞的情況下，被測節(jié)點會一直重復溫度信息傳送任務，連續(xù)不斷地向終端網(wǎng)絡(luò)傳送信息。

2.2 結(jié)果分析

在完成對該文所設(shè)計的基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)性能測試后，對終端測溫網(wǎng)絡(luò)所抓取的溫度信息進行統(tǒng)計記錄。將被抓取到的溫度與被測節(jié)點實際溫度進行對比，分析2種數(shù)值之間的差值是否在允許誤差范圍內(nèi)。結(jié)果證明，該文所設(shè)計的系統(tǒng)可以準確地抓取溫度信息，同時通過紅外測溫儀器對溫度信息進行分析處理。

通過MATLAB軟件繪制曲線如圖2、圖3所示，上位機除了完成數(shù)據(jù)的監(jiān)測外，還對溫度數(shù)據(jù)進行實時存儲，該文選擇電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備剛開始運行單位時間內(nèi)的2路溫度采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

圖2 測溫節(jié)點1的溫度數(shù)據(jù)曲線

圖3 測溫節(jié)點2的溫度數(shù)據(jù)曲線

通過紅外測溫儀對2個測溫部位進行實時測溫，并記錄溫度數(shù)值。把該溫度數(shù)值與系統(tǒng)測溫網(wǎng)絡(luò)上位機存儲的測溫值進行比較，誤差很小，2種測溫結(jié)果溫度數(shù)值基本相同。實驗表明，基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)可以穩(wěn)定、準確地監(jiān)測電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的溫度實時數(shù)值，還可以有效地發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)設(shè)備因種種故障而產(chǎn)生的溫升，并及時對高壓開關(guān)設(shè)備進行檢修。

3 結(jié)語

該文所設(shè)計的基于導通電阻實時監(jiān)測的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測系統(tǒng)在保證電力系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的同時，還可以提高高壓開關(guān)設(shè)備故障檢測的精度，對改善電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備運行和管理水平、提高工作效率具有積極作用。