基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)解析

馬曉娟，潘亞培，楊昭

(河南森源電氣股份有限公司，河南 長葛 461500)

基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)解析

馬曉娟，潘亞培，楊昭

(河南森源電氣股份有限公司，河南 長葛 461500)

提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對一定變電站區(qū)域內(nèi)高壓真空斷路器的運(yùn)行狀況在線監(jiān)測的智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的真空斷路器數(shù)據(jù)采集處理中心是以DSP為核心的真空斷路器在線監(jiān)測裝置，利用霍爾電流傳感器、壓力傳感器和位移傳感器等機(jī)械特性傳感器以及無線測溫模塊完成對高壓真空斷路器機(jī)械動(dòng)作數(shù)據(jù)信息的采集和處理，既可實(shí)現(xiàn)本地顯示又可利用無線通信方式將處理后的數(shù)據(jù)信息送至真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心。該智能數(shù)字化監(jiān)控中心的核心是以VB為開發(fā)平臺，以Access為后臺數(shù)據(jù)庫的后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)各種監(jiān)控信息，從而便于監(jiān)控人員對高壓真空斷路器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行查詢顯示及故障分析。經(jīng)現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，準(zhǔn)確度比較好。

變電站；高壓真空斷路器；在線監(jiān)測裝置；智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；DSP；VB；Access；機(jī)械特性

0 引言

隨著智能變電站[1]概念的提出及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，對變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控、故障信息綜合分析是當(dāng)前智能變電站技術(shù)亟待解決的問題之一，而高壓真空斷路器作為變電站的核心元件，其安全可靠運(yùn)行是保證變電站乃至整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。據(jù)已有的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，絕大多數(shù)斷路器故障是由機(jī)械特性不良造成的，且主要是因斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的問題引起的[2]。因此，通過對高壓真空斷路器的運(yùn)行狀態(tài)和機(jī)械特性參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，進(jìn)一步合理地進(jìn)行故障分析，對電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)外在此方面的研究已取得了一定的成果：國內(nèi)，如南京某公司生產(chǎn)的NS600斷路器在線監(jiān)測裝置，許昌某公司研發(fā)的CBS-2000電氣設(shè)備在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)等；國外，如瑞士某公司的F系列、法國某公司的STR系列、德國某公司的3WN6系列等[3]。然而，隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的逐漸成熟，為高壓真空斷路器的狀態(tài)監(jiān)測奠定了更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。如何利用這些技術(shù)對一定變電站區(qū)域內(nèi)的高壓真空斷路器實(shí)施全面的狀態(tài)監(jiān)控是本文主要研究的問題。

本文以河南某公司生產(chǎn)的Intel V3-12P型戶內(nèi)高壓交流真空斷路器為研究對象，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對高壓真空斷路器運(yùn)行狀況進(jìn)行全面監(jiān)測的智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的真空斷路器數(shù)據(jù)采集處理中心是以數(shù)字信號處理(DSP)為核心的真空斷路器在線監(jiān)測裝置，由其完成對高壓真空斷路器三相觸頭溫度、分合閘過程數(shù)據(jù)、儲(chǔ)能過程數(shù)據(jù)的采集和處理，并利用無線通信方式將處理后的數(shù)據(jù)信息送真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的綜合管理。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)是指通過傳感器、傳感節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、射頻識別、無線接入等感知層技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要被監(jiān)控對象的聲、光、電、熱、力等各種數(shù)據(jù)信息，通過任何可利用的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的泛在鏈接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對物理世界的智能感知、識別、傳輸和處理[4-5]。簡而言之，所謂的物聯(lián)網(wǎng)即是對物理世界進(jìn)行信息的感知、獲取、傳輸和處理，并將處理結(jié)果以服務(wù)的形式發(fā)布給用戶。

2 高壓真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由多個(gè)真空斷路器數(shù)據(jù)采集處理中心和真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心兩大部分組成。其中，真空斷路器數(shù)據(jù)采集處理中心的核心是以DSP芯片為微處理器及相關(guān)外圍硬件電路組成的真空斷路器在線監(jiān)測裝置。該裝置用于對來自無線測溫模塊的高壓真空斷路器三相觸頭溫度數(shù)據(jù)、來自機(jī)械特性傳感器的高壓真空斷路器分合閘過程數(shù)據(jù)及斷路器儲(chǔ)能過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理，以得到高壓真空斷路器的機(jī)械特性數(shù)據(jù)。上述機(jī)械特性數(shù)據(jù)既可通過本地人機(jī)交互接口供用戶查看，又可通過無線通信方式送至真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心進(jìn)行存儲(chǔ)管理，以便于監(jiān)控人員及時(shí)掌握高壓真空斷路器的運(yùn)行狀況，并對其進(jìn)行故障預(yù)測、故障排查和管理維護(hù)。該真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)有無線網(wǎng)關(guān)和后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)，利用無線網(wǎng)關(guān)可與前端真空斷路器數(shù)據(jù)采集中心中的無線通信模塊實(shí)現(xiàn)一對一的雙向無線通信，從而將來自真空斷路器數(shù)據(jù)采集中心的所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息送至后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行分類存儲(chǔ)管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 真空斷路器數(shù)據(jù)采集處理中心

2.2.1 主要檢測元件的選型

對高壓真空斷路器實(shí)施機(jī)械動(dòng)作特性在線監(jiān)測，旨在監(jiān)測真空斷路器的行程、分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流、觸頭溫度等參數(shù)。因此，合理地選擇檢測元件是確保檢測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用的主要檢測元器件包括無線測溫模塊、霍爾電流傳感器、壓力傳感器及位移傳感器。

為了檢測高壓真空斷路器三相觸頭上下位置共6路溫度信號，本文選用了南京某公司的無線通信測溫模塊。該無線通信測溫模塊采用插拔式設(shè)計(jì)，可以采集6～18個(gè)無線測溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，測溫范圍為-40～+125 ℃，精確度為1 ℃，可滿足實(shí)際使用的要求。

檢測高壓真空斷路器分合閘線圈電流信號和儲(chǔ)能電機(jī)電流信號采用的是型號為HNC-05SYB的霍爾電流傳感器，其應(yīng)用了霍爾原理的閉環(huán)補(bǔ)償，具備了高精度、良好的線性度、低溫漂、寬頻帶和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足實(shí)際高壓真空斷路器機(jī)械動(dòng)作特性在線監(jiān)測的需求。

選用了LTF-2壓力傳感器并配套選擇型號為BS-1Y的壓力變送器，其靈敏度為2.0×(1±10%)mV/V，綜合誤差為±0.1%F.S，符合實(shí)際檢測高壓真空斷路器三相分合閘壓力的要求。

由于本文研究對象為12 kV電壓等級的高壓真空斷路器，故檢測其動(dòng)觸頭的行程-時(shí)間特性參數(shù)采用直線位移傳感器[6]即可。所用直線位移傳感器型號為KFM-15，其采用最小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別適合安裝在空間狹小、安裝長度有限的場合。

2.2.2 真空斷路器在線監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)

真空斷路器在線監(jiān)測裝置的硬件平臺采用的是TMS320F2812數(shù)字信號處理器，其是針對數(shù)字控制所設(shè)計(jì)的DSP，整合了DSP和微控制器的最佳特性。該處理器芯片的主頻可達(dá)150 MHz，具有高速運(yùn)算能力，擁有16個(gè)高速A/D采樣通道。真空斷路器在線監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中：LED為發(fā)光二極管；LCD為液晶顯示器；RTC為實(shí)時(shí)時(shí)鐘；WDT為看門狗；RAM為隨機(jī)存儲(chǔ)器；FLASH為閃存。

圖2 裝置硬件結(jié)構(gòu)

無線測溫模塊將采集到的高壓真空斷路器三相觸頭的溫度信號直接送TMS320F2812的A/D通道，霍爾電流傳感器、壓力傳感器和位移傳感器將采集到的高壓真空斷路器機(jī)械動(dòng)作數(shù)據(jù)經(jīng)濾波放大電路送TMS320F2812的A/D通道，利用TMS320F2812的高速運(yùn)算能力完成對高壓真空斷路器機(jī)械動(dòng)作數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，處理后的數(shù)據(jù)一路可通過本地人機(jī)交互模塊送LCD顯示，一路利用該裝置提供的無線通信接口通過無線通信模塊以無線傳輸方式送真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心。

該裝置的開入量接口連接高壓真空斷路器的分合閘輔助節(jié)點(diǎn)、儲(chǔ)能電機(jī)輔助節(jié)點(diǎn)，以監(jiān)測高壓真空斷路器的分合閘狀態(tài)或儲(chǔ)能狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測的分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流及觸頭溫度等機(jī)械特征數(shù)據(jù)超過其各自所設(shè)置的限值時(shí)，裝置發(fā)出報(bào)警信號并記錄下對應(yīng)的報(bào)警事件。

圖4 后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的總體方案

高壓真空斷路器的機(jī)械動(dòng)作狀態(tài)、裝置能否正常運(yùn)行及是否報(bào)警均可通過LED指示燈顯示。而高壓真空斷路器的機(jī)械特性參數(shù)值、機(jī)械特征曲線、分合閘動(dòng)作事件、報(bào)警事件等信息均可由LCD顯示，并可通過按鍵實(shí)現(xiàn)操作控制查看相關(guān)數(shù)據(jù)信息。該裝置還提供了2路常開、2路常閉的繼電器輸出，可控制高壓真空斷路器的分合閘動(dòng)作。

2.2.3 真空斷路器在線監(jiān)測裝置軟件設(shè)計(jì)

真空斷路器在線監(jiān)測裝置的軟件主要采用C語言進(jìn)行編寫，在滿足2.2.2裝置功能的前提下，其主程序流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后，首先對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后開中斷等待中斷事件。當(dāng)高壓真空斷路器分合閘機(jī)械動(dòng)作時(shí)，TMS320F2812利用中斷方式對高壓真空斷路器的三相觸頭溫度信號、分合閘過程數(shù)據(jù)信號及儲(chǔ)能過程數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采集、分析及處理。然后，所有數(shù)據(jù)信號既可通過LCD進(jìn)行本地顯示，也可通過無線傳輸方式送真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心。

圖3 裝置軟件流程

2.3 真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心

真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)有無線網(wǎng)關(guān)和后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)，主要用于對接收的相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和管理，以便監(jiān)控人員及時(shí)掌握真空斷路器的運(yùn)行狀況并對真空斷路器進(jìn)行故障預(yù)測、排查和管理維護(hù)。

后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心的核心，以VB為開發(fā)平臺，以Access為后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)[7-10]。

后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。該系統(tǒng)包括系統(tǒng)功能模塊、斷路器數(shù)據(jù)庫模塊、斷路器運(yùn)行狀態(tài)模塊、斷路器信息查詢模塊和斷路器故障報(bào)警模塊5個(gè)子模塊。該管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對用戶不同權(quán)限的管理操作，接收并分類存儲(chǔ)真空斷路器的動(dòng)作數(shù)據(jù)信息和機(jī)械特性數(shù)據(jù)信息，顯示真空斷路器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和歷史運(yùn)行狀態(tài)，支持用戶查詢各真空斷路器的各種數(shù)據(jù)信息，并可通過在斷路器故障報(bào)警模塊設(shè)置斷路器機(jī)械特性數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值、低級警告閾值和高級警告閾值，以提高對高壓真空斷路器的運(yùn)行狀況的故障預(yù)測能力，降低高壓真空斷路器事故的發(fā)生率。

本文采用多窗體程序界面顯示的形式來開發(fā)此系統(tǒng)。其中，多窗體中包括一個(gè)主窗體并設(shè)置主窗體名稱為后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)，在主窗體內(nèi)可設(shè)置分別標(biāo)志5個(gè)子模塊名稱的控件，監(jiān)控人員可通過點(diǎn)擊功能標(biāo)志名稱不同的控件進(jìn)入其他窗體，以實(shí)現(xiàn)斷路器后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能需求。

3 現(xiàn)場監(jiān)測

本文以河南某公司生產(chǎn)的Intel V3-12P型戶內(nèi)高壓交流真空斷路器為研究對象，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。本文研發(fā)的真空斷路器在線監(jiān)測裝置經(jīng)過安裝調(diào)試，該裝置運(yùn)行情況良好，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地采集和處理高壓真空斷路器的機(jī)械動(dòng)作數(shù)據(jù)，可將處理結(jié)果送至真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心。高壓真空斷路器在線監(jiān)測裝置如圖5a、圖5b所示，現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)景如圖5c所示。

圖5 真空斷路器在線監(jiān)測裝置及現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)景

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對高壓真空斷路器的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測的智能數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了先進(jìn)的傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，可對高壓真空斷路器進(jìn)行實(shí)時(shí)的、全面的在線監(jiān)控并匯總各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息以建構(gòu)后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，進(jìn)而便于用戶通過真空斷路器智能數(shù)字化監(jiān)控中心對高壓真空斷路器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理、查詢顯示及故障報(bào)警。經(jīng)現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，準(zhǔn)確度比較好，對進(jìn)一步研究變電站設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)有一定的借鑒意義。

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(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-01-17；

2017-02-10

TM 561.2

A

1674-1951(2017)02-0012-04

馬曉娟(1986—)，女，河南平頂山人，助理工程師，工學(xué)碩士，從事低壓成套電器設(shè)計(jì)以及微電網(wǎng)優(yōu)化與控制的研究工作(E-mail:lovema2006juan@163.com)。