基于姿態(tài)傳感的隔離開關(guān)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳富國(guó)，蔡 敏，尹軍華，王成智，鄂士平

(1.平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山 467001；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北武漢 430077)

0 引言

國(guó)內(nèi)高壓隔離開關(guān)位置常采用遙信信號(hào)及現(xiàn)場(chǎng)人工觀測(cè)判斷分合是否到位，這種方法容易受到觀測(cè)者的主觀影響，工作效率低。無(wú)人值守站，遙控操作現(xiàn)場(chǎng)通常無(wú)法人工確認(rèn)，目前一些站采用圖像識(shí)別、壓力傳感等方法輔助判斷隔離開關(guān)位置狀態(tài)，但上述位置監(jiān)測(cè)方法在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性及適應(yīng)性等方面仍存在較多問(wèn)題，例如圖像識(shí)別法算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、準(zhǔn)確度不高，壓力傳感法安裝困難、無(wú)法實(shí)現(xiàn)不停電部署及更換等?，F(xiàn)有隔離開關(guān)分合閘位置監(jiān)測(cè)方法具有一定的局限性，需要尋找新的技術(shù)方法和技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)分合閘位置的精確判斷。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，特別是姿態(tài)傳感技術(shù)的飛速發(fā)展及其在航空航天、軍事導(dǎo)航、無(wú)人機(jī)及機(jī)器人、機(jī)械云臺(tái)、車輛船舶、虛擬現(xiàn)實(shí)和人體運(yùn)動(dòng)分析等需要自主測(cè)量三維姿態(tài)與方位產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用及卓越表現(xiàn)，為隔離開關(guān)分合閘姿態(tài)位置精確判別提供了一種新的重要思路。本文基于姿態(tài)傳感原理設(shè)計(jì)了一套隔離開關(guān)分合閘位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)的準(zhǔn)確判別，為一鍵順控操作的實(shí)施起到了積極推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一鍵順控是指操作項(xiàng)目軟件預(yù)制、操作任務(wù)模塊式搭建、設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)判別、防誤聯(lián)鎖智能校核、操作步驟一鍵啟動(dòng)、操作過(guò)程自動(dòng)順序執(zhí)行的變電站設(shè)備操作模式。依據(jù)國(guó)能安全[2015]36號(hào)文件中電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案規(guī)定，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)先采用有線通訊方式將隔離開關(guān)位置檢測(cè)信息傳輸至接收裝置，傳感器具有數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)常規(guī)站，接收裝置輸出無(wú)源接點(diǎn)至公用測(cè)控裝置，公用測(cè)控裝置采用IEC61850(MMS)方式經(jīng)站控層網(wǎng)絡(luò)，送至監(jiān)控主機(jī)。

對(duì)智能站，接收裝置輸出無(wú)源接點(diǎn)至智能終端或就地模塊。智能終端通過(guò)IEC61850(GOOSE)經(jīng)本間隔測(cè)控裝置送至站控層網(wǎng)絡(luò)，或經(jīng)就地模塊以IEC61850(MMS)送至站控層網(wǎng)絡(luò)。

2 基于姿態(tài)傳感的隔離開關(guān)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 姿態(tài)傳感系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的隔離開關(guān)分合閘位置“雙確認(rèn)”姿態(tài)傳感系統(tǒng)由姿態(tài)傳感器、接收裝置及信號(hào)傳輸系統(tǒng)組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 姿態(tài)傳感系統(tǒng)架構(gòu)

姿態(tài)傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器所處隔離開關(guān)部件的“姿態(tài)”(即位置角度情況)，計(jì)算出傳感器的旋轉(zhuǎn)角度和變化情況，從而判斷隔離開關(guān)是否分合閘到位，傳感器通過(guò)工業(yè)總線方式將隔離開關(guān)位置信息傳輸至就地的接收裝置，接收裝置經(jīng)過(guò)分合閘位置判別后，輸出無(wú)源接點(diǎn)至測(cè)控裝置或就地裝置，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)“雙確認(rèn)”系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)接收裝置將傳感器的狀態(tài)信號(hào)(在線狀態(tài)、自檢狀態(tài)等)通過(guò)IEC61850(MMS)上傳至III區(qū)的后臺(tái)可視化系統(tǒng)中或接入變電站現(xiàn)有的輔控系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)“雙確認(rèn)”系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)

姿態(tài)傳感器由高性能處理器(MCU)、高精度陀螺儀、加速度計(jì)、角度傳感器、電源及輔助電路構(gòu)成，MCU能夠快速解算出傳感器的實(shí)時(shí)姿態(tài)，靜態(tài)測(cè)量精度為±0.5°，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度為±1°，MCU采用32位的STM32系列處理器，寬工作電壓為1.65～3.6 V，最大工作頻率為48 MHz。姿態(tài)數(shù)據(jù)采集采用MPU9250芯片，該芯片內(nèi)部集成三軸磁力計(jì)、三軸加速度計(jì)和三軸角度傳感器，可編程數(shù)字低通濾波，支持用戶可編量程，三軸(x，y，z)16位ADC角速度數(shù)字輸出，具有內(nèi)部自檢功能，傳感器采用獨(dú)立的看門狗，提高穩(wěn)定性，硬件系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 姿態(tài)傳感器硬件系統(tǒng)示意圖

2.3 接收裝置設(shè)計(jì)

接收裝置主要完成姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的解析、隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)判斷與分析、人機(jī)交互、協(xié)議轉(zhuǎn)換及繼電器接點(diǎn)輸出等功能。接收裝置硬件示意圖如圖4所示。

圖4 姿態(tài)傳感接收裝置硬件示意圖

接收裝置的主控芯片采用基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F107VCT6微控制芯片，該芯片性價(jià)比高，內(nèi)核、系統(tǒng)和存儲(chǔ)器體積小，具有低功耗和完整的電源管理，性能優(yōu)越能夠滿足高挑戰(zhàn)性的應(yīng)用需求，時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，能夠滿足高速處理的需要，內(nèi)部集成以太網(wǎng)10/100MAC模塊(支持MII和RMII)，連接一個(gè)外部以太網(wǎng)物理層接口芯片PHY實(shí)現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸，溫度范圍-40～+85 ℃，可滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境要求，具有豐富的外設(shè)接口，例如CAN、I2C、SPI、UART、USB等。

DC5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路如圖5所示。采用AMS1117線性穩(wěn)壓芯片，該芯片固定輸出為3.3 V，給各接口電路供電。

圖5 DC5V轉(zhuǎn)DC3.3 V電路

2.4 狀態(tài)判斷邏輯

通過(guò)姿態(tài)傳感器對(duì)隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由接收裝置根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)分相隔離開關(guān)分合遙信進(jìn)行確定，判斷邏輯如圖6所示。

圖6 隔離開關(guān)位置遙信判斷邏輯圖

當(dāng)隔離開關(guān)位置遙信由合變分，遙信為分位狀態(tài)，則確認(rèn)隔離開關(guān)已分閘；當(dāng)隔離開關(guān)位置遙信由分變合，遙信為合位狀態(tài)，則確認(rèn)隔離開關(guān)已合閘，隔離開關(guān)雙確認(rèn)邏輯如圖7所示。

圖7 隔離開關(guān)雙確認(rèn)邏輯圖

接收裝置采用硬接點(diǎn)輸出分合閘狀態(tài)信號(hào)，針對(duì)每臺(tái)隔離開關(guān)，輸出3路接點(diǎn)信號(hào)，2路接點(diǎn)信號(hào)指示隔離開關(guān)本體分合閘位置情況，另1路接點(diǎn)信號(hào)指示傳感器工作狀態(tài)，傳感器故障時(shí)其接點(diǎn)閉合，正常時(shí)分，輸出邏輯如表1所示。

表1 接收裝置輸出邏輯

2.5 隔離開關(guān)分合閘到位判據(jù)

姿態(tài)傳感器的工作形式為，隔離開關(guān)在正常工作時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)隔離開關(guān)進(jìn)行分閘或合閘動(dòng)作時(shí)，會(huì)自動(dòng)喚醒姿態(tài)傳感器采集數(shù)據(jù)。傳感器判斷分閘/合閘到位判據(jù)，預(yù)設(shè)隔離開關(guān)在合閘到位時(shí)的角度為0°，設(shè)隔離開關(guān)分合閘到位閾值為Δ，θ始及θ末分別為姿態(tài)傳感器測(cè)量起始角度和終止角度。當(dāng)滿足條件式(1)時(shí)，判定刀閘為由合→分的狀態(tài)，最終分閘到位的狀態(tài)是傳感器檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度變化等于預(yù)設(shè)值范圍之內(nèi)。

θ預(yù)設(shè)-Δ≤θ末-θ始≤θ預(yù)設(shè)+Δ

(1)

當(dāng)滿足式(2)條件時(shí)，判定刀閘為由分→合到位的狀態(tài),最終合閘到位的狀態(tài)是傳感器檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度變化在預(yù)設(shè)值范圍之內(nèi)。

-θ預(yù)設(shè)-Δ≤θ末-θ始≤-θ預(yù)設(shè)+Δ

(2)

當(dāng)角度>角度門檻值就認(rèn)為變位，θ末-θ始為正判別隔離開關(guān)由分到合，θ末-θ始值為負(fù)變小了判別隔離開關(guān)由合到分。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

姿態(tài)傳感系統(tǒng)下位機(jī)軟件由姿態(tài)傳感器軟件和接收裝置軟件2部分組成，下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的思想，以便于對(duì)程序和各種功能模塊的擴(kuò)展和移植。

姿態(tài)傳感器上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行自檢一次，并將自檢信息上傳至接收裝置，然后不斷監(jiān)測(cè)加速度值，超過(guò)設(shè)定閾值便喚醒傳感器進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的降噪、濾波、校正及解算，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后上傳至接收裝置，傳感器可響應(yīng)接收裝置的數(shù)據(jù)召喚。姿態(tài)傳感器的軟件系統(tǒng)流程圖如圖8所示，傳感器運(yùn)動(dòng)喚醒中斷流程圖如圖9所示。

接收裝置接收姿態(tài)傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分合閘狀態(tài)判別，然后進(jìn)行繼電器開出、協(xié)議轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)向站控層可視化系統(tǒng)傳輸。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與IEC61850服務(wù)端的交互。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于姿態(tài)傳感的隔離開關(guān)位置檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)由MODBUS采集平臺(tái)、共享內(nèi)存、智能告警分析、狀態(tài)判別及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分組成，應(yīng)用程序采用Qt開發(fā)完成。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，軟件界面如圖10所示。

4 IEC61850通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為更好地展示姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)可視化系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器狀態(tài)信息、隔離開關(guān)姿態(tài)數(shù)據(jù)及接收裝置的自檢信息等通過(guò)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳輸至站控層，設(shè)置監(jiān)測(cè)后臺(tái)系統(tǒng)或集成到變電站一體化輔助監(jiān)控平臺(tái)。

圖8 傳感器軟件流程圖

圖9 運(yùn)動(dòng)喚醒中斷流程圖

圖10 上位機(jī)軟件界面

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是目前電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)的接收裝置采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約進(jìn)行建模并設(shè)計(jì)完成完整的功能描述。接收裝置將采集的數(shù)據(jù)按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述，嵌入描述裝置各項(xiàng)功能參數(shù)的ICD文件[6，10]。本文設(shè)計(jì)的接收裝置用的IEC61850服務(wù)端已通過(guò)國(guó)家繼電保護(hù)及自動(dòng)化裝置監(jiān)督檢驗(yàn)中心的規(guī)約一致性測(cè)試試驗(yàn)，完全實(shí)現(xiàn)了符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的間隔層通信功能。

姿態(tài)傳感接收裝置根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，將監(jiān)測(cè)每個(gè)隔離開關(guān)描述為一個(gè)IED對(duì)象，將最小功能單元建模為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)象。下面以隔離開關(guān)姿態(tài)數(shù)據(jù)為例說(shuō)明IED的邏輯節(jié)點(diǎn)類型和邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)描述。根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的所有邏輯節(jié)點(diǎn)類型描述如表2所示，擴(kuò)展的邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)描述如表3所示。

表2 邏輯節(jié)點(diǎn)類型描述

表3 姿態(tài)傳感邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)描述

5 試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

5.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

姿態(tài)傳感器系統(tǒng)的隔離開關(guān)性能試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)要求應(yīng)該滿足《GB1985—2014 高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》和《Q/GDW 1535變電設(shè)備在線檢測(cè)裝置通用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，按照開關(guān)本體所做的型式試驗(yàn)是否對(duì)安裝其上的姿態(tài)傳感器有所影響的前提下，確認(rèn)隔離開關(guān)本體型式試驗(yàn)項(xiàng)目，確保后期現(xiàn)場(chǎng)改造隔離開關(guān)本體加裝姿態(tài)傳感器時(shí)，能夠正常輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)包括2部分，一是姿態(tài)傳感器自身的型式試驗(yàn)，主要依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1535—2015的規(guī)定進(jìn)行；二是傳感器與隔離開關(guān)聯(lián)合試驗(yàn)，主要試驗(yàn)項(xiàng)目如表4所示。

表4 傳感器與隔離開關(guān)聯(lián)合試驗(yàn)項(xiàng)目

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2018年9月本項(xiàng)目所研制的ISM-916姿態(tài)傳感器在中國(guó)電力科學(xué)研究院通過(guò)了性能檢測(cè)試驗(yàn)。2018年10月份在國(guó)家高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(河南)通過(guò)了姿態(tài)傳感器與隔離開關(guān)聯(lián)合試驗(yàn)，試驗(yàn)中姿態(tài)傳感器系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)正確，數(shù)據(jù)一致性較好，分合閘狀態(tài)判別準(zhǔn)確率100%，試驗(yàn)照片如圖11所示，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。試驗(yàn)表明本項(xiàng)目所研制的姿態(tài)傳感系統(tǒng)具有良好的性能，較好地解決隔離開關(guān)分合閘位置雙確認(rèn)難題。

圖11 樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)照片

序號(hào)狀態(tài)輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間/s傳感器狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間/s常開觸點(diǎn)常閉觸點(diǎn)常開觸點(diǎn)常閉觸點(diǎn)1合8.648.6410.6110.612分9.239.2311.4511.453合8.558.5510.5710.574合9.349.3411.5311.53

6 結(jié)束語(yǔ)

為滿足國(guó)家電網(wǎng)公司第三代智能變電站技術(shù)發(fā)展，支撐一鍵順控操作的實(shí)施，本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于姿態(tài)傳感的隔離開關(guān)分合閘位置檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)狀態(tài)的精確判別與智能分析，為實(shí)現(xiàn)變電站隔離開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一鍵順控操作提供安全保障。