基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械特性監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

江奕軍，王麗群，孟浩杰，潘黃萍

（杭州電力設(shè)備制造有限公司，杭州310000）

0 引言

近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展大大改變了人們的生活，通過(guò)云智能分析及大數(shù)據(jù)整合使信息得以高效利用。同時(shí)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出使電能作為清潔能源成為關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。環(huán)網(wǎng)柜在電力系統(tǒng)運(yùn)行中扮演著重要角色［1-3］，然而在環(huán)網(wǎng)柜的故障中機(jī)械特性故障發(fā)生得最多。

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)同環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，可以智能化地管理各種設(shè)備運(yùn)行，在研究中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用精確度高的環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在最大限度上減少系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化分析能夠及時(shí)修復(fù)系統(tǒng)故障，使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠且減少運(yùn)維成本［4-5］。

目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)于環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究還不夠深入，大部分集中在對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的溫度、濕度以及局部放電等進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析上，而由清華大學(xué)高壓絕緣技術(shù)研究所研究的高壓斷路器參數(shù)測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)于機(jī)械特性的研究是比較全面的。

本文主要對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的機(jī)械特性進(jìn)行分析研究，通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將收集的數(shù)據(jù)上傳。通過(guò)本文所提技術(shù)可以使運(yùn)行管理人員實(shí)時(shí)掌握其內(nèi)部的運(yùn)行情況，并通過(guò)該運(yùn)行情況做出相應(yīng)評(píng)估。通過(guò)評(píng)估結(jié)果，運(yùn)行人員可以發(fā)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障隱患并及時(shí)排除［6］。同時(shí)可以根據(jù)所得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，記錄故障發(fā)生的次數(shù)以便作為監(jiān)測(cè)評(píng)估的依據(jù)，使設(shè)備的檢驗(yàn)周期得到延長(zhǎng)并減少檢驗(yàn)成本［7-10］。

1 環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、下位機(jī)、通信、人機(jī)交互及上位機(jī)等多個(gè)模塊組成，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)最終反饋到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行智能操作與控制。先由前端的傳感器采集系統(tǒng)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換，然后將信號(hào)傳輸?shù)较挛粰C(jī)并經(jīng)過(guò)信號(hào)處理分析，檢測(cè)到的信號(hào)若發(fā)現(xiàn)異常則系統(tǒng)將對(duì)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行反饋使其動(dòng)作（跳閘或發(fā)出預(yù)警信號(hào)）［11］。同時(shí)會(huì)將故障信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，便于對(duì)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行更好的檢測(cè)與控制，再將信號(hào)經(jīng)過(guò)4G/5G 通信模塊上傳到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)共享，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖中CPU 為中央處理器。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

傳感器型號(hào)是根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜的機(jī)械特性進(jìn)行分析及研究后選用的。環(huán)網(wǎng)柜行程及時(shí)間的檢測(cè)裝置選用邁恩公司生產(chǎn)的KTM 拉桿式直線位移傳感器和采用增量式光電旋轉(zhuǎn)的ZSP3806編碼器。環(huán)網(wǎng)柜分/合閘線圈中電流的監(jiān)測(cè)采用中旭公司的NC-15LTSR 型霍爾電流傳感器。分/合閘的時(shí)間檢測(cè)是以分/合閘線圈中有電流流過(guò)為開(kāi)始進(jìn)行計(jì)時(shí)，以線圈失電為分/合閘的結(jié)束點(diǎn)，從開(kāi)始計(jì)時(shí)到結(jié)束點(diǎn)的時(shí)間即為分/合閘時(shí)間［12］。本文中環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)測(cè)應(yīng)當(dāng)滿足的技術(shù)參數(shù)包括：傳感器量程范圍，（70.0±0.5）g；精 度，0.5%～3.0%；分 辨 率，0.05%～0.50%FS（全量程）。

2 環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包含開(kāi)關(guān)量及模擬量輸入電路。開(kāi)關(guān)量輸入電路如圖2所示。模擬量輸入電路中想要得到適當(dāng)?shù)碾娏髦担枰?lián)限流電阻來(lái)降低發(fā)光二極管的電流，同時(shí)2 個(gè)二極管還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光耦的保護(hù)與控制。電路中有2個(gè)獨(dú)立的電源對(duì)電路進(jìn)行供電且分別實(shí)現(xiàn)接地，實(shí)現(xiàn)2 個(gè)電路的完全隔離。模擬量輸入電路由若干個(gè)獨(dú)立的單通道組成，并且每個(gè)單通道都具有較高的傳輸效率來(lái)保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。模擬量輸入電路如圖3所示。

圖2 開(kāi)關(guān)量輸入電路Fig.2 Switch quantity input circuit

圖3 模擬量輸入電路Fig.3 Analog quantity input circuit

電路結(jié)構(gòu)中每個(gè)單通道都是由單輸入模擬通道及采樣/保持（S/H）電路組成，每個(gè)通道的獨(dú)立性使電路中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及采集可以同步進(jìn)行且互不影響，從而在交/直流（A/D）轉(zhuǎn)換器具有相同的轉(zhuǎn)換頻率時(shí)各通道有較高的轉(zhuǎn)換速率。

2.2 中央控制模塊

為保證系統(tǒng)具備較高的數(shù)據(jù)信息處理速度及良好的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性，本文將采用TMS320C5402型數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）及改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其中包含CPU、程序地址總線（PAB）、程序總線（PB）、數(shù)據(jù)地址總線（DAB）、數(shù)據(jù)總線（DB）。

圖4 改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)Fig.4 Improved Harvard Architecture

TMS320C5402 芯片的最小工作系統(tǒng)由電源、時(shí)鐘、復(fù)位、存儲(chǔ)器接口等電路構(gòu)成。采用內(nèi)部振蕩器方式的時(shí)鐘電路如圖5所示。采用具有監(jiān)測(cè)功能的MAX706R 芯片來(lái)完成DSP 的自動(dòng)復(fù)位。自動(dòng)復(fù)位電路如圖6所示。

2.3 通信模塊

圖5 時(shí)鐘電路Fig.5 Clock circuit

圖6 自動(dòng)復(fù)位電路Fig.6 Automatic reset circuit

由于環(huán)網(wǎng)柜的運(yùn)行受到環(huán)境的影響，并且基于數(shù)據(jù)采集處理的特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的要求，遠(yuǎn)程通信應(yīng)具備以下功能：（1）允許多機(jī)同時(shí)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)；（2）可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大量上傳；（3）具有可靠的通信及電磁兼容能力，以及較高的網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力；（4）良好的系統(tǒng)兼容性；（5）可與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。在環(huán)網(wǎng)柜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中通信RS-485 總線應(yīng)用較為廣泛，然而這種傳輸方式所應(yīng)用的主從式通信可能會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性［13］。因此，本文通信方式選用4G/5G 通信模塊，使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能更強(qiáng)，功能更加完善。

2.4 人機(jī)交互模塊

基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所要監(jiān)測(cè)的參數(shù)較多，不僅要求人機(jī)交互模塊對(duì)所得數(shù)據(jù)及曲線能夠?qū)崟r(shí)顯示，還需動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)更新顯示界面，因此本文選擇TCM-A0902 液晶顯示模塊。DSP 模塊與TCM-A0902的連接如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖7 DSP模塊與TCM-A0902的連接Fig.7 Connection between DSP module and TCM-A0902

本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)優(yōu)先級(jí)的調(diào)度機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的。整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)軟件需實(shí)現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、菜單操作、本地錄波、故障判斷與預(yù)警及遠(yuǎn)程通信。軟件系統(tǒng)流程如圖8 所示，系統(tǒng)的主程序流程如圖9所示。

圖8 軟件系統(tǒng)流程Fig.8 Flow of the system

圖9 系統(tǒng)主程序流程Fig.9 Flow of the main program in the system

3.2 數(shù)據(jù)采集、通信程序

系統(tǒng)通過(guò)中斷控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，使每個(gè)序列轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。中斷服務(wù)程序的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)/模信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將分/合閘線圈的電流及振動(dòng)等模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，中斷程序流程如圖10 所示。通信由4G/5G 通信模塊完成，先通過(guò)DSP 發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)等待上位機(jī)接收到信號(hào)后給出反饋信號(hào)并做好接收數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)備，當(dāng)DSP收到上位機(jī)的應(yīng)答信號(hào)后準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，表明握手成功［14-18］。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前相關(guān)程序需進(jìn)行初始化操作；數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)并送入發(fā)送器中，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)傳輸完成后進(jìn)行計(jì)數(shù)及檢驗(yàn)，即對(duì)采樣點(diǎn)中的數(shù)據(jù)檢查是否全部發(fā)送完畢，并檢驗(yàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有錯(cuò)，若有錯(cuò)則重新發(fā)送。通信程序流程如圖11所示。

3.3 行程-時(shí)間分析子程序

圖10 中斷程序流程Fig.10 Flow of the interrupt program

圖11 通信程序流程Fig.11 Communication program flow

環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械特性的行程-時(shí)間分析是通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖，得到觸頭的整個(gè)位移信號(hào)，并在主站內(nèi)畫(huà)出點(diǎn)線進(jìn)而得到分/合閘曲線圖，再截取曲線圖的中間部分來(lái)計(jì)算觸頭行程、開(kāi)距、超行程以及平均分/合閘速度等參數(shù)。行程-時(shí)間分析子程序流程如圖12所示。

3.4 分/合閘線圈電流分析子程序

要獲取環(huán)網(wǎng)柜線圈的分/合閘電流數(shù)據(jù)，需要得知分/合閘電流信號(hào)中特別的時(shí)間點(diǎn)，并通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算得到分閘及合閘的時(shí)間，同時(shí)需要確認(rèn)斷路器的工作狀態(tài)是否正常。分/合閘線圈電流處理子程序如圖13所示。

3.5 系統(tǒng)測(cè)試

圖12 行程-時(shí)間分析子程序流程Fig.12 Flow of the travel-time analysis subprogram

圖13 分/合閘線圈電流處理子程序Fig.13 Processing subprogram of the opening/closing coil current

系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)完成之后需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行且能否實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。環(huán)網(wǎng)柜的分/合閘線圈機(jī)械特性檢測(cè)軟件界面如圖14 所示。分心線圈中電流的分/合閘可經(jīng)過(guò)仿真分析得到。通過(guò)對(duì)分散包絡(luò)導(dǎo)數(shù)取絕對(duì)值的方法可以很清晰地得到電流信號(hào)的突變點(diǎn)。電流信號(hào)仿真波形如圖15所示。

圖14 環(huán)網(wǎng)柜分/合閘線圈機(jī)械特性檢測(cè)軟件界面Fig.14 Interface of the opening/closing coil mechanical characteristics detecting software in the ring network cabinet

圖15 電流信號(hào)仿真波形Fig.15 Simulated waveform of current signals

從圖15b 能夠清晰地看出分/合閘發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)求得分/合閘電流信號(hào)分散包絡(luò)統(tǒng)計(jì)的導(dǎo)數(shù)極大值的方法得到電流突變的時(shí)間點(diǎn)是非常有效果的方法，完全能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的功能。行程-時(shí)間監(jiān)測(cè)采用脈沖數(shù)為2 000、轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，經(jīng)過(guò)測(cè)試試驗(yàn)得到環(huán)網(wǎng)柜分/合閘旋轉(zhuǎn)角度為38°，編碼器經(jīng)過(guò)1 次分/合閘操作輸出212 個(gè)脈沖，因此可以計(jì)算出分/合閘的位移分別為s1和s0，測(cè)量精度為0.38，進(jìn)一步結(jié)合分/合閘電流曲線計(jì)算出分閘時(shí)刻t1，結(jié)合合閘曲線計(jì)算出合閘時(shí)刻t2，計(jì)算得到分閘速度為v1=s1/t1，合閘速度為v0=s0/t0，與機(jī)械特性儀測(cè)量值相比較，通過(guò)分析計(jì)算得到環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Mechanical characteristics test data

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)并分析了各模塊設(shè)計(jì)流程。研究了各模塊實(shí)現(xiàn)電路及相關(guān)程序。同時(shí)通過(guò)改造操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，再結(jié)合分/合閘線圈電流曲線計(jì)算得到環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械特性參數(shù)在允許范圍內(nèi)，可較好體現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜分/合閘過(guò)程，從而驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的正確性。