10KV環(huán)網(wǎng)柜故障下配電網(wǎng)設備檢修系統(tǒng)研究

揚州北辰電氣集團有限公司 席曉波

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的基礎，承擔著為用戶提供高質(zhì)量電能的任務，是配電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關鍵環(huán)節(jié)，其安全性與可靠性具有至關重要的意義。配電網(wǎng)設備長期在戶外作業(yè)，會受到大氣腐蝕、化學作用以及天氣環(huán)境的影響，設備狀態(tài)也會逐漸變壞，直接影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。如何實時檢測、檢修配電網(wǎng)設備狀態(tài)成為電力行業(yè)重點研究課題之一。

隨著我國智能電網(wǎng)建設的不斷推進，傳統(tǒng)的放射式、樹干式配電網(wǎng)已經(jīng)無法滿足電網(wǎng)建設以及社會大眾的需求，環(huán)式配電網(wǎng)應運而生。環(huán)式配電網(wǎng)指的是供電干線可以構(gòu)成一個閉合的環(huán)形，由供電電源向環(huán)形干線供電，在干線上一路通過高壓開關向外配電。環(huán)式配電網(wǎng)形式中最為關鍵的設備為環(huán)網(wǎng)柜。環(huán)網(wǎng)柜指的是一組輸配電氣設備，主要安裝在金屬或者非金屬絕緣柜內(nèi)，核心部件為熔斷器、負荷開關，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、性能好等優(yōu)勢。環(huán)網(wǎng)柜實質(zhì)上是一種高壓開關設備，直接決定著環(huán)式配電網(wǎng)能否正常作業(yè)。

10KV環(huán)網(wǎng)柜在現(xiàn)今配電網(wǎng)中應用最為廣泛，性能較佳，但依然存在著一定的缺陷。例如由于10KV環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)次數(shù)過多，會導致設備溫度上升，從而破壞環(huán)網(wǎng)柜的絕緣層，影響環(huán)網(wǎng)柜的整體性能，故提出10KV環(huán)網(wǎng)柜故障下配電網(wǎng)設備檢修系統(tǒng)研究。

1 配電網(wǎng)設備檢修系統(tǒng)硬件單元

環(huán)網(wǎng)柜故障主要由溫度與振動造成的，故設計系統(tǒng)硬件單元為無線測溫傳感器硬件單元、振動傳感器單元與環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元，具體硬件單元設計過程如下所示。

1.1 無線測溫傳感器硬件單元

無線測溫傳感器由數(shù)字式測溫芯片、CPU、無線通信芯片以及供電電池構(gòu)成。

依據(jù)設計系統(tǒng)需求，數(shù)字式測溫芯片選取TMP102芯片；為了保障測溫傳感器的安裝便利性，采用電池供電方式。測溫傳感器供電電池選用2節(jié)1000mAh鋰電池，其使用壽命可以長達5年；測溫傳感器CPU選用Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F690芯片，該芯片中自帶存儲器，功能為存儲測溫傳感器的唯一地址編號，利用通信線路獲取數(shù)字式測溫芯片測量數(shù)據(jù)。

考慮到硬件單元之間的連接問題，測溫傳感器中CPU芯片需要具備PC817硬件，以此實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，方便測溫傳感器與其他硬件單元的連接。

1.2 振動傳感器單元

振動傳感器是設計系統(tǒng)的關鍵硬件之一，其功能為接收環(huán)網(wǎng)柜機械量，并將其轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。振動傳感器實質(zhì)上是一種機電轉(zhuǎn)換裝置，故也可將其稱為換能器。

振動傳感器通過高速UART接口和采集單元連接在環(huán)網(wǎng)柜上，當環(huán)網(wǎng)柜機械開關時，傳感器外殼隨環(huán)網(wǎng)柜振動，由慣性質(zhì)量塊記錄筆記錄下傳感器外殼的相對振動位移幅值，利用標準關系式求解環(huán)網(wǎng)柜的振動位移波形。

振動傳感器參數(shù)設置情況如表1所示。

表1 振動傳感器參數(shù)表

1.3 環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元

環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元任務是接收溫度、開關震動位移數(shù)據(jù)等信息?？傮w結(jié)構(gòu)由傳感器模塊、下位機、通信模塊、以及上位機組成。上述配置均是依據(jù)成本、穩(wěn)定性、系統(tǒng)開發(fā)周期等因素決定的其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

首先由傳感器從現(xiàn)場采集信號，做初步的信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將信號傳輸?shù)较挛粰C完成信號處理等功能，如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常則會動作于跳閘或發(fā)出報警信號，并將與事故相關的信息存儲起來，實現(xiàn)對設備監(jiān)控保護的目的，同時將信號通過CAN總線系統(tǒng)上傳，實現(xiàn)與上位機的通信。此外所設計的監(jiān)測系統(tǒng)還具有較強的抗干擾能力。

上述過程完成了系統(tǒng)硬件單元的設計，但是依然無法實現(xiàn)配電網(wǎng)設備的檢修，故以設計硬件單元為基礎，設計系統(tǒng)軟件模塊。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 配電網(wǎng)設備檢修系統(tǒng)軟件模塊

2.1 測溫傳感器軟件模塊

當配電網(wǎng)設備中存在高電流時，電纜易產(chǎn)生高溫故障，導致設備無法運行，因此需要實時監(jiān)控環(huán)網(wǎng)柜溫度狀況。測溫傳感器利用無響應方式向環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元傳輸采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為30s，數(shù)據(jù)傳輸間隔為5min。需要注意的是，若溫度數(shù)值變化幅度大于2℃或者溫度數(shù)值高于75℃時，測溫傳感器實時傳輸數(shù)據(jù)至環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元。

測溫傳感器軟件模塊主要任務是設置主程序，具體步驟如下所示：

步驟一：初始化測溫傳感器；配置I/O方向寄存器，并喚醒測溫傳感器；

步驟二：休眠CPU10ms，為溫度信號轉(zhuǎn)換做準備；

步驟三：喚醒CPU，讀取傳感器溫度數(shù)值；

步驟四：判斷是否發(fā)送溫度測量數(shù)據(jù)，若發(fā)送溫度測量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟五；若不發(fā)送溫度測量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟六；

步驟五：喚醒RF子模塊，發(fā)送溫度測量數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后休眠RF子模塊；

步驟六：I/O口低功耗配置，重新休眠CPU10ms，休眠時間結(jié)束后，喚醒CPU，轉(zhuǎn)至步驟一，直至全部溫度測量數(shù)據(jù)發(fā)送完成結(jié)束。

2.2 振動檢測分析模塊

現(xiàn)有研究成果表明，運行狀態(tài)良好的環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)具備極大的相似性，以此為依據(jù)，構(gòu)建一種相對的判斷標準。以已知的環(huán)網(wǎng)柜正常狀態(tài)為參考，計算環(huán)網(wǎng)柜待檢狀態(tài)與參考狀態(tài)的相似程度，若該數(shù)值在一定范圍內(nèi)，判定環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)正常；若該數(shù)值超出給定范圍，判定環(huán)網(wǎng)柜出現(xiàn)故障。

環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)過程中，分、合閘振動強烈，其形成的振動波形屬性為非線性非平穩(wěn)信號，頻率分布較為隨機，具有極強的不確定性。故利用小波包分析法處理由振動傳感器獲取的振動位移波形。

采用小波包分析法對振動信號進行分解，依據(jù)其高頻重構(gòu)系數(shù)計算全電流瞬時值，若數(shù)值超過給定閾值，則認為環(huán)網(wǎng)柜處于故障狀態(tài)。全電流瞬時值計算公式為：

式（1）中，B(n)表示的是環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)的標么值；T(n)表示的是環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)的正常運行時電流幅值；R(n)表示的是環(huán)網(wǎng)柜作業(yè)的高階細節(jié)分量；n表示的是采樣點；m表示的是采樣點總數(shù)量。

通過上述硬件單元與軟件模塊的設計，實現(xiàn)了配電網(wǎng)設備檢修系統(tǒng)的運行，為環(huán)式配電網(wǎng)穩(wěn)定運行提供更加有效的保障。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗準備

采用MATLAB軟件設計仿真實驗，驗證設計系統(tǒng)的性能。為了保障仿真實驗的順利進行，充分準備仿真實驗設備以及參數(shù)，具體實驗準備內(nèi)容如下所示。

仿真實驗需要測量環(huán)網(wǎng)柜開關動作次數(shù)、溫度以及環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，同時還需要開展巡檢、狀態(tài)評價等輔助決策等工作。

設置測溫傳感器與振動傳感器數(shù)量分別為3與5個，環(huán)網(wǎng)柜檢修傳感器如圖2所示。以此來保障采集數(shù)據(jù)的完整性，增強實驗數(shù)據(jù)的精確度，得到更加精準的實驗結(jié)論。

圖2 環(huán)網(wǎng)柜檢修傳感器安裝圖

3.2 實驗結(jié)果分析

依據(jù)實驗準備情況進行仿真實驗。模擬5類環(huán)網(wǎng)柜故障，分別進行5次實驗，取加權(quán)平均數(shù)作為實驗結(jié)果，通過環(huán)網(wǎng)柜故障檢測成功率反映設計系統(tǒng)性能，與基于DA的電纜配電環(huán)網(wǎng)故障定位與隔離方法對比實驗結(jié)果分析過程如下所示。

通過實驗得到環(huán)網(wǎng)柜故障檢測成功率數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 環(huán)網(wǎng)柜故障檢測成功率數(shù)據(jù)表

如表2數(shù)據(jù)顯示，本文方法環(huán)網(wǎng)柜故障檢測成功率范圍為78.451%～84.125%，基于DA的電纜配電環(huán)網(wǎng)故障定位與隔離方法環(huán)網(wǎng)柜故障檢測成功率范圍為45.287%～62.451%。通過對比發(fā)現(xiàn)，本文方法設計系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)柜故障檢測成功率遠高于基于DA的電纜配電環(huán)網(wǎng)故障定位與隔離方法，充分說明設計系統(tǒng)性能更佳。

結(jié)束語：此研究以10KV環(huán)網(wǎng)柜作為研究對象，設計了配電網(wǎng)設備檢修系統(tǒng)，仿真實驗結(jié)果表明，設計系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)柜故障檢測成功率達到78.451%以上，最高達84.125%，極大地提升了環(huán)網(wǎng)柜故障檢測成功率，可以為環(huán)式配電網(wǎng)的發(fā)展與應用提供更加有效的支撐，適合大力推廣與使用。