基于MPU9250姿態(tài)傳感器的隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

杜躍宇,邱書波

1.濟南能源工程集團(tuán)有限公司,濟南 250011 2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 電子信息工程學(xué)院,濟南250353

目前,國內(nèi)電力系統(tǒng)中的隔離開關(guān)分合狀態(tài)一般是通過遙測信號來判斷,并通過操作員觀察的方式進(jìn)行確認(rèn)。這樣的判斷方式存在諸多問題,例如效率低、存在誤判風(fēng)險等。在無人值守的變電站,人員無法第一時間到現(xiàn)場進(jìn)行觀察確認(rèn),一般采用視頻監(jiān)控的方式來確認(rèn)隔離開關(guān)分合狀態(tài),而基于圖像的狀態(tài)監(jiān)測亦存在諸多問題,例如受環(huán)境影響大、部署困難、算法對樣本依賴度高等?，F(xiàn)有的隔離開關(guān)分合狀態(tài)判斷方式存在一定的局限性,因此開發(fā)一種行之有效、穩(wěn)定可靠的隔離開關(guān)分合狀態(tài)監(jiān)測方法顯得尤為重要[1]。

近幾年,無人機、機器人等技術(shù)的快速發(fā)展,其中姿態(tài)傳感器用于無人機、機器人的控制得到了很好的效果[2-3]。受此啟發(fā),將姿態(tài)傳感器引入到隔離開關(guān)分合狀態(tài)判斷中,不失為一種好的思路。

通過研究四軸旋翼機和自平衡機器人的姿態(tài)控制,本文將四軸旋翼機和自平衡機器人常用的姿態(tài)傳感器用于隔離開關(guān)的分合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),基于姿態(tài)傳感器設(shè)計了一種隔離開關(guān)的分合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),它能夠?qū)崟r地對隔離開關(guān)的分合狀態(tài)進(jìn)行精確判別,為電力系統(tǒng)的安全運行提供了重要保障。

1 硬件設(shè)計

該狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成,分別是安裝在隔離開關(guān)上的姿態(tài)傳感器、用于接收姿態(tài)信息并判斷隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)的接收裝置和用于在線顯示分合閘狀態(tài)并記錄的上位機。

對于常規(guī)變電站,接收裝置在對隔離開關(guān)分合狀態(tài)完成判斷之后通過開關(guān)量將判定結(jié)果傳給測控裝置;對于智能變電站,接收裝置在對隔離開關(guān)分合狀態(tài)完成判斷之后通過開關(guān)量將判定結(jié)果傳給智能終端。測控裝置或智能終端再按IEC61850規(guī)約通過變電站控制層傳送至監(jiān)控主機。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于MPU9250的隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框圖

1.1 姿態(tài)傳感器硬件設(shè)計

姿態(tài)傳感器基于InvenSense公司的MPU9250實現(xiàn),MPU9250內(nèi)部集成有3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸磁力計,支持SPI和 IIC總線,傳輸速率可達(dá)400 kHz/s。角速度測量范圍最高達(dá)±2 000 (°)/s,動態(tài)響應(yīng)特性好。加速度測量范圍最大為±16 g,靜態(tài)測量精度高。磁感應(yīng)強度測量范圍為±4 800 μT。集成數(shù)字運動處理器(DMP)可以整合九軸傳感器數(shù)據(jù),向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算數(shù)據(jù)。核心MCU采用STM32F103RCT6,主頻為72 MHz,程序存儲空間為256 KB,通過IIC協(xié)議獲取姿態(tài)信息后進(jìn)行處理,然后通過Modbus-RTU協(xié)議與接收裝置通信交互數(shù)據(jù)[4-6]。傳感器系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 傳感器系統(tǒng)框圖

傳感器安裝于隔離開關(guān)執(zhí)行機構(gòu)主軸,采集隔離開關(guān)分合閘時主軸旋轉(zhuǎn)的角度,通過該角度來判斷隔離開關(guān)分合閘狀態(tài),并將角度、加速度、角加速度等數(shù)據(jù)通過485總線以Modbus-RTU協(xié)議上傳至接收裝置。接收裝置以此為依據(jù)對隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)進(jìn)行判斷,控制相應(yīng)的開關(guān)量輸出,并將數(shù)據(jù)通過IEC61850規(guī)約上傳至監(jiān)控主機。

1.2 接收裝置硬件設(shè)計

接收裝置主要用來處理傳感器上傳的數(shù)據(jù),通過算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對隔離開關(guān)的分合閘狀態(tài)進(jìn)行判定,然后將判定結(jié)果通過IEC61850規(guī)約上傳。接收裝置主控芯片采用STM32F407VET6,它是一款帶DSP和FPU的高性能ARM Cortex-M4 MCU,具有512 KB Flash、168 MHz CPU、ART加速器、以太網(wǎng)和FSMC[7]。接收裝置的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 接收裝置系統(tǒng)框圖

接收裝置應(yīng)具備IEC61850通信功能,而在STM32F407VET6平臺上是無法實現(xiàn)的,因此采用規(guī)約轉(zhuǎn)換的方式將標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC61850規(guī)約通信,從而將隔離開關(guān)的角度、分合狀態(tài)等信息傳送至變電站后臺。

1.3 其他外圍電路

系統(tǒng)還包括存儲電路和串口通信電路。其中,存儲電路用來儲存常溫下門檻電壓對應(yīng)的標(biāo)定值,作為程序判定開關(guān)量輸入狀態(tài)的依據(jù)。存儲芯片采用的是AT25040AN,這是一款SPI接口的CMOS EEPROM,容量為4 KB。串口通信電路用來與上位機進(jìn)行通信,作為調(diào)試與標(biāo)定的接口。收發(fā)器采用的是SP3232EBEA,這是一款寬電壓RS232收發(fā)器,采用增強型ESD規(guī)范設(shè)計,提高了通信可靠性。

2 隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)判定算法

隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)判定算法是在接收裝置內(nèi)實現(xiàn)的,判斷依據(jù)是傳感器采集上傳的隔離開關(guān)角度數(shù)據(jù),而隔離開關(guān)最終的狀態(tài)判定還需要結(jié)合狀態(tài)判斷邏輯來完成。

2.1 隔離開關(guān)分合閘到位判斷

姿態(tài)傳感器實時地對隔離開關(guān)的角度進(jìn)行采集,在部署時需要根據(jù)隔離開關(guān)的分合位置對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)隔離開關(guān)的初始狀態(tài)為合閘到位,此時將傳感器標(biāo)定為0度。當(dāng)隔離開關(guān)為分閘到位時再對傳感器標(biāo)定為θo。設(shè)隔離開關(guān)的分閘到位和合閘到位的角度裕度為Δ,當(dāng)姿態(tài)傳感器被喚醒后測量出動作開始時的角度θs和動作結(jié)束時的角度θf,可根據(jù)公式(1)判斷出隔離開關(guān)狀態(tài)為由合到分且分閘成功。

θo-Δ≤θf-θs≤θo+Δ

(1)

當(dāng)姿態(tài)傳感器測得的角度滿足公式(2)時,則可判定隔離開關(guān)的狀態(tài)為由分到合且合閘成功。

-θo-Δ≤θf-θs≤-θo+Δ

(2)

當(dāng)姿態(tài)傳感器測得的角度值滿足公式(3)時,則可判定隔離開關(guān)狀態(tài)為分閘異常。

Δ<θf-θs<θo-Δ

(3)

當(dāng)姿態(tài)傳感器測得的角度值滿足公式(4)時,則可判定隔離開關(guān)狀態(tài)為合閘異常。

-θo+Δ<θf-θs<-Δ

(4)

2.2 狀態(tài)判斷邏輯

隔離開關(guān)的狀態(tài)判斷需要接收裝置通過分析安裝于A、B、C三相隔離開關(guān)上的傳感器數(shù)據(jù),分別對A、B、C三相隔離開關(guān)分合閘位置和狀態(tài)進(jìn)行判定,然后再依據(jù)位置和狀態(tài)判斷邏輯對該隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)進(jìn)行判定,其位置判定邏輯如圖4所示。

在完成位置判定結(jié)果的同時,位置判定結(jié)果又作為狀態(tài)判定結(jié)果的輸入?yún)?shù),根據(jù)狀態(tài)判定邏輯完成隔離開關(guān)的狀態(tài)判斷,其狀態(tài)判定邏輯如圖5所示。

圖5 狀態(tài)判定邏輯框圖

完成狀態(tài)判定后,接收裝置會開出相應(yīng)的硬接點,每個隔離開關(guān)對應(yīng)3個開關(guān)量輸出,其中1個接點對應(yīng)傳感器健康狀態(tài),另外兩個接點對應(yīng)隔離開關(guān)的分合閘狀態(tài)。開關(guān)量輸出邏輯如表1所示。

表1 開關(guān)量輸出邏輯

3 軟件設(shè)計及可靠性與經(jīng)濟性分析

3.1 軟件設(shè)計

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件由姿態(tài)傳感器程序、接收裝置程序和61850協(xié)議轉(zhuǎn)換程序三部分構(gòu)成。其中,姿態(tài)傳感器程序用來采集和解算姿態(tài)傳感器采集到的角度、角速度、角加速度和地磁等信息,并將其打包成標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式,供接收裝置查詢或通過中斷方式送接收裝置;接收裝置程序用來查詢或中斷接收姿態(tài)傳感器上行數(shù)據(jù),依據(jù)分合閘判斷算法和邏輯判斷算法判斷出隔離開關(guān)的狀態(tài),并控制相應(yīng)的開關(guān)量輸出動作;IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換程序用來將接收裝置獲得的角度、判斷的隔離開關(guān)狀態(tài)、控制的開關(guān)量輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換為MMS協(xié)議經(jīng)站控層上傳至變電站監(jiān)控后臺。姿態(tài)傳感器程序流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器程序流程圖

姿態(tài)傳感器程序初始化后,加載傳感器配置,循環(huán)監(jiān)測姿態(tài)數(shù)據(jù),通過MPL庫解算出三軸加速度、角速度、磁力值和溫度,通過卡爾曼濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后進(jìn)行MODBUS標(biāo)準(zhǔn)格式打包[8-10]。若接收到接收裝置的數(shù)據(jù)請求,則將其發(fā)送給接收裝置。另外,當(dāng)檢測到大角度變化時會喚醒發(fā)送中斷,將數(shù)據(jù)上傳至接收裝置。

接收裝置程序初始化后,加載接收裝置配置信息,開始循環(huán)查詢各個傳感器數(shù)據(jù),根據(jù)收到的傳感器數(shù)據(jù)判斷出隔離開關(guān)狀態(tài),根據(jù)狀態(tài)輸出相應(yīng)的硬接點,并將數(shù)據(jù)打包成MODBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包,通過串口發(fā)送給IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)數(shù)據(jù)點表將數(shù)據(jù)映射到IED模型,最終實現(xiàn)IEC61850通信功能[11-12]。接收裝置的程序流程圖如圖7所示。

圖7 接收裝置程序流程圖

3.2 可靠性試驗

為了驗證系統(tǒng)的可靠性,對系統(tǒng)進(jìn)行了200次的重復(fù)性模擬試驗。模擬試驗包含兩個試驗項目,第一為傳感器測量精度試驗,第二為分合閘狀態(tài)判定一致性試驗。

傳感器測量精度試驗方法為：在-360～360°范圍內(nèi)通過轉(zhuǎn)臺對傳感器施加不同角度,分別記錄轉(zhuǎn)臺施加角度值和記錄傳感器真實角度測量值,計算角度測量誤差。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 傳感器測量誤差

續(xù)表2

表2為-360～360°范圍內(nèi)同一傳感器分別在不同給定角度下的實際測量值,可以看出,測量值在不同給定角度下測量誤差略有變化,在測量過程中誤差略有累積,但是,測量誤差和累積誤差均未超過標(biāo)準(zhǔn)要求的最小誤差0.5°,因此可以斷定,該裝置的傳感器系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量隔離開關(guān)的角度。

分合閘狀態(tài)判定一致性試驗方法為：模擬實際應(yīng)用過程,將傳感器固定于隔離開關(guān)操作機構(gòu)主軸,通過操作機構(gòu)主軸的轉(zhuǎn)動模擬隔離開關(guān)的分合。對系統(tǒng)進(jìn)行了四種狀態(tài)下每種狀態(tài)100次的模擬試驗。實驗結(jié)果如表3所示。

表3 分合閘狀態(tài)判定一致性實驗結(jié)果

表3為模擬四種狀態(tài)下隔離開關(guān)分合閘動作一致性實驗結(jié)果,可以看出,通過400次的分合閘動作其中四種狀態(tài)判定準(zhǔn)確度達(dá)到100%,滿足實際應(yīng)用需求。因此可以判定,該裝置可穩(wěn)定、準(zhǔn)確地判定隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)。

由以上實驗數(shù)據(jù)可知,該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、實時地監(jiān)測隔離開關(guān)的分合閘狀態(tài)。

3.3 可靠性與經(jīng)濟性分析

基于MPU9250的隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)引入了傳感器誤差自校正算法和傳感器通信故障自恢復(fù)機制,同時接收裝置對上通信采用了冗余設(shè)計,可以通過光纖、網(wǎng)線、RS485和無源接點的方式實現(xiàn)對上位機通信,確保系統(tǒng)從末端數(shù)據(jù)采集到中端數(shù)據(jù)處理與結(jié)果上傳環(huán)節(jié),以及終端結(jié)果確認(rèn)的各環(huán)節(jié)的可靠性。該系統(tǒng)作為智能變電站一鍵順控的重要組成部分,能夠幫助電力運維人員在遠(yuǎn)程進(jìn)行分合閘狀態(tài)判斷,不僅將原有的停(送)電時間由30 min縮減到了5 min,還在一定程度上節(jié)約了人力資源,解決了運行人員不足的問題,具備良好的經(jīng)濟性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于MPU9250的隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),通過MPU9250九軸姿態(tài)傳感器實時監(jiān)控隔離開關(guān)的狀態(tài),將狀態(tài)信息傳送至接收裝置,接收裝置根據(jù)姿態(tài)判斷算法和邏輯判斷算法對隔離開關(guān)的分合閘狀態(tài)進(jìn)行實時判定,給出相應(yīng)的硬接點輸出,同時將狀態(tài)信息通過IEC61850通信規(guī)約上傳至站控層監(jiān)控后臺。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)的實時監(jiān)控,為變電站隔離開關(guān)的“雙確認(rèn)”提供了有效的判據(jù)。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、實時性及可操作性強,能夠有效提升變電站隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測準(zhǔn)確度,對變電站的智能化發(fā)展具有重要意義。