智能化集成化配電設(shè)備試驗裝置的設(shè)計

謝劉丹，趙莉莉，沈海萍，倪小紅，關(guān)山，崔金棟

（1.杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司，杭州 311100；2.東北電力大學(xué)a.機械工程學(xué)院；b.經(jīng)濟管理學(xué)院, 吉林 吉林 132012）

0 引言

配電設(shè)備的出廠質(zhì)量是配電網(wǎng)安全可靠運行的基礎(chǔ)。配電設(shè)備的出廠試驗項目繁多，試驗情況復(fù)雜，主要包括一般性檢查、機械特性試驗和機械操作試驗。但是目前的出廠試驗設(shè)備功能單一，單臺裝置僅能進行固定的試驗項目。試驗過程中還需按試驗規(guī)程更換試驗設(shè)備或變更試驗線，工作強度大，智能化和自動化水平低。此外，試驗數(shù)據(jù)仍舊使用紙質(zhì)報告進行存儲，不利于相關(guān)試驗部門之間進行信息共享，工作效率低下。因此，如何提高配電設(shè)備的出廠試驗效率和出廠質(zhì)量是目前電力系統(tǒng)工作人員關(guān)注的焦點。

近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者和電力系統(tǒng)工作對配電設(shè)備的出廠試驗進行了大量的研究。蘭劍等[1]提出了一種全自動斷路器底盤車機械壽命試驗系統(tǒng)，降低了試驗人員的參與程度，提高了工作效率；孫秋芹等[2]提出了一種變壓器綜合試驗系統(tǒng)，以程序順序控制的方式，完成變壓器的電氣試驗，提高了變壓器試驗效率；陳平等[3]根據(jù)斷路器插頭結(jié)構(gòu)和二次回路特點，研發(fā)了一種機械特性試驗轉(zhuǎn)接裝置，改進了試驗接線方式；董冬等[4]研發(fā)了一種試驗數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)存儲和試驗資源管理。上述研究均為對試驗裝置的單個功能進行完善或改進，并未對試驗裝置的多功能集成進行研究。

因此，本文研發(fā)了一種智能化集成化配電設(shè)備試驗裝置，實現(xiàn)配電設(shè)備出廠試驗的智能化和集成化，提高了出廠設(shè)備的質(zhì)量和可靠性，簡化了試驗過程，并開發(fā)了智能綜合檢測平臺軟件，實現(xiàn)試驗過程的數(shù)字化管理，保證了試驗數(shù)據(jù)的真實性和安全性。

1 試驗裝置功能分析

智能化集成化配電設(shè)備試驗裝置是針對高壓配電柜、中置柜和箱式變電站等多種配電設(shè)備的出廠試驗而研發(fā)的。各種配電設(shè)備的出廠試驗項目大有不同，并且試驗要求也錯綜復(fù)雜。通過梳理大量文獻[1-3，5-7]，歸納配電設(shè)備的出廠試驗項目，進而確定智能化集成化配電設(shè)備試驗裝置的具體功能。配電設(shè)備出廠試驗項目主要為一般性檢查、機械特性試驗和機械操作試驗項目。其中，一般性檢查項目又包括框架結(jié)構(gòu)檢查、表面噴涂及電鍍、元器件裝配、母線裝配、輔助回路配線、主回路電氣間隔及爬電距離，以及輔助回路電氣間隔及爬電距離等子試驗項目。機械特性試驗又包括觸頭開距、接觸行程、回路電阻、合閘彈跳時間、合閘時間、合閘速度、分閘時間及分閘速度等子試驗項目。機械操作試驗又包括主開關(guān)、手車、接地開關(guān)、電氣操作、絕緣性能、主回路電阻等子試驗項目。

2 硬件設(shè)計

2.1 試驗裝置總體設(shè)計

智能化集成化配電設(shè)備試驗裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置采用模塊化的設(shè)計思想，主要包括試驗管理終端、試驗對象識別模塊、標(biāo)準(zhǔn)化通信接口、試驗數(shù)據(jù)輸入模塊，以及多個用于特定試驗項目的智能化試驗?zāi)K（智能化試驗?zāi)K為圖1虛線框內(nèi)部分）。多個試驗?zāi)K通過RS485總線以“即插即用”的方式與試驗管理終端相連接，完成多種試驗項目的程序化一鍵式操作，為不同用戶提供了柔性強、成本低的選擇方案，并且為新智能化試驗?zāi)K的開發(fā)與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

圖1 智能化集成化配電設(shè)備試驗裝置總體結(jié)構(gòu)

試驗管理終端為智能化集成化配電設(shè)備試驗裝置的控制核心，由它協(xié)調(diào)各試驗?zāi)K，完成出廠試驗工作。試驗對象識別模塊采用條碼、二維碼或射頻識別等方式獲取試驗對象的識別碼，并通過試驗管理終端進行顯示?？烧{(diào)式電源采用高頻調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)了電壓和電流的大范圍調(diào)節(jié)，滿足多種試驗項目的供電需求。

針對一般性檢查項目，例如對于試驗對象的框架結(jié)構(gòu)檢查和元器件裝配等，試驗人員可通過文字、圖片和視頻等形式通過試驗數(shù)據(jù)輸入模塊將檢查結(jié)果上傳，供相關(guān)部門審核。

針對機械特性試驗項目和機械操作試驗項目，例如主開關(guān)試驗、電氣間隔/爬電距離測量試驗、絕緣性能試驗、斷路器底盤車試驗及通電操作試驗等，研發(fā)了智能化試驗?zāi)K，這些模塊主要包括控制芯片（例如STM32芯片等）、傳感器、通信電路和控制電路等。各智能化試驗?zāi)K在試驗管理終端的控制下以程序化一鍵操作的方式完成出廠試驗工作。此外，標(biāo)準(zhǔn)化通信接口模塊上設(shè)有多個USB、RS232和RS485接口，可與高壓測試儀或耐壓試驗臺等已有試驗裝置建立通信，進而以程序化的方式完成相應(yīng)試驗項目。

2.2 智能化試驗?zāi)K

智能化試驗?zāi)K是在傳統(tǒng)試驗裝置的基礎(chǔ)上，對控制芯片、傳感器、控制電路及通信電路等進行升級調(diào)整得到，能以數(shù)字化、智能化的方式完成特定的試驗項目。

以主開關(guān)分/合閘試驗為例，試驗要求：分合閘操作各5次，并聯(lián)合閘脫扣器在額定電源電壓的85%～110%之間，應(yīng)可靠動作，當(dāng)電源電壓≤30%時，不應(yīng)脫扣；并聯(lián)分閘脫扣器在額定電源電壓的65%（直流）或85%（交流）～110%之間，應(yīng)可靠動作，當(dāng)電源電壓≤30%時，不應(yīng)脫扣。

主開關(guān)試驗?zāi)K如圖2所示，主要包括主控單元、顯示模塊、光耦模塊和調(diào)壓器。其中，主控單元采用STM32F103RCT6單片機，由它協(xié)調(diào)外接電路，完成主開關(guān)分/合閘操作試驗的各過程。顯示模塊用于顯示主控單元所接收到的試驗信息，供試驗人員查看。光耦模塊的輸入/輸出端口分別與主控單元合斷路器相連接，提高輸入端的抗干擾性。調(diào)壓器在主控單元的控制下隨機為主開關(guān)輸出5次0.85～1.10倍和不大于0.3倍的額定電壓。

圖2 主開關(guān)試驗?zāi)K

主開關(guān)分/合閘試驗流程如圖3所示。測試開始時，首先將斷路器置于分閘位，對斷路器合閘位進行測試，主控單元控制調(diào)壓器隨機生成5次范圍為0.85～1.10倍額定電壓作為斷路器的輸入，觀察主控單元是否收到斷路器合閘到位信號，若5次中有一次或多次未收到合閘到位信號，則判定為合閘異常并通過顯示模塊顯示斷路器合閘異常，若5次均收到合閘到位信號，此時，主控單元控制調(diào)壓器隨機生成5次不大于0.3倍額定電壓作為斷路器輸入，觀察主控單元是否收到斷路器合閘到位信號，若5次中有一次或多次收到合閘到位信號，則判定為合閘異常并通過顯示模塊顯示斷路器合閘異常，若5次均未收到合閘到位信號，則判定為合閘正常并通過顯示模塊顯示斷路器合閘正常；同理，將斷路器置于合閘位，對斷路器分閘位進行測試，完成主開關(guān)分/合閘試驗各過程。

圖3 主開關(guān)分/合閘試驗流程

3 軟件設(shè)計

智能綜合檢測平臺軟件是一套試驗管理軟件與數(shù)據(jù)庫的集合，其以工業(yè)防護型智能平板為載體，通過RS485總線建立與子試驗平臺的聯(lián)系，實現(xiàn)對試驗平臺的數(shù)字化、智能化和集成化管理。該軟件主要負(fù)責(zé)生成試驗計劃、控制試驗流程、獲取各試驗?zāi)K的試驗結(jié)果、顯示試驗結(jié)果和打印報表。此外，出于兼容性和功能性的考慮，該軟件設(shè)有兩種工作方式，分別用于標(biāo)準(zhǔn)試驗對象（數(shù)據(jù)庫中存儲或已通過本裝置試驗的試驗對象）和新試驗對象。對于標(biāo)準(zhǔn)試驗對象，該軟件通過試驗對象識別模塊所檢測的設(shè)備編碼信息建立起數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系，從而自動生成試驗計劃。對于新的試驗對象，其工作流程如圖4所示。首先，根據(jù)試驗要求建立測試子項；其次，將歸屬于相同試驗對象的測試子項組合，完成試驗計劃的生成；之后，依次測試各測試子項目，并實時監(jiān)測試驗流程，當(dāng)故障發(fā)生時，試驗人員進行處理，并根據(jù)試驗要求確定是否繼續(xù)試驗，如果是，則重新進行該試驗項目，如果否，則結(jié)束該試驗項目；最后，獲取各子試驗平臺的試驗結(jié)果，并進行顯示。

圖4 智能綜合檢測平臺工作流程

以箱式變電站為例，所開發(fā)的新建測試子項界面如圖5所示，新建測試子項類型包括輸入項、日期項、圖片項及聯(lián)動項等。針對框架結(jié)構(gòu)檢查、表面噴涂及電鍍、元器件裝配、母線裝配等一般性檢查項目時，可通過新建測試子項中的輸入項、圖片項和視頻項將檢查結(jié)果上傳。

圖5 新建測試子項界面

4 結(jié)論

1）研制了一種智能化集成化配電設(shè)備試驗裝置，將多種試驗功能進行高度集成，實現(xiàn)對配電設(shè)備出廠試驗的智能化和程序化管理，降低了試驗人員的參與度，保證了試驗結(jié)果可靠性，極大地提升了試驗效率。

2）設(shè)計了多種適于不同試驗要求的智能化試驗?zāi)K，可通過一鍵式操作的形式完成對應(yīng)試驗項目，進一步降低了勞動強度，提高了出廠試驗裝置的數(shù)字化和智能化水平。

3）研發(fā)了智能綜合試驗平臺軟件，與內(nèi)在數(shù)據(jù)庫結(jié)合，生成試驗計劃，存儲試驗結(jié)果，實現(xiàn)了對整個試驗過程和試驗相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)字化和智能化管理。