基于MEMS的震時(shí)典型瓷套設(shè)備多特征參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李昊，陳龍譚,2，于虹，張強(qiáng)

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217； 2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206； 3. 成都星河科技產(chǎn)業(yè)有限公司，四川 成都 610041）

0 前言

變電站是構(gòu)成電力系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，其在地震作用下的破壞程度和震后變電功能恢復(fù)進(jìn)度對(duì)災(zāi)區(qū)的應(yīng)急救援、居民安置以及災(zāi)后重建工作有著至關(guān)重要的影響，因此研究不同地震強(qiáng)度作用下變電站典型瓷套設(shè)備的變化特征，即對(duì)震時(shí)典型瓷套設(shè)備的振動(dòng)響應(yīng)特性、震后瓷套設(shè)備姿態(tài)特征參數(shù)等進(jìn)行研究，有助于評(píng)估變電站地震后的恢復(fù)能力與恢復(fù)時(shí)間，為震后電力設(shè)施設(shè)備的資源配置決策、加速震后災(zāi)區(qū)的供電恢復(fù)和電力設(shè)施重建工作提供參考，從而有效地降低地震造成的直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。

早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外就有很多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始著手研究地震狀態(tài)下的變電站電氣設(shè)備狀態(tài)測(cè)量技術(shù)了，美國(guó)基于微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，研制出了一套變電站地面震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。實(shí)際分析結(jié)果表明該監(jiān)測(cè)方法是可行的、有效的，存在的缺點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程大概要耗時(shí)幾十個(gè)小時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，不具有實(shí)用性，但是該技術(shù)為后來(lái)改進(jìn)微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的參考方向。

在20世紀(jì)70年代中期，波蘭在微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中首次引進(jìn)了磁電式振動(dòng)傳感器，避免了人工篩選數(shù)據(jù)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的工作效率。在同一時(shí)期，英國(guó)也獨(dú)自研制了一套便攜式的微地震監(jiān)測(cè)儀，該儀器可以通過(guò)采集的數(shù)據(jù)繪畫(huà)出地震過(guò)程中由于震動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)波形。

我國(guó)是在20世紀(jì)80年代末90年代初才開(kāi)始著手研究該技術(shù)，且研究技術(shù)水平較低。最開(kāi)始開(kāi)發(fā)出的變電站微地震監(jiān)測(cè)儀器是監(jiān)聽(tīng)式地音儀，慢慢地向多通道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方向發(fā)展。2008年，我國(guó)引進(jìn)了由加拿大ESG公司研制的微地震監(jiān)測(cè)儀器，并將其應(yīng)用于湖南竹園金屬礦山，主要研究高應(yīng)力導(dǎo)致的微地震事件。時(shí)至今日，在國(guó)家相關(guān)部門的大力支持和監(jiān)督下，我國(guó)在微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研究取得了突破性進(jìn)展，積累了大量的、多樣的監(jiān)測(cè)方法。

當(dāng)前，微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)傳 感 器 已 經(jīng) 取得了令人矚目的進(jìn)展[3]。本文提出一種基于MEMS的震時(shí)典型瓷套設(shè)備多特征參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)震時(shí)典型瓷套設(shè)備進(jìn)行多特征參數(shù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了地震作用下變電站地面震動(dòng)加速度、瓷套類設(shè)備加速度與姿態(tài)關(guān)鍵特征參數(shù)的高可靠、高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 典型瓷套設(shè)備多特征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

基于2008年汶川地震時(shí)某地區(qū)變電站內(nèi)典型瓷套設(shè)備震害的統(tǒng)計(jì)報(bào)告[4]，對(duì)變電站內(nèi)典型瓷套設(shè)備破壞程度與地震強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，電瓷型高壓電氣設(shè)備的損壞對(duì)變電站的功能失效有很大影響[5]。因此，對(duì)變電站關(guān)鍵瓷套設(shè)備進(jìn)行不同地震強(qiáng)度下的加速度、角速度、位移、傾斜等特征參數(shù)的采集與姿態(tài)解算，有助于評(píng)估地震后變電站狀態(tài)，為震后應(yīng)急救援、快速恢復(fù)供電等決策指揮提供信息支撐。

通過(guò)對(duì)地震時(shí)變電站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的易損性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，明確了變電站及瓷套類設(shè)備在不同地震強(qiáng)度下的破壞情況，其中電瓷型高壓電氣設(shè)備：包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）和避雷器是最容易遭受破壞的設(shè)備。

對(duì)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器等設(shè)備在地震狀態(tài)下的受損情況進(jìn)行深入分析可知[6]：

1）互感器受損主要表現(xiàn)為互感器瓷套斷裂、整體傾倒。電壓、電流互感器，帶滾輪結(jié)構(gòu)浮放在支架上，其典型震害是從支架上跌落摔壞瓷件、拉斷引線；此外，由于地震使電流互感器處于開(kāi)路狀態(tài)產(chǎn)生了高電壓，短路后造成設(shè)備、線路被燒毀等次生災(zāi)害。

2）斷路器、空氣斷路器其典型震害是支持瓷套折斷，且折斷處多在根部。

3）高壓隔離開(kāi)關(guān)的典型震害是支柱絕緣子折斷，折斷處一般都在根部金屬法蘭與瓷件結(jié)合部位。對(duì)于水平開(kāi)斷式隔離開(kāi)關(guān)，有的震開(kāi)導(dǎo)電桿而斷電，也有導(dǎo)電桿與主軸、底架之間焊接部位折斷的。

4）從避雷器受損情況可以看出，由于地震所造成的對(duì)避雷器的損傷主要表現(xiàn)為避雷器底部斷裂，傾倒。事實(shí)上，由于地震破壞力巨大，避雷器的傾倒主要由兩方面原因造成：一是避雷器本身底部在地震時(shí)從支柱上脫落，二是受端部引線拉力作用，在地震時(shí)被拉斷。

綜上所述，由于強(qiáng)烈的地面運(yùn)動(dòng)以及設(shè)備之間連接的相互作用，高壓變電站中的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器等設(shè)備的絕緣部分均由瓷套管組成，其震害特點(diǎn)大多是瓷套管根部斷裂。因此，對(duì)典型瓷套設(shè)備震時(shí)加速度、角速度、位移、傾斜等特征參數(shù)進(jìn)行采集與姿態(tài)解算，有助于判斷震后上述設(shè)備的受損狀態(tài)。

2 典型瓷套設(shè)備特征參數(shù)識(shí)別算法研究

2.1 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)誤差分析及預(yù)處理

瓷套設(shè)備震動(dòng)數(shù)據(jù)主要基于三軸加速度傳感器進(jìn)行采集，在測(cè)量過(guò)程中，由于機(jī)械振動(dòng)，安裝環(huán)境的影響，會(huì)不可避免的出現(xiàn)噪聲，使用自適應(yīng)中值濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理[7]。首先，提前給自適應(yīng)中值濾波器設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)窗口中心的數(shù)據(jù)點(diǎn)被判斷為噪聲時(shí)，當(dāng)前窗口中值被濾波器的輸出取代，否則其值得到保留。自適應(yīng)中值濾波器可以對(duì)加速度數(shù)據(jù)中經(jīng)常出現(xiàn)的脈沖噪聲產(chǎn)生很好地抑制作用，細(xì)節(jié)也得到很好的保留。其中值濾波基本過(guò)程如下：

其中，n是滑動(dòng)窗口的大小，ak表示將當(dāng)前滑動(dòng)窗口的數(shù)據(jù)按數(shù)值大小順序逐一排列后序號(hào)為中間的數(shù)，ai是輸入的窗口加速度數(shù)據(jù)。

定義Zmin為加速度數(shù)據(jù)ai的最小值，Zmax為加速度數(shù)據(jù)ai的最大值，Zmed為信號(hào)中值，Zmax為允許的最大窗口尺寸。這樣自適應(yīng)中值濾波器有可以歸納為兩個(gè)處理過(guò)程：確定當(dāng)前窗口內(nèi)得到中值Zmed是否是噪聲和判斷加速度ak是否為噪聲。如果滿足Zmin＜Zmed＜Zmax的關(guān)系，則中值Zmed不會(huì)被判定為噪聲，繼續(xù)對(duì)當(dāng)前窗口的中心位置的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，判斷ak是否為噪聲。如果滿足Zmin＜ak＜Zmax的關(guān)系，則ak不是噪聲，此時(shí)濾波器將ak輸出為當(dāng)前時(shí)刻的加速度；如果不滿足上述條件，則可判定ak是噪聲，這時(shí)輸出中值Zmed作為當(dāng)前時(shí)刻的加速度。

2.2 基于MEMS的瓷套設(shè)備震動(dòng)監(jiān)測(cè)算法研究

本文將地震狀態(tài)下瓷套設(shè)備的整個(gè)運(yùn)動(dòng)均勻的分成n個(gè)小段來(lái)分析，當(dāng)n很大的時(shí)候，每一小段運(yùn)動(dòng)都可以近似為勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻加速運(yùn)動(dòng)。

第n段位移公式為：

為了此公式能夠在微處理器STM32F407中可以簡(jiǎn)單的編程，本文對(duì)該公式做以下修改：

即：

式中，t是采樣間隔，ai是第i次采樣得到的加速度值，Sn即為第n次采樣后測(cè)量得到的位移。

為了提高微處理器的工作效率，本文提出了一種同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的方法。在STM32的中斷處理程序中設(shè)置了兩個(gè)二維浮點(diǎn)型數(shù)組array_data[3]和array data2[3]，用以暫時(shí)存放三軸的24個(gè)加速度值。當(dāng)中斷響應(yīng)時(shí)，兩個(gè)數(shù)組輪流依次儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)數(shù)組滿了就換一個(gè)數(shù)組，同時(shí)標(biāo)記信號(hào)常量array_full flag為1，當(dāng)主函數(shù)檢測(cè)到array_full flag為1時(shí)就執(zhí)行加速度數(shù)據(jù)處理函數(shù)，同時(shí)另一個(gè)數(shù)組也在不停地采集數(shù)據(jù)。

當(dāng)一個(gè)數(shù)組滿時(shí)進(jìn)入計(jì)算路程的函數(shù)acceleration length(int axis)， 在 函 數(shù)acceleration length(int axis)中設(shè)置了一個(gè)新的數(shù)組array data[30]，前6個(gè)數(shù)據(jù)取自另外一個(gè)數(shù)組（特別注意第一次采集數(shù)據(jù)時(shí)另外一個(gè)數(shù)組還未被賦值，這時(shí)前6個(gè)數(shù)據(jù)都為0），后24個(gè)數(shù)據(jù)取自本數(shù)組，這樣可以有效連接兩個(gè)數(shù)組，平滑數(shù)據(jù)。

由于存在噪聲，加速度傳感器在測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)不能穩(wěn)定，4g、250 Hz模式下也存在±2的漂移，所以在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生偏差。為了消除這種情況，必須先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

2.3 基于MEMS的瓷套設(shè)備姿態(tài)信息融合算法研究

MEMS陀螺儀解算的姿態(tài)角短時(shí)精度較高，但積分漂移嚴(yán)重，且對(duì)瓷套設(shè)備的振動(dòng)敏感，隨著時(shí)間的推移和不斷積分運(yùn)算，漂移誤差會(huì)累加變大，存在姿態(tài)解算發(fā)散的問(wèn)題[8]。MEMS三維加速度傳感器和磁力計(jì)則具有較好的靜態(tài)性能，解算姿態(tài)角時(shí)不存在積分過(guò)程，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，短時(shí)精度差。單獨(dú)使用二者之一都會(huì)降低姿態(tài)角的估計(jì)精度。Kalman濾波是目前公認(rèn)的最適合多傳感器動(dòng)態(tài)信息融合的算法[9]，但應(yīng)用常規(guī)Kalman濾波算法時(shí)，要求系統(tǒng)噪聲和量測(cè)噪聲統(tǒng)計(jì)特性已知。然而在瓷套設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測(cè)多傳感器信息融合的實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)噪聲與量測(cè)噪聲統(tǒng)計(jì)特性是未知且時(shí)變的，這使得常規(guī)Kalman濾波算法失去最優(yōu)性，估計(jì)精度大大降低，甚至?xí)馂V波發(fā)散。

采用Sage-Husa自適應(yīng)Kalman濾波算法在理論上可實(shí)現(xiàn)在線自適應(yīng)估計(jì)系統(tǒng)噪聲和量測(cè)噪聲統(tǒng)計(jì)特性[10]，但將該算法應(yīng)用于瓷套設(shè)備姿態(tài)角信息融合時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)該算法實(shí)質(zhì)上無(wú)法在系統(tǒng)噪聲和量測(cè)噪聲統(tǒng)計(jì)特性均未知的前提下將二者準(zhǔn)確分離并高精度的估計(jì)二者方差值，因此算法需要改進(jìn)。本文基于一種改進(jìn)的Sage-Husa自適應(yīng)擴(kuò)展Kalman濾波算法，該算法使用MEMS陀螺儀實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算的姿態(tài)角方差來(lái)估計(jì)系統(tǒng)噪聲方差，而只使用量測(cè)噪聲估計(jì)公式對(duì)量測(cè)噪聲方差進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)。

3 典型瓷套設(shè)備震時(shí)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

典型瓷套設(shè)備震時(shí)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面震動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)裝置、終端/瓷套類設(shè)備震動(dòng)加速度及姿態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、后臺(tái)數(shù)據(jù)中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)等部分組成。

裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，地面震動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)裝置終端/瓷套類設(shè)備震動(dòng)加速度及姿態(tài)傳監(jiān)測(cè)裝置（可以安裝多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備）負(fù)責(zé)采集、監(jiān)測(cè)加速度數(shù)據(jù)并解算姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信并將數(shù)據(jù)存入平臺(tái)云端數(shù)據(jù)庫(kù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)軟件讀取和操作后臺(tái)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變電站地面震動(dòng)加速度、瓷套類設(shè)備震動(dòng)加速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和系統(tǒng)控制。

圖1 典型瓷套設(shè)備震時(shí)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 硬件主要模塊電路設(shè)計(jì)

該項(xiàng)由地面加速度監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器、瓷套類設(shè)備加速度及姿態(tài)物聯(lián)網(wǎng)傳感器、后臺(tái)數(shù)據(jù)中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)組成。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 地面震動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)裝置、瓷套類設(shè)備震時(shí) 姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

地面加速度監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器、瓷套類設(shè)備加速度及姿態(tài)物聯(lián)網(wǎng)傳感器，由地面震動(dòng)加速度采樣電路、設(shè)備支架震動(dòng)加速度采樣電路、信號(hào)采集調(diào)理、多個(gè)電壓變換模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換及接口、太陽(yáng)能電池及鋰離子電池充放電模塊、4G通信模塊、MCU主控電路等組成。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用MEMS三維加速度傳感器對(duì)地面震動(dòng)加速度、設(shè)備姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)內(nèi)部A/D，從SPI口讀取高精度數(shù)字信號(hào)，通過(guò)經(jīng)過(guò)一系列軟件算法處理得出地面震動(dòng)加速度及姿態(tài)數(shù)據(jù)，再然后采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)后將鐵塔當(dāng)前狀態(tài)信息直觀的反饋給用戶。

地面震動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)終端/瓷套類設(shè)備震時(shí)加速度及姿態(tài)監(jiān)測(cè)將數(shù)據(jù)，通過(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳遞給后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)軟件讀取和操作后臺(tái)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)變電站地面震動(dòng)數(shù)據(jù)、瓷套類設(shè)備姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及顯示。

本文采用數(shù)字MEMS三維加速度傳感器為監(jiān)測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站地面震動(dòng)加速度、瓷套類設(shè)備加速度及姿態(tài)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)由設(shè)備支架MEMS三維加速度及姿態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備、地面MEMS三維加速度監(jiān)測(cè)設(shè)備、后臺(tái)數(shù)據(jù)中心、用戶界面組成，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖

地面MEMS三維加速度監(jiān)測(cè)設(shè)備由三維加速度采樣、基本功能及抗干擾算法、各類數(shù)據(jù)端口驅(qū)動(dòng)與設(shè)置、電源適配DC/DC及LDO監(jiān)測(cè)設(shè)置、太陽(yáng)能電池及鋰離子儲(chǔ)能電池監(jiān)測(cè)與管理、驅(qū)動(dòng)設(shè)置管理、時(shí)鐘管理、電源電壓采集與監(jiān)控、規(guī)約設(shè)置、規(guī)約解析及4G通信、平臺(tái)指令響應(yīng)與執(zhí)行軟件模塊組成。

設(shè)備支架MEMS三維加速度及姿態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備與地面MEMS三維加速度監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件、軟件功能基本相同，只是設(shè)備支架MEMS三維加速度及姿態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備增加了靜態(tài)姿態(tài)算法。

平臺(tái)指令響應(yīng)與執(zhí)行完成時(shí)鐘設(shè)置、遠(yuǎn)程讀取、功能設(shè)置更新、固件升級(jí)等功能。系統(tǒng)還需要根據(jù)功能，設(shè)置各電池模塊的供電關(guān)系，實(shí)現(xiàn)軟件低功耗設(shè)計(jì)。

后臺(tái)數(shù)據(jù)中心由通信規(guī)約設(shè)置識(shí)別、功能解算、用戶管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、響應(yīng)服務(wù)與遠(yuǎn)程設(shè)置等軟件模塊組成，也可以通過(guò)功能更新協(xié)助完成軟件低功耗設(shè)計(jì)、固件遠(yuǎn)程更新。

用戶界面由設(shè)備遠(yuǎn)程控制、歷史數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警與提示等軟件模塊組成。

地面震動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)終端/瓷套類設(shè)備震時(shí)姿態(tài)傳感終端軟件控制流程圖，如圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)終端軟件控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合地震時(shí)變電站內(nèi)瓷套設(shè)備的易損性統(tǒng)計(jì)情況，分析發(fā)現(xiàn)相同地震強(qiáng)度下，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）和避雷器是最容易遭受破壞的設(shè)備，且其震害特點(diǎn)大多是瓷套管根部斷裂。針對(duì)MEMS傳感器數(shù)據(jù)采集輸出過(guò)程中的誤差進(jìn)行分析，并對(duì)誤差設(shè)計(jì)了校正方案；然后，采用Kalman濾波算法將加速度與姿態(tài)角信息進(jìn)行融合，聯(lián)合上報(bào)動(dòng)態(tài)及靜態(tài)信息。介紹了基于MEMS的變電站地震狀態(tài)下典型瓷套設(shè)備的特征參數(shù)分析與識(shí)別系統(tǒng)軟硬件組成，包括瓷套設(shè)備姿態(tài)、震動(dòng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)和PC端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了地震作用下變電站地面震動(dòng)加速度、瓷套類設(shè)備加速度與姿態(tài)關(guān)鍵特征參數(shù)的高可靠、高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、傳輸。