基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 峰

（許繼電氣智能中壓開關(guān)有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著信息科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的電力系統(tǒng)也在不斷向前發(fā)展，對(duì)能源的需求量日益增大，這就要求電力系統(tǒng)中的高壓開關(guān)設(shè)備的性能必須緊跟發(fā)展的腳步，不斷提高電力系統(tǒng)中高壓開關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性以及操作性。

電力系統(tǒng)中的高壓開關(guān)設(shè)備需要定期進(jìn)行檢修和維護(hù)。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的維修是通過(guò)技術(shù)工人進(jìn)入變電站對(duì)設(shè)備進(jìn)行人工檢測(cè)并進(jìn)行維修。該維修方式需要技術(shù)工人擁有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)儲(chǔ)備以及過(guò)硬的技術(shù)，并且維修成本也逐日增加。由于技術(shù)工人存在不確定性，會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的故障檢測(cè)存在偶然性和不穩(wěn)定性，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)安全事故。因此傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)方法不能適應(yīng)當(dāng)下電力系統(tǒng)的發(fā)展。

綜上所述，該文提出基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)，減少錯(cuò)誤操作，提高可靠性，同時(shí)還能降低電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的維修成本，使電力系統(tǒng)向智能自動(dòng)化方向發(fā)展。

1 電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選擇型號(hào)為CONN590、產(chǎn)地位于瑞士的制造公司所生產(chǎn)的內(nèi)嵌形式的工業(yè)用控制監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)。所采用的主計(jì)算機(jī)的內(nèi)存為2.0 GB，運(yùn)行內(nèi)存為8.0 GB，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行芯片為酷睿i4-3579B。另外，為了保證運(yùn)行的流暢，還配置1個(gè)內(nèi)存為123.0 GB的外接移動(dòng)硬盤，以輔助計(jì)算機(jī)運(yùn)行。移動(dòng)硬盤除了內(nèi)存還應(yīng)該具有5個(gè)對(duì)外接口、3個(gè)LAN接口和5個(gè)USB插孔，便于計(jì)算機(jī)可以靈活與其他外部通信軟件相連，從而可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了方便操作人員工作，計(jì)算機(jī)采用超大屏幕的顯示屏。

后端的實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備選用生產(chǎn)地址位于瑞士的制造公司所制造的綜合安保裝置和人工智能實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備。綜合安保裝置滿足世界常規(guī)設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，可以很好地承載導(dǎo)通電阻所產(chǎn)生的電流量，可以很好地保護(hù)電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備中的線路，并對(duì)電流量進(jìn)行控制，還可以測(cè)量導(dǎo)通電阻本身的發(fā)熱程度和電流量。人工智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保通過(guò)電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的電壓、電流量維持在安全范圍內(nèi)，其還擁有過(guò)流保護(hù)和觸地保護(hù)機(jī)制。

1.2 電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)信息的傳送方式分為3個(gè)不同的途徑：1） 以接收點(diǎn)為單位進(jìn)行傳送，每個(gè)設(shè)備擁有固定的發(fā)送名稱和地址，并且每個(gè)設(shè)備只能通過(guò)這一個(gè)固定的名稱和地址傳送數(shù)據(jù)信息。2） 以組為單位傳送信息數(shù)據(jù)，將所有設(shè)備平均分為幾組，每組里的設(shè)備共用同一個(gè)名稱和地址傳送信息，同一個(gè)組內(nèi)的設(shè)備之間也能互相傳送和接收信息。3）以類似廣播的形式傳送信息數(shù)據(jù)，設(shè)定一個(gè)設(shè)備為對(duì)外設(shè)備，負(fù)責(zé)向外界傳送信息，其他設(shè)備只能單向向該設(shè)備傳送信息數(shù)據(jù)，然后通過(guò)該設(shè)備將需要傳輸?shù)男畔鬏敵鋈?。外界向?nèi)傳輸信息也要經(jīng)過(guò)該設(shè)備后再傳送給其他設(shè)備。高壓開關(guān)設(shè)備測(cè)溫系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離短，可以縮短信息數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間。采用第一種以點(diǎn)為單位的傳輸方式，當(dāng)遇到設(shè)備相對(duì)較遠(yuǎn)的情況時(shí)，融合第三種廣播式的傳輸方式來(lái)傳送信息。2種方式相結(jié)合大大提高了信息的精準(zhǔn)程度，同時(shí)還可以縮短時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

為了確?；趯?dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地抓取和傳送溫度信息，該文詳細(xì)地對(duì)不同測(cè)溫設(shè)備之間的運(yùn)行步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體步驟如下：1）在被測(cè)節(jié)點(diǎn)通電后，整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)被限制，從而進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化操作。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化后，每個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)彼此連成網(wǎng)絡(luò)，開始進(jìn)行相對(duì)通信搜索，在搜索到附近終端網(wǎng)絡(luò)后便請(qǐng)求與終端建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。此時(shí)，終端網(wǎng)絡(luò)接受邀請(qǐng)并進(jìn)行安全性評(píng)估，確保信息安全后，同意建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)之間建立的聯(lián)系是相對(duì)獨(dú)立且具有個(gè)性化的聯(lián)系。2）當(dāng)被測(cè)節(jié)點(diǎn)與終端網(wǎng)絡(luò)建立起網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系后，就標(biāo)志組網(wǎng)建立的完成。這個(gè)時(shí)候被測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息狀態(tài)會(huì)被改成單一狀態(tài)，進(jìn)行信息的單線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。終端根據(jù)被測(cè)節(jié)點(diǎn)的特性進(jìn)行函數(shù)處理，設(shè)置完成函數(shù)處理后，被測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備就能將本身數(shù)據(jù)向終端進(jìn)行傳輸，同時(shí)終端可以對(duì)被測(cè)節(jié)點(diǎn)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。3）在終端調(diào)節(jié)器接收被測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，同時(shí)對(duì)被測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反饋。在被測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到反饋后，一次信息的傳送任務(wù)循環(huán)完成，被測(cè)節(jié)點(diǎn)開始第二輪的溫度信息傳送任務(wù)。在終端和被測(cè)節(jié)點(diǎn)中的網(wǎng)絡(luò)不被破壞的情況下，被測(cè)節(jié)點(diǎn)會(huì)一直重復(fù)溫度信息傳送任務(wù)，連續(xù)不斷地向終端網(wǎng)絡(luò)傳送信息。

ATT7022E電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的計(jì)量參數(shù)及校表參數(shù)寄存器是通過(guò)SPI提供給外部MCU的。ATT7022E電能質(zhì)量的SPI讀寫格式相同，8位命令，24位數(shù)據(jù)，MSB在前，LSB在后，發(fā)送8位命令后，讀取24位數(shù)據(jù)。

通過(guò)SPI寫入1個(gè)8 bits的命令字節(jié)后，根據(jù)時(shí)鐘脈沖頻率來(lái)判斷等待時(shí)間。當(dāng)時(shí)鐘脈沖頻率低于500 kHz時(shí)，寫入命令后等待時(shí)間為0 μs，當(dāng)時(shí)鐘脈沖頻率高于500 kHz時(shí)，則寫入命令后等待2 μs才能繼續(xù)通過(guò)SPI讀取24位的數(shù)據(jù)。

ATT7022E通過(guò)SPI寫一些特殊的命令字來(lái)配合軟件校表，在完成軟件校準(zhǔn)后，進(jìn)行電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集分析。其中，采樣數(shù)據(jù)到 FFT算法流程如圖1所示。

圖1 采樣數(shù)據(jù)FFT算法分析

在數(shù)據(jù)采樣前進(jìn)行軟件校表，軟件校表參數(shù)寄存器01H的第8 bit和第9 bit配置為00，0xC9寫入0x005A，如果諧波分析大于21次，則需要128點(diǎn)FFT分析。ATT7022E只能采用手動(dòng)模式，使能SPI寫操作，將OxC5寫入0x011，設(shè)置為手動(dòng)方式。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增益系數(shù)調(diào)整，如果需要下一次操作，就返回并開始數(shù)據(jù)采樣。

當(dāng)被測(cè)節(jié)點(diǎn)成功接入終端網(wǎng)絡(luò)后，開始進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完成后開始抓取和傳送溫度數(shù)據(jù)。與終端相連的調(diào)解器接收到由被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的申請(qǐng)后邊開始進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)試，使終端可以與被測(cè)節(jié)點(diǎn)建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。在調(diào)試過(guò)程中，調(diào)解器會(huì)生成不同的連接方法，被測(cè)節(jié)點(diǎn)與終端會(huì)同時(shí)建立多種聯(lián)系。在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系建立成功后，調(diào)解器會(huì)根據(jù)所建立的連接的穩(wěn)定性進(jìn)行選擇，斷掉不穩(wěn)定的連接，最終被測(cè)節(jié)點(diǎn)與終端會(huì)建立相對(duì)穩(wěn)定的單線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。

在整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)中，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集高壓開關(guān)柜的各待測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并按規(guī)定時(shí)間實(shí)時(shí)地將所采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給終端無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的單線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系將接收到的溫度數(shù)據(jù)信息發(fā)送給前端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備。前端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)區(qū)分發(fā)送過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置以及實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷開關(guān)是否出現(xiàn)故障。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 系統(tǒng)測(cè)試

該文所設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施范圍由被測(cè)節(jié)點(diǎn)與終端之間的距離來(lái)決定?？梢酝ㄟ^(guò)改變被測(cè)節(jié)點(diǎn)與終端之間的距離進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的拓補(bǔ)能力。

在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，不斷改變終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的位置。初試終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)置為100 m，然后以10 m為單位依次增加距離，當(dāng)最遠(yuǎn)距離為200 m時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。設(shè)置被測(cè)節(jié)點(diǎn)向終端每次傳輸數(shù)據(jù)包為100個(gè)。通過(guò)終端對(duì)被測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包裹數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄和判斷。記錄每次數(shù)據(jù)包裹丟失概率，統(tǒng)計(jì)記錄見(jiàn)表1。

由表1可知，當(dāng)終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離在140 m以內(nèi)時(shí)，終端所能接收的從被測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的包裹數(shù)量為100個(gè)，都是包裹的概率為0%，同時(shí)接收速度沒(méi)有延誤。當(dāng)終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為150 m和160 m時(shí)，終端所能接收的從被測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的包裹數(shù)量開始減少，出現(xiàn)包裹丟失的情況，但相對(duì)丟失數(shù)量較小，丟失概率在3%以內(nèi)，說(shuō)明這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)之間仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行。但是當(dāng)終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離超過(guò)160 m時(shí)，終端所能接收的從被測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的包裹數(shù)量開始大幅度減少。在試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離不斷增加，不僅數(shù)據(jù)包裹的丟失率不斷增高，傳輸?shù)乃俣纫苍诮档?，同時(shí)終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系也逐漸被削弱。

表1 終端接收被測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包裹丟失記錄

因此，在運(yùn)行該文所設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)要注意終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，合理安排終端、路由器、被測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的距離，使系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行，減少溫度數(shù)據(jù)的誤差。

在對(duì)該文所設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)之前，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組件進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)測(cè)試，確保系統(tǒng)中的組件狀態(tài)良好，硬件電路可以平穩(wěn)運(yùn)行。

在完成測(cè)試前的準(zhǔn)備工作后，對(duì)終端和被測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，連接路由器，設(shè)置調(diào)解器。連接終端、路由器和調(diào)解器，將終端和被測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通電。

測(cè)試試驗(yàn)步驟如下：1） 在被測(cè)節(jié)點(diǎn)通電后，整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)被限制，開始系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化操作。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化后，每個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)彼此連成網(wǎng)絡(luò)，開始進(jìn)行相對(duì)通信搜索，在搜索到附近終端網(wǎng)絡(luò)后便請(qǐng)求與終端建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。此時(shí)，終端網(wǎng)絡(luò)接受邀請(qǐng)并進(jìn)行安全性評(píng)估，確保信息安全后，同意建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。終端與被測(cè)節(jié)點(diǎn)之間建立的聯(lián)系是相對(duì)獨(dú)立且個(gè)性化的聯(lián)系。2） 當(dāng)被測(cè)節(jié)點(diǎn)與終端網(wǎng)絡(luò)建立起網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系后，就標(biāo)志組網(wǎng)建立的完成。這個(gè)時(shí)候被測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息狀態(tài)會(huì)被改成單一狀態(tài)，進(jìn)行信息的單線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。終端根據(jù)被測(cè)節(jié)點(diǎn)的特性進(jìn)行函數(shù)處理，在設(shè)置完成函數(shù)處理后，被測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備就能將本身數(shù)據(jù)向終端進(jìn)行傳輸，同時(shí)終端可以對(duì)被測(cè)節(jié)點(diǎn)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。3） 當(dāng)終端調(diào)節(jié)器接收到被測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，同時(shí)對(duì)被測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反饋。在被測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到反饋后，一次信息的傳送任務(wù)循環(huán)完成。被測(cè)節(jié)點(diǎn)開始第二輪的溫度信息傳送任務(wù)。在終端和被測(cè)節(jié)點(diǎn)中的網(wǎng)絡(luò)不被破壞的情況下，被測(cè)節(jié)點(diǎn)會(huì)一直重復(fù)溫度信息傳送任務(wù)，連續(xù)不斷地向終端網(wǎng)絡(luò)傳送信息。

2.2 結(jié)果分析

在完成對(duì)該文所設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試后，對(duì)終端測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)所抓取的溫度信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。將被抓取到的溫度與被測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比，分析2種數(shù)值之間的差值是否在允許誤差范圍內(nèi)。結(jié)果證明，該文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地抓取溫度信息，同時(shí)通過(guò)紅外測(cè)溫儀器對(duì)溫度信息進(jìn)行分析處理。

通過(guò)MATLAB軟件繪制曲線如圖2、圖3所示，上位機(jī)除了完成數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)外，還對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，該文選擇電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備剛開始運(yùn)行單位時(shí)間內(nèi)的2路溫度采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖2 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)1的溫度數(shù)據(jù)曲線

圖3 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)2的溫度數(shù)據(jù)曲線

通過(guò)紅外測(cè)溫儀對(duì)2個(gè)測(cè)溫部位進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫，并記錄溫度數(shù)值。把該溫度數(shù)值與系統(tǒng)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)存儲(chǔ)的測(cè)溫值進(jìn)行比較，誤差很小，2種測(cè)溫結(jié)果溫度數(shù)值基本相同。實(shí)驗(yàn)表明，基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的溫度實(shí)時(shí)數(shù)值，還可以有效地發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)設(shè)備因種種故障而產(chǎn)生的溫升，并及時(shí)對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢修。

3 結(jié)語(yǔ)

該文所設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)通電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)在保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，還可以提高高壓開關(guān)設(shè)備故障檢測(cè)的精度，對(duì)改善電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行和管理水平、提高工作效率具有積極作用。