機(jī)電一體化在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳 沖

（日新電機(jī)（無錫）有限公司，江蘇無錫 214112）

機(jī)電一體化是融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子電氣和機(jī)械工程的復(fù)合型先進(jìn)技術(shù)。將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化管理，顯著減輕人工壓力，降低人工成本；另一方面也能實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和潛在故障的超前處理，從而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著電力系統(tǒng)覆蓋規(guī)模的擴(kuò)大、內(nèi)部電氣設(shè)備數(shù)量的增加，傳統(tǒng)的管理模式已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行需求。在這一背景下，探究機(jī)電一體化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電力系統(tǒng)中機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成與應(yīng)用價(jià)值

1.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成架構(gòu)

根據(jù)功能需求的不同，機(jī)電一體化系統(tǒng)在具體組成上也有差異。但是總體來說，完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、信息系統(tǒng)4部分。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成架構(gòu)

基于圖1的機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行流程為：首先利用前端傳感器獲取信息，然后通過通信裝置將信息傳遞給電氣系統(tǒng)，經(jīng)過信號(hào)的降噪、濾波和放大等一系列處理后，在D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)實(shí)現(xiàn)從模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變，得到可以被計(jì)算機(jī)正常識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。然后在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理分析，根據(jù)分析結(jié)果自動(dòng)生成控制指令，或者是人工編輯控制指令，再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，傳遞到前端的執(zhí)行器，完成相應(yīng)的動(dòng)作。信息系統(tǒng)可通過建立仿真模型的方式，以采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行電力系統(tǒng)的故障判斷和故障自動(dòng)修復(fù)，從而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值

機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用，打破了不同系統(tǒng)之間的信息壁壘，提高了電力系統(tǒng)內(nèi)部信息的傳遞效率。這樣一來，前端電氣設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，就可以同步反饋給終端的計(jì)算機(jī)；同時(shí)，計(jì)算機(jī)下達(dá)的操控指令也能同步下達(dá)至前端的執(zhí)行器。從而構(gòu)建起了響應(yīng)迅速、控制精確的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，對(duì)提高電能穩(wěn)定供給有積極幫助。此外，機(jī)電一體化技術(shù)的電力系統(tǒng)可以獲取當(dāng)前電力系統(tǒng)內(nèi)每一臺(tái)電力設(shè)備的運(yùn)行信息，并展開分析判斷是否存在異常工況或潛在故障。這樣就可以在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上超前識(shí)別故障，并實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的自動(dòng)處理。

2 機(jī)電一體化在電力系統(tǒng)電路調(diào)頻故障信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 電路調(diào)頻故障信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 信號(hào)濾波電路的設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，電路內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)。該系統(tǒng)在收集電路振動(dòng)信號(hào)時(shí)，噪聲信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定的干擾，進(jìn)而影響故障判斷結(jié)果。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加了信號(hào)濾波電路，可以通過有源濾波的方式去除信號(hào)中的噪聲。將兩級(jí)有源濾波器置于電路中，合成信號(hào)源器件，并基于運(yùn)算放大器的功能，組合形成一個(gè)低通路的濾波電路，如圖2所示。

圖2 濾波電路

2.1.2 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的信號(hào)放大電器中使用了WER44158 芯片，工作電壓為5～24 V。將該信號(hào)放大器作為電路反饋的電壓放大器，在輸入信號(hào)源以后可以顯著降低工作噪聲。放大電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號(hào)放大電路

結(jié)合圖3可知，該放大電路中輸入電阻R1的阻值與信號(hào)放大倍數(shù)之間為正相關(guān)。如果需要將信號(hào)源放大10倍，只需要調(diào)節(jié)電阻值使電阻放大倍數(shù)為10倍即可。另外，WER44158 芯片共有12 個(gè)引腳，其中第4腳和第5腳為該芯片的供電引腳，分別提供+6 V和–6 V 的電壓。在系統(tǒng)電路部分設(shè)計(jì)完畢后，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電路調(diào)頻故障信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.2 電路調(diào)頻故障信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 基于機(jī)電一體化監(jiān)測(cè)故障信號(hào)

故障信號(hào)監(jiān)測(cè)的原理，是利用前端傳感器獲取海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不在標(biāo)準(zhǔn)工況的閾值范圍內(nèi)，則判斷為故障。因此，監(jiān)測(cè)故障信號(hào)需要處理海量的數(shù)據(jù)，為了減輕系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，在故障信號(hào)的監(jiān)測(cè)中需要對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行壓縮處理。對(duì)于壓縮后的數(shù)據(jù)，尋找發(fā)射時(shí)間與通信頻率之間的映射關(guān)系。其中，時(shí)間是決定故障信號(hào)監(jiān)測(cè)的核心因素。本文采用基于雙向滑動(dòng)的故障信號(hào)監(jiān)測(cè)方法，使原來相對(duì)靜止的能量信號(hào)源，按照一定順序在待檢測(cè)的數(shù)據(jù)中進(jìn)行雙向滑動(dòng)，直到確定故障信號(hào)的具體產(chǎn)生位置。監(jiān)測(cè)過程如圖4所示。

圖4 雙向滑動(dòng)監(jiān)測(cè)過程

由圖4可知，在滑動(dòng)過程中信號(hào)源會(huì)依次經(jīng)過2個(gè)不同的窗口，即J窗口和I窗口。當(dāng)信號(hào)源從一個(gè)窗口進(jìn)入到另一個(gè)窗口時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的噪音信號(hào)。為了正確區(qū)分不同窗口的噪聲矢量，需要采取監(jiān)測(cè)函數(shù)變化的形式判斷噪聲信號(hào)的具體位置。其中，窗口信號(hào)能量可表示為：

式（1）中，DJ（w）表示窗口J 的能量；相應(yīng)的DI（w）表示窗口I 的能量；K 表示窗口的長(zhǎng)度；|dy|表示窗口接收數(shù)據(jù)，其中y=W-h 或y=W+h。同時(shí)，由式（1）可知，監(jiān)測(cè)函數(shù)的最大值與噪聲信號(hào)的倒數(shù)屬于同一量級(jí)。如果實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中存在較多的外部干擾，信號(hào)質(zhì)量較差，這種情況下信號(hào)頻率也會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)現(xiàn)象。因此，基于機(jī)電一體化的電力系統(tǒng)電路故障信號(hào)監(jiān)測(cè)，必須要分別從該電路的起點(diǎn)與終點(diǎn)處分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而最大程度上減輕起點(diǎn)時(shí)刻噪聲環(huán)境產(chǎn)生的可能性。

2.2.2 電路調(diào)頻故障信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)論證

為驗(yàn)證基于機(jī)電一體化的電路調(diào)頻故障信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)了對(duì)照試驗(yàn)。分別選擇傳統(tǒng)的故障信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，搭建相同的電路，并在電路中人為制造一個(gè)故障信號(hào)。觀察對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)的電路調(diào)頻曲線，并對(duì)比故障點(diǎn)在曲線中的具體位置，得到試驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)電路調(diào)頻系統(tǒng)退化到潛在的故障點(diǎn)，該故障會(huì)發(fā)展成為可以被系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的故障信號(hào)；隨著時(shí)間的推移，電路調(diào)頻系統(tǒng)繼續(xù)退化，此時(shí)潛在故障發(fā)展成為功能故障，整個(gè)電力系統(tǒng)都會(huì)因?yàn)楣收隙c瘓。另外，從潛在故障發(fā)展成為功能故障需要經(jīng)過一段時(shí)間。本次試驗(yàn)中將這一時(shí)間間隔設(shè)定為15 min。試驗(yàn)從上午9∶00開始，并分別在9∶00，12∶00，15∶00、18∶00和20∶00進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為減小誤差干擾，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的監(jiān)測(cè)均獲取3組數(shù)據(jù)。兩種系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表1所示。

表1 2種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)在5個(gè)故障發(fā)生時(shí)間點(diǎn)的15組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，有11次是在故障發(fā)生以后檢出，有4 次是在故障尚未發(fā)生前檢出，檢出率為26.7%。而基于機(jī)電一體化技術(shù)的電路調(diào)頻故障信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，15組數(shù)據(jù)表明均在故障尚未發(fā)生前將潛在故障檢出，檢出率為100%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)的檢出率提高了73.3%。由此可見，基于機(jī)電一體化的電力系統(tǒng)電路調(diào)頻故障監(jiān)測(cè)更加有效，同時(shí)也為故障的解決提供了有力的支持。

3 結(jié)束語

在電力系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行和智能化管理的背景下，機(jī)電一體化技術(shù)也得到了廣泛運(yùn)用。其中，控制和保護(hù)是機(jī)電一體化在電力系統(tǒng)中的兩個(gè)主要應(yīng)用方向。目前融合了機(jī)電一體化技術(shù)的電力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各處運(yùn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集、智能分析，隨時(shí)掌握運(yùn)行工況，并根據(jù)工況分析結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，在尚未給電力系統(tǒng)運(yùn)行造成不良影響的前提下將故障處理掉，從而維護(hù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。下一步，電力行業(yè)的機(jī)電一體化技術(shù)將會(huì)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能能技術(shù)進(jìn)行深度融合，并朝著智能化、節(jié)能化方向發(fā)展，更好地滿足電力系統(tǒng)的管理需求。