高低壓預(yù)裝式變電站智能化技術(shù)

黃汝星

（水發(fā)馳翔電氣（山東）有限公司，山東 成武 274200）

隨著我國配電網(wǎng)建設(shè)的不斷深化，高低壓預(yù)裝式變電站作為一種優(yōu)良基礎(chǔ)設(shè)施，被廣泛應(yīng)用于各個地區(qū)。但隨著用電總量的不斷提升，以站前操作進(jìn)行高低壓預(yù)裝式變電站的檢測、讀表等任務(wù)的傳統(tǒng)變電站監(jiān)測控制模式已經(jīng)難以滿足人們對供電質(zhì)量的要求，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行與管理都要求高低壓預(yù)裝式變電站進(jìn)行智能化優(yōu)化建設(shè)。而實(shí)現(xiàn)高低壓預(yù)裝式變電站的智能化，不僅需要在硬件上進(jìn)行優(yōu)化，對于軟件的改良也必不可少。因此，為加快我國配電網(wǎng)智能化速度，應(yīng)確保配電網(wǎng)對高低壓預(yù)裝式變電站的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)高低壓預(yù)裝式變電站的智能化可靠安全運(yùn)行。[1]

1 高低壓預(yù)裝式變電站智能化原理

本文研究的對象為歐式高低壓預(yù)裝式變電站，即組合式變電站，這種變電站將高壓與低壓變電裝置和變壓器分別設(shè)置在3 個獨(dú)立的隔室中，在實(shí)際應(yīng)用時以電纜作為連接進(jìn)行電能的傳遞。為了確保高低壓預(yù)裝式變電站在運(yùn)行時的狀態(tài)能夠被實(shí)時監(jiān)控，筆者在進(jìn)行高低壓預(yù)裝式變電站智能化建設(shè)時，首先主要應(yīng)用了STM32 內(nèi)核單片機(jī)對內(nèi)部進(jìn)行AD 采樣，同時應(yīng)用部AD 進(jìn)行信號采集，并配有巴特沃斯硬件濾波電路和FIR 軟件濾波算法，實(shí)現(xiàn)高低壓預(yù)裝式變電站的信息采集高精準(zhǔn)度，保證電壓、電流、功率與電能數(shù)據(jù)信息的可靠性。其次，通過應(yīng)用在高低壓預(yù)裝式變電站的3 線上通用鉑熱電阻（PT100）避免了電阻帶來的不良影響，降低了溫度檢測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)誤差的可能性，同時也保護(hù)高低壓預(yù)裝式變電站的變壓器在溫度增加時不會出現(xiàn)損傷。再次，通過在高低壓預(yù)裝式變電站中接入溫濕度模塊，實(shí)時檢測高低壓預(yù)裝式變電站的溫濕度變化，同時以開入量、開出量電路確保高低壓預(yù)裝式變電站在發(fā)生嚴(yán)重故障時能夠自動發(fā)出警報并進(jìn)行跳閘，提升高低壓預(yù)裝式變電站的智能化水平，保障其運(yùn)行的安全性。最后，通過應(yīng)用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，將高低壓預(yù)裝式變電站的數(shù)據(jù)信息傳遞至遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)高低壓預(yù)裝式變電站的遠(yuǎn)程控制與操作。[2]

2 高低壓預(yù)裝式變電站智能化硬件設(shè)計

筆者對高低壓預(yù)裝式變電站進(jìn)行智能化硬件設(shè)計整體設(shè)計架構(gòu)采用了S3C2440A+STM32F407ZGT6 結(jié)構(gòu)，其主要CPU 為ARM 芯片（S3C2440A），使用IEC61850協(xié)議，以面向?qū)ο蠹夹g(shù)完成數(shù)據(jù)建模工作，實(shí)現(xiàn)了高低壓預(yù)裝式變電站的數(shù)據(jù)封裝。從CPU 同樣主要采用ARM 芯片（STM32F407ZGT6），通過發(fā)揮該芯片對數(shù)據(jù)信息的高效率處理和在外設(shè)資源上的豐富兩種優(yōu)勢，完成高低壓預(yù)裝式變電站的數(shù)據(jù)處理工作，并將處理結(jié)果實(shí)時傳遞至智能化系統(tǒng)的主要CPU。通過智能化硬件設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)高低壓預(yù)裝式變電站的在線檢測，進(jìn)而增強(qiáng)高低壓預(yù)裝式變電站運(yùn)行的安全性。[3]

2.1 高低壓預(yù)裝式變電站的電力參數(shù)測量電路

高低壓預(yù)裝式變電站的智能化建設(shè)的首要項目就是優(yōu)化對電壓、電流、功率、頻率等電力參數(shù)的測量手段。為了確保最終測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，本文采用了兩種不同的電壓互感器（DL-PT202D、DL-PT202D）將高低壓預(yù)裝式變電站的電壓、電流變化轉(zhuǎn)換為精準(zhǔn)的信號，從根本上保證數(shù)據(jù)信號是具有可參考性的。

在此之后，本文針對在處理收集到的數(shù)據(jù)信號時，采用了2 個二階有源低通濾波器構(gòu)成的四階巴特沃斯低通濾波器，這種設(shè)備主要由低通濾波電路和同比例放大電路構(gòu)成。通過分析信號截止頻率及增益等，可以得出：Q1=1/（3-AVF1）=1/（3-1.152）=0.541＜0.707，Q2=1（3-AVF2）=1/（3-2.235）=1.31＞0.707。

因此，信信號處理時，在第一級的幅頻響應(yīng)曲線時未出現(xiàn)明顯的峰值，而在第二級時出現(xiàn)峰值，總體來看，幅頻響應(yīng)曲線的平坦部分變大，過度部分變小，可以看出濾波器的性能被增強(qiáng)。

除此之外，由于在高低壓預(yù)裝式變電站中，運(yùn)行時啟動開關(guān)和運(yùn)行時出現(xiàn)的雷擊浪涌等現(xiàn)象都會引發(fā)高低壓預(yù)裝式變電站連接的電網(wǎng)出現(xiàn)電壓上的不穩(wěn)定或電流頻率變化，這些變化會對高低壓預(yù)裝式變電站數(shù)據(jù)的檢測造成影響。因此本文針對這一問題開展了抗干擾措施。首先，在高低壓預(yù)裝式變電站中添加了獨(dú)立的EMC電源，以此確保設(shè)施整體供電的穩(wěn)定。其次，通過將高低壓預(yù)裝式變電站中的電源和光耦獨(dú)立放置，實(shí)現(xiàn)變電站中電源和信號的分離。再次，在高低壓預(yù)裝式變電站的設(shè)施程序中設(shè)置各個管控模塊的標(biāo)志位，以此更加全面地判斷模塊標(biāo)志位的信息，避免干擾信號的影響。最后，本文在高低壓預(yù)裝式變電站中設(shè)置定時器，通過判斷在預(yù)設(shè)時間內(nèi)是否多次接收到了異常信號，進(jìn)而判斷是否存在干擾信號。

2.2 高低壓預(yù)裝式變電站的溫度測量電路

由于在高低壓預(yù)裝式變電站的智能建設(shè)需要對溫度進(jìn)行實(shí)時測量，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行，同時高低壓預(yù)裝式變電站還需要對信號同時進(jìn)行測量，因此在設(shè)計高低壓預(yù)裝式變電站的硬件時，首先，本文采用了鉑熱電阻（PT100）來進(jìn)行溫度測定。以穩(wěn)壓管維持電路的電壓穩(wěn)定，鉑熱電阻為渠道將由溫度影響產(chǎn)生的電阻信息變?yōu)殡妷盒盘?，之后通過放大電路進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，完成溫度變化的測量。其次，本文采用了放大器來完成信號的遠(yuǎn)程傳輸。在大多數(shù)情況下，電壓信號在傳輸中極易受到外部噪聲的影響，同時傳輸線中的電阻也會導(dǎo)致電壓降低，則電壓并不是一種理想的傳輸信號。與電壓對比，電流信號更加穩(wěn)定，不易受外界影響，因此本文在低壓預(yù)裝式變電站中加入一個零歐姆的電阻，通過該電阻，測量溫度的電阻測量電路系統(tǒng)能夠轉(zhuǎn)化為電流信號測量電路系統(tǒng)。[4]

3 高低壓預(yù)裝式變電站智能化軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計流程

高低壓預(yù)裝式變電站的主要CPU 在讀取了ICD 能力描述文件后，向從CPU 發(fā)送收集數(shù)據(jù)的命令，并通過外設(shè)接口接收。在接收到命令后，會立即對命令進(jìn)行解析，之后對命令類型進(jìn)行相應(yīng)的判斷。若命令為參數(shù)設(shè)置類，則從CPU 會對溫濕度、電壓電流互感器、定時器等設(shè)備進(jìn)行與命令相符的設(shè)置；若命令為開出量輸出類，則從CPU 會向繼電器發(fā)出指令，進(jìn)行開出量的調(diào)控。為了確保開出量控制的精準(zhǔn)無誤，需要對開入量進(jìn)行再次檢測，若出現(xiàn)問題，則需要進(jìn)行重合閘的啟動，同時高低壓預(yù)裝式變電站向遠(yuǎn)程控制終端發(fā)出警報，若未出現(xiàn)問題，則直接等待下一次命令即可。

在智能化建設(shè)中，高低壓預(yù)裝式變電站的檢測數(shù)據(jù)發(fā)送的方式主要包括兩種，分別為實(shí)時發(fā)送和定時發(fā)送。就實(shí)時發(fā)送而言，高低壓預(yù)裝式變電站中的定時器會實(shí)時檢測開關(guān)量的情況，當(dāng)發(fā)生變化時，立即將信息和記錄發(fā)送至主CPU。而就定時發(fā)送而言，高低壓預(yù)裝式變電站中各個檢測設(shè)備測量出的電力參數(shù)、溫濕度和報警、跳閘等信息都會定時發(fā)送至CPU，以此確保在高低壓預(yù)裝式變電站發(fā)生問題時能及時提醒相關(guān)人員進(jìn)行整修。在所有信息集中在主CPU 后，主CPU 會對所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝，并發(fā)送至遠(yuǎn)程控制終端。[5]

3.2 FIR 濾波器設(shè)計

在本文設(shè)計的高低壓預(yù)裝式變電站智能化建設(shè)中，F(xiàn)IR 濾波器主要依托于循環(huán)緩沖區(qū)展開工作，這種方式不僅能夠使得設(shè)備整體消耗的變量存儲空間變小，還能夠減少數(shù)據(jù)量過大時導(dǎo)致的設(shè)備數(shù)據(jù)存儲空間溢出的情況發(fā)生，同時可以減少數(shù)據(jù)位置的移動頻率。

FIR 濾波器工作的具體過程如下所示：高低壓預(yù)裝式變電站的循環(huán)緩沖區(qū)對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，其中指針制定最新樣本。在后續(xù)高低壓預(yù)裝式變電站的運(yùn)行中，每取以此數(shù)據(jù)，指針到的循環(huán)加一次，完成一次數(shù)據(jù)的運(yùn)算與卷積。若后期高低壓預(yù)裝式變電站中輸入了新的樣本數(shù)據(jù)，則指針同步更新，指向新的樣本數(shù)據(jù)，再次完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算與卷積。如此往復(fù)，直至所有檢測獲得的樣本數(shù)據(jù)均輸入循環(huán)緩沖區(qū)中。

為了確保FIR 濾波器的工作效果，其過程如下：首先，在初始輸入信號的基礎(chǔ)上添加高斯白噪聲，測量獲得其最終傳輸?shù)男盘?。其次，通過FIR 濾波器將高斯白噪聲濾除，得到濾除后的信號。整理兩次獲得的信號形成頻譜分析圖，分析可以發(fā)現(xiàn)，在使用FIR濾波器后，獲得信號的幅值會出現(xiàn)減弱，但依然可以提取獲得初始輸入信號，即可以實(shí)現(xiàn)濾波效果。

3.3 數(shù)據(jù)處理

為了確保高低壓預(yù)裝式變電站智能化檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，本文在設(shè)置加入FIR 濾波器后，加入了數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。首先，通過將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，減緩檢測數(shù)據(jù)整體的波動情況，提升測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。其次，由于高低壓預(yù)裝式變電站的智能化硬件中包含部分非線性器件，這些器件會帶來諧波，對數(shù)據(jù)造成影響。因此，本文通過使用FFT 快速傅立葉變換提取器篩選出諧波成分，使得在高低壓預(yù)裝式變電站收集的檢測數(shù)據(jù)數(shù)量較少的情況下，也能夠通過疊加諧波成分提升數(shù)據(jù)結(jié)果的精準(zhǔn)性。[6]

3.4 IEC61850 建模

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的智能化發(fā)展不斷普及，數(shù)量繁多的自動化配電遠(yuǎn)程控制終端不斷涌現(xiàn)。由于這些終端的生產(chǎn)廠家不同，同時終端對應(yīng)的配電設(shè)施、使用環(huán)境等也不同，使得這些終端在信息接口、通信方式和協(xié)議等方面都存在差異，進(jìn)而使得不同配電設(shè)備間難以進(jìn)行互通操作。為了改善這一情況，本文在設(shè)計高低壓預(yù)裝式變電站智能化建設(shè)時，使用了變電站的國際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議IEC61850，以此抽象高低壓預(yù)裝式變電站的遠(yuǎn)程控制終端，同時以面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行信息建模，使得最終獲得的信息在模型上統(tǒng)一，信息的通信方式也相同，實(shí)現(xiàn)不同配電設(shè)備間的互通操作。

3.4.1 功能分析

本文設(shè)計的高低壓預(yù)裝式變電站智能建設(shè)，主要通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，借助高效的微處理器技術(shù)完成數(shù)據(jù)處理，同時在各種通信技術(shù)的配合下控制開關(guān)量輸出，實(shí)現(xiàn)自動控制，以保證整個高低壓預(yù)裝式變電站的安全和穩(wěn)定。其主要功能為：（1）遙測主要用于對整個高低壓預(yù)裝式變電站高壓室、低壓室的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、溫度、濕度的測量以及對變壓器室變壓器的溫度測量。（2）遙信主要用于獲取高低壓預(yù)裝式變電站的所有開入量信號，包括斷路器和負(fù)荷開關(guān)的位置信號、低壓側(cè)開關(guān)儲能信號、油變壓力釋放閥信號、瓦斯信號、門柜信號。（3）遙控主要用以接收監(jiān)控主機(jī)命令并控制開出量信號輸出，包括斷路器和負(fù)荷開關(guān)、報警、跳閘、排風(fēng)、加熱等開出量輸出。[7]

3.4.2 信息建模

根據(jù)上述功能分析，可以將高低壓預(yù)裝式變電站智能遠(yuǎn)程控制終端劃分成2 個邏輯設(shè)備，其中邏輯設(shè)備LD-MEAS 主要用于實(shí)現(xiàn)測量功能，包括公共邏輯節(jié)點(diǎn)LLN0、物理裝置邏輯節(jié)點(diǎn)LPHD 和測量MMXU、負(fù)荷開關(guān)XSWI、斷路器XCBR、電壓互感器TVTR、電流互感器TCTR、通用過程I/O 等功能邏輯節(jié)點(diǎn)；而邏輯設(shè)備LD-CTRL 主要實(shí)現(xiàn)控制功能，同樣包括LLN0和LPHD2 個共有的基本邏輯節(jié)點(diǎn)，以及開關(guān)控制器CSWI、通用過程I/O、斷路器XCBR、負(fù)荷開關(guān)XSWI等功能節(jié)點(diǎn)。[8-10]

4 結(jié)語

隨著我國配電網(wǎng)建設(shè)的高速發(fā)展，供配電要求向著節(jié)約化、節(jié)能化、安全化、智能化的方向不斷發(fā)展，高低壓預(yù)裝式變電站的智能化建設(shè)能夠有效滿足這些要求，值得在我國電網(wǎng)建設(shè)中廣泛應(yīng)用。因此，研究高低壓預(yù)裝式變電站的智能化設(shè)計有著重要的意義。放眼未來，智能化改造后的高低壓預(yù)裝式變電站將在我國各大城市的各個領(lǐng)域中得到應(yīng)用，不斷推進(jìn)我國電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)展到下一個階段。