GIS內(nèi)隔離開關(guān)故障檢測系統(tǒng)的研究

沈陽工程學(xué)院 彭少卿

1 引言

隨著現(xiàn)代電力科技的進步，各類新型開關(guān)裝置在電網(wǎng)的建設(shè)與運行中得到了越來越多的應(yīng)用。GIS 設(shè)備是一種氣體絕緣全密封型的開關(guān)裝置，在現(xiàn)代電網(wǎng)中有著非常廣泛的應(yīng)用，重量輕、體積小、模塊化設(shè)計集成諸多功能、可靠性高，是非常大的優(yōu)勢，在多種變電站、輸配電線路以及開關(guān)柜中使用比較廣泛。伴隨著停電的時間對電網(wǎng)要求變得越來越高，一方面可以用帶電作業(yè)加以解決[1]，另一方面應(yīng)該將對線路和設(shè)備的監(jiān)控力度作為重點。

因為 GIS 設(shè)備至關(guān)重要，現(xiàn)在對其設(shè)備的開發(fā)，設(shè)計，安裝和維護提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，如果其自身出現(xiàn)了故障，對其進行維護就會變得非常困難，并且維護費用也很高，因此，所造成的損失是非常大的，不僅會導(dǎo)致大面積的停電，還會對社會產(chǎn)生許多不穩(wěn)定的因素。

2 GIS 隔離開關(guān)模型及檢測方法

2.1 GIS 隔離開關(guān)模型簡介

GIS 裝置通常由隔離開關(guān)，斷路器，母線，變壓器，接地器件，避雷器件，電纜等組成。若依其特點與應(yīng)用，則通常可分為：電力與控制；能量存儲設(shè)備和系統(tǒng)；隔離體系；接地設(shè)備和其附屬設(shè)備；一個外部的密封件體系等。

隔離開關(guān)分為兩類：一類是正常隔離開關(guān)，一類是帶緩速開關(guān)；二是快速開關(guān)配電彈簧裝置，該裝置既可起到斷路作用，又可起到母線過流或過流的作用。按安裝位置，可將斷路器分為角隔離開關(guān)和線隔離開關(guān)，其中角隔離開關(guān)多應(yīng)用在主電路的直角曲線上，而線隔離開關(guān)多應(yīng)用在主電路的線路上。

2.2 GIS 隔離開關(guān)一二次動作原理分析

將所述斷開開關(guān)的動接點從所述斷開位置到所述剛閉合、所述剛斷開位置之間的距離稱為所述開距；移動觸點從剛打開、剛打開到關(guān)閉位置之間的距離稱為觸點沖程。將從脫開位置到剛合，剛分位置的拐臂的轉(zhuǎn)角稱為開角；所述的拐臂從剛打開和剛打開到關(guān)閉位置的轉(zhuǎn)角就是接觸角。研究了斷路器不同工作狀態(tài)下上述沖程和轉(zhuǎn)角之間的相互關(guān)系。

當(dāng)該隔離開關(guān)的次級回路收到一個合閘命令后，當(dāng)一個遠端的合閘觸點被關(guān)閉時，SL2就會開啟該觸點，CX 就是一個二次合閘回路，遠端的合閘觸點在正常情況下是開啟的，正常情況下是開啟的，正常情況下是開啟的。而在近側(cè)的斷開接觸器回路[2]，TX 處于正常閉合狀態(tài)，在近側(cè)的合閘接觸器回路，使用電路支架來維持回路不間斷的供電，電機從能量儲存控制環(huán)節(jié)獲得能量，電機的能量儲存環(huán)節(jié)開始轉(zhuǎn)動，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動到所需的位置時，SL2被切斷，CX 合閘接觸器的線圈被切斷，其狀態(tài)從正常打開變?yōu)檎ｊP(guān)閉，在此情況下，斷開器支架被切斷，開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化，從而完成了合閘控制。

2.3 GIS 隔離開關(guān)檢測方法分析

在很長一段時間內(nèi)，電力系統(tǒng)的檢修都是采用常規(guī)檢修和故障檢修兩種方式。周期性設(shè)備大修是一種基于設(shè)備和電網(wǎng)運行的狀態(tài)統(tǒng)計變化規(guī)律為理論基礎(chǔ)，能夠有效保障系統(tǒng)和設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行，防止大量重大設(shè)備大修和大停電。但是，隨著技術(shù)和運營電網(wǎng)的公司經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電網(wǎng)進行的常規(guī)設(shè)備檢修已經(jīng)很難再滿足技術(shù)、電網(wǎng)的發(fā)展以及公司經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實需求。隨著科技的進步和電網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展與擴張，傳統(tǒng)的設(shè)備維修工作量不斷增大，維修人員日益缺乏，停電調(diào)度變得更加困難[3]。另外，目前以斷電試驗為基礎(chǔ)的狀態(tài)維修工作，還存在斷電壓力大、斷電試驗無法反映裝置狀態(tài)變化趨勢、斷電試驗中缺陷檢測率偏低等問題。為此，國家電網(wǎng)大力推行并構(gòu)建了以“實時檢測”為基礎(chǔ)的檢修系統(tǒng)。

3 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的 GIS 隔離開關(guān)故障判據(jù)分析

3.1 隔離開關(guān)分合閘判斷基本準(zhǔn)則

對于 GIS 中的隔離開關(guān)，其分合閘的合閘和分閘狀態(tài)，以及斷路器故障的判定。接觸的沖程和轉(zhuǎn)動的角都要測量。該方法采用了一種新型的角位移傳感器，并采用 DSP 作為主控制器，實現(xiàn)了對時—角變化的測量，通常采用曲線形式。當(dāng)拐臂長不變時，將拐臂角速度與拐臂角速度相乘，就可以得到拐臂角速度。GIS 斷路器的操作裝置，即操作裝置，其運動軌跡與接觸點的運動軌跡相等，通過對接觸點的運動軌跡進行積分，得到接觸點的運動軌跡。而動作時間的測定則是通過 DSP 測得的驅(qū)動電動機的電流持續(xù)時間來進行。

3.2 隔離開關(guān)故障診斷基本理論

3.2.1 GIS 隔離開關(guān)運動軌跡去燥方法

以 GIS 為代表的拐臂等 GIS 隔離開關(guān)為例，在其移動時，其測角傳感器（無接觸磁感應(yīng)角位移傳感器）在由主控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集時，常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不正常、數(shù)據(jù)毛刺等問題。在對資料進行處理前，經(jīng)常要對資料進行校正與除噪，而最常見的是移動中位數(shù)除噪，其除噪效果更具實用性與工程性。

3.2.2 常用的曲線特征提取方法

而曲線形狀的特征通常具有諸如：周長，面積，矩形度，圓度，球形度，不變矩，離心度，外接矩形，形狀標(biāo)記等。在 GIS 隔離開關(guān)的角位移傳感器所測量出的不同時刻下的角度，或在不同時刻下的位移曲線中，矩和偏心率的概念是比較重要的，在此進行簡單的分析。

4 GIS 隔離開關(guān)機械特性檢測智能系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 常用單片機與 DSP 對比分析

就單片機與 DSP 的性能比較和使用范圍而言，可以概括為：在一般的領(lǐng)域，也就是在中低端的領(lǐng)域，單片機被廣泛地使用，而 DSP 被廣泛地用于中高端的領(lǐng)域，因為 DSP 具有更快的處理速度，更強大的功能。前者通常具有8比特或16比特的處理比特，后者通常具有32比特的處理比特。前者多是針對系統(tǒng)的控制，而后者則多是應(yīng)用在數(shù)字信號處理中。就發(fā)展程度而言，后者是前者的一個更高層次的發(fā)展，后者可支持 FFT 算法，并具有特定的指令，具有快速的指令處理功能，具有極為強大的邏輯運算和數(shù)據(jù)處理能力[4]。從硬件層面來看，后者具有高度的集成性、巨大的存儲容量以及在硬件中生成的波特率以及 FIFO 緩沖區(qū)。在其內(nèi)部，整合了 A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)保持器，并具有 PWM 輸出接口，可以實現(xiàn)對電動機的控制，也可以實現(xiàn)對非接觸式角位移傳感器的采集。與一般16位微控制器比較，DSP的運算速度約為16位微控制器的10倍，一次乘法運算可提高20倍。

4.2 GIS 隔離開關(guān)機械特性系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.2.1 基于 TMS320F28335的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

近年來，隨著 GIS 技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對GIS 技術(shù)的研究也越來越多。通過分析 GIS 隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的 GIS 隔離開關(guān)的機械性能判定系統(tǒng)相比，本論文所提出的 GIS隔離開關(guān)的機械性能判定系統(tǒng)，其主要特征和特征如下。

一是對 GIS 中的拐臂角位移傳感器進行了數(shù)據(jù)的收集和預(yù)處理，并可以對異常數(shù)據(jù)進行了處理，從而可以進一步改善系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，并可以對其進行了工作可靠性的判定，從而增強了電網(wǎng)的工作可靠性，增強了供電可靠性和智能程度；

二是本智能系統(tǒng)具有很強的工作監(jiān)控和機器的故障診斷功能，能夠盡可能地增加其工作的可靠度；

三是GIS 隔離開關(guān)的機械性能智能化控制系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)的儲存能力和智能化的判定方法，可以通過實時的數(shù)據(jù)來判定設(shè)備的工作狀況，在出現(xiàn)故障時，可以很容易地判定出設(shè)備當(dāng)前的工作狀況以及故障的種類。

4.2.2 A/D 采樣電路與信號處理系統(tǒng)

其中，A/D 轉(zhuǎn)換電路在TMS320F28335中起到了非常關(guān)鍵的作用，其廣泛使用適用于各種嵌入式控制系統(tǒng)。如果 A/D 變換的信道數(shù)量很多，需要使用多個信道時，可以使用信道擴充。DSP 中經(jīng)常使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換信道，其中ADS783就是其中的一個。

在 DSP 中，A/D 采樣電路是一個非常重要的功能，因為在實際生活中，經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)都是模擬的，但是 DSP 所處理的大部分都是數(shù)字的，所以為了在 DSP 的運算能力上有很大的優(yōu)勢，就需要利用 A/D 轉(zhuǎn)換功能，把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字信號。由于不需要再進行擴充，因此，GIS 隔離開關(guān)的機械特性智能控制系統(tǒng)所需 A/D 轉(zhuǎn)換通道的數(shù)量，只需要通過本體控制芯片就可以達到系統(tǒng)的需求。

4.2.3 PWM 原理及電路實現(xiàn)

在 DSP 的全部控制系統(tǒng)中，對于一些對工作周期要求比較苛刻的場合，最關(guān)鍵的就是能使工作周期在整個工作周期內(nèi)按任意比例進行調(diào)整。TMS320x280x 系列的處理器非常靈活，配置資源也非常豐富，完全可以在全范圍內(nèi)進行任何占空比的配置和控制。其內(nèi)部資源中有電子 PWM 鏈路和模塊，可以以最低的功率消耗，對任何工作循環(huán)進行調(diào)整和控制，以確保高的可靠性。具有正數(shù)、負數(shù)、倒數(shù)等多種工作方式。

ePWM 鏈路模塊可以分為時基TB 子模塊，計數(shù)與比較（CC）子模塊，動作限制 AQ （動作限制）模塊，死區(qū)數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊，PWM 斬波子模塊，故障斷路器模塊，事件觸發(fā) ET （Equipment Time）模塊。PWM 結(jié)構(gòu)如圖1所示。在設(shè)置 e 型 PWM 模組和節(jié)組時，需要對各子模組中的多個寄存器進行初始化。為了在上面提到的方式下 ePWM 模組的工作，必須設(shè)定一個控制寄存器。

圖1 PWM 結(jié)構(gòu)

4.2.4 SRAM 及 FLASH 電路的設(shè)計

本文采用 SRAM 和 FLASH 兩種電路實現(xiàn)了對 GIS 斷路器機械性能的智能化控制。FLASH 存儲器，也被稱為 FLASH 存儲器，是一種將 ROM和 RAM 的優(yōu)點融合在一起，既具有 EEPROM 的特性，也具有在不掉電的情況下，可以進行高速的讀出（NVRAM 的優(yōu)點）。在過去的30年中，嵌入式系統(tǒng)一直都是將（ROMEPROM）作為其的存儲設(shè)置，但是近些年來，F(xiàn)LASH 全面取代了 ROM（EPROM）在嵌入式系統(tǒng)中的位置，將其用作存儲Bootloader 以及操作系統(tǒng)或者程序代碼，或者將其直接當(dāng)硬盤使用（U 盤）。英文簡稱 SRAM，是一種只有靜態(tài)訪問功能的存儲器，無須更新電路就可將其內(nèi)存的資料儲存在存儲器中。一種 SRAM 是插在 CPU 和主內(nèi)存之間的一種高速緩存.SRAM 被廣泛地應(yīng)用在二級 Cache 中。其使用三極管存儲資料。相對于 DRAM，SRAM 具有更高的速率，但是其存儲空間要小于其他種類的存儲空間。

5 結(jié)語

本文首先對 GIS 中的隔離開關(guān)進行了理論研究，并對其模型進行了研究，提出了 GIS 中隔離開關(guān)的設(shè)計方案。對 GIS 隔離開關(guān)兩次的工作機理作了簡單的分析和介紹。本文在闡述 GIS 隔離開關(guān)工作原理的基礎(chǔ)上，對隔離開關(guān)各個參數(shù)的特征進行了詳細的分析，并就如何建立起隔離開關(guān)的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控體系進行了初步的參數(shù)分析。對 GIS 中的隔離開關(guān)進行了性能分析和故障診斷。對 GIS 中的隔離開關(guān)機械性能進行了分析。著重對 GIS 隔離開關(guān)的機械性能進行了分析。其中主要介紹了以TMS320F28335為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，模數(shù)變換電路的設(shè)計，前處理系統(tǒng)的設(shè)計，PWM 電路的設(shè)計，電源電路的設(shè)計，存儲電路的設(shè)計等。