配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究

徐一銘+劉楊濤

摘 要：智能變電站具有信息化、數(shù)字化以及操作可視化等特點(diǎn)，是未來電網(wǎng)發(fā)展中的一個核心環(huán)節(jié)。因此對于變電站設(shè)備的監(jiān)控直接影響著電能輸送的質(zhì)量，鑒于此，文章對配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究進(jìn)行簡要分析，并且介紹了斷路器狀態(tài)檢測和故障診斷，從而更深入地掌握該監(jiān)測設(shè)備的實際功效。

關(guān)鍵詞：配電設(shè)備；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

中圖分類號：TM845 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）30-0101-02

配電設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)，主要是針對設(shè)備實際工作狀態(tài)，通過現(xiàn)代化的監(jiān)測手段以及科學(xué)有效的評價手段，來判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和使用壽命。通過配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，可以自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和檢測等功能，同時，具備支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動等高級功能，提高配電設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。因此，在線監(jiān)測和狀態(tài)檢修時，配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是智能變電站自動化水平的體現(xiàn)，是未來電網(wǎng)發(fā)展的主要方向。本文就對配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的功能架構(gòu)設(shè)計

配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，主要針對變電站內(nèi)的變壓器、電壓互感器、電流互感器、電容器、斷路器以避雷器等設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測。配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

由上圖可知，配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要通過在線診斷的方式，通過對歷史數(shù)據(jù)、在線實時數(shù)據(jù)來判斷配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為后期設(shè)備的檢修和保養(yǎng)提供必要的理論依據(jù)。具體包括變電站內(nèi)的變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置；電壓互感器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置；電流互感器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置；電容器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置；斷路器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置以及避雷器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置。

1.2 系統(tǒng)功能

配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要功能包括提供配電設(shè)備在線或者非在線監(jiān)測信息的瀏覽；智能診斷；故障分析、預(yù)測和評估等。配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要采用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用戶可以通過瀏覽器查詢配電設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)信息，同時可以借助主機(jī)對配電設(shè)備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，并將最終結(jié)果反饋給用戶。智能診斷主要涉及到變電站內(nèi)的變壓器、電壓互感器、電流互感器、電容器、斷路器以避雷器等設(shè)備，狀態(tài)監(jiān)測裝置具有數(shù)據(jù)信息事實錄入功能、數(shù)據(jù)修改、查詢以及顯示和打印功能，故障診斷采用了人工智能理論，能夠準(zhǔn)確有效的指出設(shè)備的實時狀態(tài)，并且根據(jù)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和工作狀況，預(yù)測設(shè)備未來的云翔狀態(tài)，能夠?qū)撛诠收想[患進(jìn)行有效預(yù)判。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或者災(zāi)害時，系統(tǒng)可以幫助分析該設(shè)備發(fā)生故障的具體原因，并且計算損失，便于對故障采取進(jìn)行及時有效的維護(hù)處理，并且將損失降到最低。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計

本文主要從觸頭溫度及行程監(jiān)測兩個方面，分析斷路器的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。斷路器觸頭溫度及行程監(jiān)測系統(tǒng)，采用分布式結(jié)構(gòu)，由一個上位機(jī)監(jiān)測模塊和多個溫度、行程測量模塊構(gòu)成，彼此間通過無線傳輸方式進(jìn)行通信，具體設(shè)計如下。

2.1 斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

溫度、行程測量模塊的硬件設(shè)計主要包括單片機(jī)、傳感器、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、無線射頻芯片以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。通過傳感器對斷路器的觸頭溫度以及行程數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，然后再利用無線通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)模塊進(jìn)行深入分析和處理。溫度、行程測量模塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

從圖2中可以看出，斷路器觸頭溫度、行程測量模塊主要可以分為溫度測量單元、行程測量單元以及無線通信單元三個部分。其中溫度測量單元主要由遠(yuǎn)紅外溫度傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片組成，通過遠(yuǎn)紅外溫度傳感器對觸頭溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，然后在利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片將傳感器監(jiān)測到的電壓信號轉(zhuǎn)換成可供單片機(jī)利用的數(shù)字模擬信號；行程測量單元主要由光電編碼器、信號處理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片以及數(shù)據(jù)存儲器組成；無線通信單元主要通過無線射頻芯片完成對數(shù)據(jù)信息的無線傳輸。無線通信測量模塊對應(yīng)的地址是唯一的，當(dāng)測量模塊接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，與相應(yīng)的地址進(jìn)行比對分析，如果相同則立刻向上位機(jī)恢復(fù)應(yīng)答信號，如果不同，則不做任何回復(fù)。這三個單元主要由單片機(jī)微處理器對其進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收集與傳輸。

2.2 斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

斷路器觸頭溫度、行程測量模塊軟件設(shè)計包括主程序設(shè)計、溫度測量軟件設(shè)計以及行程測量軟件設(shè)計三個部分。

①主程序是接收數(shù)據(jù)，發(fā)送指令的核心環(huán)節(jié)，具體包括接收上位機(jī)發(fā)送的觸頭溫度測量指令、行程數(shù)據(jù)傳輸指令等。主程序的工作流程，如圖3所示。

從圖中可以看出，主程序接收到指令后，根據(jù)不同類別將指令分別傳輸?shù)綔囟葴y量傳輸和行程測量傳輸單元中并完成相應(yīng)的操作，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，主程序進(jìn)行初始化，并進(jìn)入查詢狀態(tài)等待下一次指令的發(fā)送。

②溫度測量軟件由I/O CLOCK和CS共同定義串行接口的6種時序模式。其工作過程主要有模擬量采樣、模擬量轉(zhuǎn)換和數(shù)字量傳輸三個階段。模擬量采樣過程中，CS需要保持高電平，當(dāng)電平變低時，在第三個I/O CLOCK下降沿，開始對輸入模擬量進(jìn)行采樣，采樣周期維持7個I/O CLOCK，并且在第10個I/O CLOCK下進(jìn)行降沿鎖存；在模擬量轉(zhuǎn)換過程中，CS由低電平轉(zhuǎn)換成高電平，I/O CLOCK禁止模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出，此時DATA OUT處于高阻狀態(tài)，單元內(nèi)的CMOS門限檢測器通過檢測一系列電容的充電電壓決定模擬轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的每一位，轉(zhuǎn)換過程不超過21μs；在數(shù)字量傳輸階段，CS由高電平變?yōu)榈碗娖?，允許I/O CLOCK正常工作，并使DATA OUT脫離高阻狀態(tài)，接收上次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。期間需要移出上次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)量對應(yīng)的最高位，下一個I/O CLOCK的下降沿驅(qū)動DATA OUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)量對應(yīng)的次高位，依次第9個I/O CLOCK的下降，沿驅(qū)動DATA OUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)量的最低位，第10個I/O CLOCK的下降沿驅(qū)動DATA OUT輸出一個低電平，以便串行接口的傳輸大于10個時鐘。

在CS的下降沿，上一次轉(zhuǎn)換的最高位MSB，出現(xiàn)在DATA OUT端，10位數(shù)字量通過DATA OUT發(fā)送到微處理器。為了開始傳輸，將需要10個時鐘脈沖，在第10個時鐘脈沖的下降沿，內(nèi)部邏輯把DATA OUT拉至低電平，確保其余位清零。在正常轉(zhuǎn)換內(nèi)，CS端由高電平至低電平的跳變，可以終止該周期，器件將返回到初始狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于可能破壞輸出結(jié)果數(shù)字量，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時，需要將CS拉至低電平。

3 結(jié) 語

綜上所述，伴隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，配電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用越來越普遍，其發(fā)揮的作用也越來越重要。配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，可以對運(yùn)行狀態(tài)下的變壓器、電壓互感器、電流互感器、電容器、斷路器以避雷器進(jìn)行在線監(jiān)測，并且通過相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，對這些設(shè)備的狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷，從而便于技術(shù)的發(fā)現(xiàn)配電設(shè)備的潛在故障，同時，根據(jù)分析結(jié)果對該設(shè)備進(jìn)行檢修和保養(yǎng)，從而提升了配電設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，使其運(yùn)行質(zhì)量得到改善，有效地延長使用壽命，降低電力部門的運(yùn)維成本。

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