隔離開關(guān)位置輔助判斷技術(shù)比較研究

謝青洋，程鵬，白翠芝，楊麗，陳君

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217； 2.云南電網(wǎng)有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650011； 3.云南電網(wǎng)有限責任公司云溪供電局，云南 玉溪 653100； 4.云南電網(wǎng)有限責任公司普洱供電局，云南 普洱 665000）

0 前言

近年來隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，電網(wǎng)公司不斷推動智能設(shè)備和相關(guān)新技術(shù)的研究和應用，為進一步實現(xiàn)遠方巡視、遠方操作和無人化生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。在這些新技術(shù)的試點中，由于變電站程序化操作表現(xiàn)出“大幅度提高現(xiàn)場倒閘操作效率”的特點[1]，得到了各個供電局的重點關(guān)注。

變電站程序化操作是指由計算機、智能電子裝置、操作機構(gòu)等按照嚴格的操作條件、規(guī)范的操作順序，代替現(xiàn)場人工自動完成一系列設(shè)備的倒閘操作任務(wù)[2]。倒閘操作中最大的設(shè)備風險是分合閘不到位，這會引發(fā)觸頭發(fā)熱、拉弧，存在一次開關(guān)設(shè)備燒毀或爆炸的風險，所以在程序化操作中有一條關(guān)鍵的操作條件——“雙確認”原則，即一次設(shè)備在遠方操作時，應有至少兩個非同樣原理或非同源指示發(fā)生對應變化，且所有這些指示均已發(fā)生對應變化，方可確認該設(shè)備已操作到位。

目前，程序化操作只考慮“運行、熱備用、冷備用”三個狀態(tài)間的倒閘操作，涉及操作的一次設(shè)備主要是斷路器和隔離開關(guān)。工程實踐上，一般選擇斷路器和隔離開關(guān)的分合位置輔助接點作為“雙確認”的主判據(jù)，選擇電流電壓等遙測量作為斷路器位置的輔判據(jù)。但是由于隔離開關(guān)位置輔助判斷技術(shù)較多，如何選擇合適的隔離開關(guān)分合位置輔助判斷技術(shù)就成為了程序化操作技術(shù)推廣中的難題。

根據(jù)位置輔助判斷技術(shù)基本原理的類別，本文將對微動開關(guān)、傳感器類和視頻圖像等三大主流技術(shù)的基本原理、典型架構(gòu)、通信方式、安裝方式等進行研究，分析對比上述幾種技術(shù)的特點，提出在現(xiàn)階段可靠性和經(jīng)濟性較高的隔離開關(guān)分合位置輔助判斷技術(shù)。

1 基于微動開關(guān)的輔助判斷技術(shù)

微動開關(guān)可通過機械式接點通斷輸出隔離開關(guān)分合位置，基本原理是外部機械力通過按壓驅(qū)動桿將力作用于動作簧片上，當動作簧片位移到臨界點時產(chǎn)生瞬時動作，使動作簧片末端的動觸點與定觸點快速接通或斷開。

戶外式微動開關(guān)一般安裝在隔離開關(guān)連桿運動部件分、合行程兩端，考慮到戶外環(huán)境條件復雜，會為微動開關(guān)加裝防雨罩以確保微動開關(guān)的可靠動作，對于GIS設(shè)備微動開關(guān)一般安裝于機構(gòu)箱內(nèi)部機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸上。微動開關(guān)無需供電，采用電纜與測控裝置（或智能終端）相連，作為硬接點開入信號直接接入變電站監(jiān)控系統(tǒng)，不需要額外搭建系統(tǒng)[3]，如圖1所示。

圖1 微動開關(guān)的典型接入方式

2 基于傳感器的輔助判斷技術(shù)

在工程實踐中，壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、接近開關(guān)（敏態(tài)傳感器）等技術(shù)均屬于傳感器類輔助判斷技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是利用裝設(shè)在隔離開關(guān)機械轉(zhuǎn)動部分的傳感器采集特定特征量（形變、角度、加速度、磁場、光強、超聲波等），并傳送至接收裝置，經(jīng)處理分析后輸出隔離開關(guān)分合位置。

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器由全橋應變片與特制的結(jié)構(gòu)組成，通過金屬結(jié)構(gòu)壁的彈性變化引起應變片電阻的變化，通過采集電阻特征量的變化值，從而達到判斷動觸頭運動是否到位的目的，一般安裝在隔離開關(guān)兩側(cè)的觸指和導電壁之間[4]。

壓力傳感器的典型接入方式如圖2所示，其采集的特征量由布置在隔離開關(guān)附近的高電位采集單元以無線的方式傳輸至接收裝置（綜合IED），接收裝置處理分析后得到該隔離開關(guān)的分合狀態(tài)，并發(fā)送至變電站監(jiān)控系統(tǒng)。其中，協(xié)調(diào)器起到無線接收和加密的功能。

圖2 壓力傳感器的無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2 姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器是基于MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)的高性能三維運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，它由三軸角度傳感器、三軸加速度計、三軸磁力計、高性能處理器（MCU）、電源電路等組成。角度傳感器用于測量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運動、加速度計用于測量設(shè)備的受力情況、磁力計用于解算設(shè)備與北的夾角，通過計算上述三個特征量，可以更精確的檢測設(shè)備的方向、搖晃、單擊、雙擊、下落、傾斜、運動、定位、沖擊或振動等運動[5]，如圖3所示。對于戶外隔離開關(guān)，姿態(tài)傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸或拐臂處，而GIS設(shè)備的姿態(tài)傳感器一般安裝在機構(gòu)箱內(nèi)的電動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)部分。

圖3 姿態(tài)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

姿態(tài)傳感器通過電纜把角度傳感器、加速度計、磁力計采集的特征量發(fā)送給每個隔離開關(guān)間隔的接收裝置，由接收裝置處理分析后得出隔離開關(guān)分合位置，作為開入信號接入相應測控裝置（智能終端），典型接入方式如圖4所示。

圖4 姿態(tài)傳感器接入監(jiān)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

2.3 接近開關(guān)（敏態(tài)傳感器）

接近開關(guān)是一種無需與運動部件進行機械直接接觸就可以動作的傳感器，當物體接近開關(guān)的感應面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使接近開關(guān)輸出變位信號，從而判斷隔離開關(guān)的分合位置。其核心是敏態(tài)傳感器，當有物體移向接近開關(guān)，并接近到一定檢出距離時，敏態(tài)傳感器進行“感知”并輸出變位信號。根據(jù)敏態(tài)傳感器的類型不同，可以把目主流的接近開關(guān)分為磁感應接近開關(guān)、光電式接近開關(guān)、超聲波接近開關(guān)。

1）磁感應接近開關(guān)：磁感應式接近開關(guān)由運動的無源永磁部分（磁鋼）和固定的有源信號磁感應傳感器組成，信號感應部分包括磁感應器件干簧管、微處理芯片等。干簧管是一種磁敏位移傳感器，基本形式是將兩片磁簧片密封在玻璃管內(nèi)，中間間隔有一小空隙，當外來磁場時將使兩片磁簧片接觸導通，當磁體被拉到遠離干簧管時，干簧管開關(guān)將返回到其原來的位置[6]。磁鋼一般安裝在隔離開關(guān)轉(zhuǎn)軸或者拐臂等運動部分，對應的磁感應傳感器則固定在分合位置的限位處。

2）光電式接近開關(guān)：光電式接近開關(guān)的核心是光敏傳感器[7]，它把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到檢測運動對象是否達到預定位置的目的。光電接近開關(guān)的敏傳感器安裝在隔離開關(guān)分、合位的到位處，檢測板安裝在隔離開關(guān)的連桿或者轉(zhuǎn)軸部分，隨隔離開關(guān)分合一起運動，當檢測板接近分（合）位置處的光敏傳感器時，檢測到光強的變化，從而輸出相應到位信號。

3）超聲波接近開關(guān)：超聲波接近開關(guān)是用于檢測物體間距離然后做出相應動作的一種傳感器，對臟物、環(huán)境光線或噪聲不敏感，其敏態(tài)傳感器是超聲探頭。超聲波接近開關(guān)只借助于空氣介質(zhì)進行工作，可以檢測可反射超聲波的任何物體。超聲探頭循環(huán)發(fā)射超聲波脈沖，這些脈沖被物體反射后，所形成的反射波被接收并轉(zhuǎn)換成一個電信號，分析接收裝置對電信號進行計算后就可得到物體間的距離。超聲探頭一般裝設(shè)在隔離開關(guān)的連桿的運動部分，分析裝置固定在分合位置的到位處，通過采集超聲探頭發(fā)出的聲波脈沖來檢測隔離開關(guān)的分合到位情況。

上述3種接近開關(guān)的典型接入方式基本一致，均由傳感器負責特征量（形變、角度、加速度、磁場、光強、超聲波等）的采集，通過電纜或者無線通信的方式發(fā)送至接收裝置，接收裝置對特征量進行處理和分析后得出隔離開關(guān)分合狀態(tài)，并且通過電纜以開入信號的方式傳給測控裝置（或智能終端）來接入變電站監(jiān)控系統(tǒng)，不需要搭建額外系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 接近開關(guān)的典型接入方式

3 視頻圖像識別的輔助判斷

由攝像頭拍攝隔離開關(guān)實時運行狀態(tài)，把相關(guān)對象的視頻圖像傳輸至變電站視頻圖像處理服務(wù)器，基于模糊識別、深度學習、圖像識別等算法，通過分析隔離開關(guān)相關(guān)部位特征參量，綜合得出隔離開關(guān)分合位置狀態(tài)。

要實現(xiàn)攝像頭對隔離開關(guān)狀態(tài)的準確捕捉，攝像頭類型和布點方案的選擇需結(jié)合現(xiàn)場實際決定[8]，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，供視頻圖像主機分析處理的視頻圖像除了來源于固定式攝像頭之外，還可來源于巡視機器人、軌道機器人等視頻源[9-10]。布置在隔離開關(guān)附近的攝像頭通過有線或者無線的方式把視頻圖像傳輸至變電站視頻圖像處理服務(wù)器，經(jīng)識別算法處理后輸出隔離開關(guān)位置狀態(tài)，根據(jù)開關(guān)位置結(jié)果的輸出形式，視頻圖像識別技術(shù)的典型結(jié)構(gòu)一般有硬接點輸出和經(jīng)反向隔離裝置輸出兩種形式。硬接點輸出是指，視頻圖像識別服務(wù)器得到隔離開關(guān)分合位置結(jié)果后，通過I/O開出裝置無源硬接點輸出給I區(qū)的測控裝置，最終接入變電站監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)反向隔離輸出是指，視頻圖像識別服務(wù)器得到隔離開關(guān)分合位置結(jié)果后，通過反向隔離裝置輸出至變電站監(jiān)控系統(tǒng)，但由于反向隔離裝置的通信協(xié)議與站控層不同，所以需要在隔離裝置和監(jiān)控系統(tǒng)間加裝規(guī)約轉(zhuǎn)換器。

4 位置輔助判斷技術(shù)的對比

基于對上述三大類隔離開關(guān)分合位置輔助判斷技術(shù)基本原理、安裝方式、典型接入方式的研究，分析對比上述技術(shù)的主要特點如下：

1）微動開關(guān)的特點是元件可靠、原理簡單、性價比高。由于微動開關(guān)無需供電，直接以電纜與監(jiān)控系統(tǒng)連接即可完成分合位置采集，故可靠性較高，且以云南電網(wǎng)運行檢修人員的現(xiàn)有技術(shù)水平可以獨立完成微動開關(guān)的安裝、調(diào)試、更換、維護工作。

2）傳感器類技術(shù)的特點是技術(shù)先進、原理復雜、安裝維護不方便。只要能夠正確采集和處理相關(guān)特征量，該技術(shù)可以準確識別隔離開關(guān)的分合位置。但需考慮的實際情況是，傳感器需要供電，且在隔離開關(guān)所在間隔需要部署相應的接收裝置用于接收傳感器采集的特征量用于處理計算以輸出分合位置結(jié)果，若供電、傳感器、接收裝置任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都將影響雙確認結(jié)果。

3）視頻圖像識別技術(shù)的特點是兼顧遠方巡視要求、系統(tǒng)復雜、成本較高、自動識別準確度不高。其準確度依賴于光感器件成像質(zhì)量和圖像識別算法，現(xiàn)階段由于某些環(huán)境下成像質(zhì)量不高以及識別算法不成熟，造成自動識別準確度不高。

綜上可得，相較其他兩類技術(shù)，微動開關(guān)是現(xiàn)階段可靠性和經(jīng)濟性較高的隔離開關(guān)分合位置輔助判斷技術(shù)，具體比選情況如表1所示。

表1 隔離開關(guān)位置輔助判斷技術(shù)比選情況

5 結(jié)束語

在電網(wǎng)公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工作要求中，變電站程序化操作將作重點推廣和應用，作為其關(guān)鍵技術(shù)之一的隔離開關(guān)分合位置輔助判斷技術(shù)也將進一步得到研究和發(fā)展。比如，隨著變電站遠方巡視技術(shù)研究的深入，以及視頻圖像識別算法準確度和復雜場景適應性的提高，基于視頻圖像識別的輔助判斷技術(shù)或?qū)⒊蔀榱硪环N可實用化的主要技術(shù)。當然，要提高變電站程序化操作的成功率，最根本的還是要從提高一次設(shè)備的可靠性入手，從根本上消除隔離開關(guān)分合不到位的風險。