云邊端協(xié)同在線校準技術(shù)體系框架的工程應(yīng)用

白志路，張廣輝，田文超，龐樂樂，趙亞杰 ，李鵬飛，王章瑋，袁海文，夏鐵新，黃小泵

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；2.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；3.上海樂研電氣有限公司，上海 201802)

0 引言

隨著經(jīng)濟快速增長，我國電力事業(yè)蓬勃發(fā)展，電力系統(tǒng)容量急劇擴大，相關(guān)電力設(shè)備用量飆升，使得保障電力系統(tǒng)安全、可靠運行日趨重要。SF6作為一種優(yōu)良的絕緣/滅弧氣體，在高壓領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛，目前市場上絕大多數(shù)高壓設(shè)備都采用SF6作為絕緣/滅弧氣體。設(shè)備中SF6氣體含量的變化直接影響絕緣/滅弧性能高低，如果發(fā)生泄漏，將給電力設(shè)備的安全、可靠運行造成重大影響[1-5]。因此，電網(wǎng)運行規(guī)程強制規(guī)定，在設(shè)備投運前和運行中都必須對SF6氣體的密度進行監(jiān)測。而用于監(jiān)測SF6氣體密度的密度繼電器長期工作中觸點易發(fā)生表面氧化、機構(gòu)卡澀、損壞等情況[6-9]，導(dǎo)致不能發(fā)出報警/閉鎖信號，使運行維護人員不能及時發(fā)現(xiàn)問題，及時檢修，這將造成嚴重后果。因此，必須定期校驗密度繼電器[10-11]。

并且隨著電網(wǎng)向智能化發(fā)展[12-17]，智能電網(wǎng)利用通信、計算機、控制等技術(shù)，在很多變電站、換流站完成了智能化改造，實現(xiàn)了SF6設(shè)備的密度在線監(jiān)測，提升了運維的便利性和設(shè)備運行的可靠性。雖然電網(wǎng)設(shè)備密度實現(xiàn)了在線監(jiān)測，但目前用于在線監(jiān)測的密度繼電器的校驗仍必須通過人工校驗方式完成[18]。我國地域遼闊，變電站分布極其分散，實際運行的密度繼電器數(shù)量異常龐大，各電力單位為完成每年的校驗任務(wù)，需要配備大量測試人員、設(shè)備、車輛和SF6氣體，人力、物力投入巨大，這給電力系統(tǒng)運行維護帶來很大的困擾，在校驗過程中還存在諸多問題，如：

1)有些未改造的變電站設(shè)備老舊，由于年份久遠沒有設(shè)計校驗接口，校驗時需要現(xiàn)場拆卸密度繼電器，拆裝過程效率低，原有密封性能可能被破壞，導(dǎo)致氣體泄漏；某些密度繼電器安裝位置高，拆裝或現(xiàn)場校驗實施難度大，存在安全隱患；另外，校驗過程中的數(shù)據(jù)采用人工抄錄的方式，極易出現(xiàn)漏寫、錯寫的情況；

2)某些已改造或新建站采用非拆卸方式現(xiàn)場校驗，需拆裝電氣信號回路，帶電作業(yè)時，易引起誤報警或閉鎖信號進入繼電保護，使斷路器無法正常動作，嚴重時會導(dǎo)致惡性事故，校驗過程會排放較多的SF6氣體，造成大氣污染和SF6氣體資源的浪費[19]；

3)校驗過程受到環(huán)境的影響較大，在一些環(huán)境溫度變化較大的地方，校驗的結(jié)果受到很大的影響[20-21]；

4)人工校驗多數(shù)情況在白天進行，易受陽光直射的影響[22]。

為解決這些痛點，考慮到通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，為現(xiàn)代分布式人工智能在工業(yè)現(xiàn)場的實際應(yīng)用落地奠定了很好的基礎(chǔ)。在工業(yè)現(xiàn)場，特別是在一個相對獨立的、范圍較大但空間尺度不超過數(shù)百米的工業(yè)生產(chǎn)單元內(nèi)，比如在一個大型變電站或者在一個大型生產(chǎn)車間內(nèi)，往往使用了許多同類的檢測儀表，對不同部位的同類參數(shù)進行檢測，這些儀表參數(shù)是對工業(yè)生產(chǎn)過程狀態(tài)正常與否的重要表征，對于安全生產(chǎn)非常關(guān)鍵。作為檢測儀器，它在使用中的檢測性能如何，在長期的使用中精度是否發(fā)生了變化等等，是工業(yè)生產(chǎn)過程中關(guān)注的焦點。回應(yīng)這些關(guān)注，需要用到校準技術(shù)。儀器儀表的校準，可通過離線或者在線的方式來完成。離線就是儀表拆卸下來，拿到工廠的計量部門或者專門的計量單位，用專業(yè)儀器完成校準，這不僅影響生產(chǎn)過程，而且還有諸多潛在的隱患和不便。針對這種背景，本文采用云邊端協(xié)同的思路，結(jié)合分布式人工智能與自動化的思想，提出了一種統(tǒng)一完成工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表在線校準的技術(shù)體系框架，如圖1所示。

然后，本文進一步通過用戶、研究和制造單位三方面的密切配合，通過多次研討，在圖1所示的云邊端協(xié)同完成在線校準的技術(shù)組成框架的指導(dǎo)下，針對SF6氣體密度繼電器在線校準工程實際中進行了應(yīng)用實踐，取得了比較好的實際效果，這也驗證了這個框架在工程實際中應(yīng)用的可行性和有效性。在工程實踐中，借助于一個變電站已有的計算機資源(相當(dāng)于“邊”的位置)和現(xiàn)場總線技術(shù)，我們研制了輕量化的在線校準裝置，直接安裝于變電站各個設(shè)備的SF6氣體監(jiān)測點，這相當(dāng)于“端”的位置。變電站的監(jiān)控計算機可以借助電力骨干通訊網(wǎng)，將信息上傳到一個縣、地區(qū)、省、甚至國網(wǎng)電力調(diào)度中心，這相當(dāng)于“云”的位置。在技術(shù)實現(xiàn)過程中，采用云邊端協(xié)同設(shè)計，為每個“端”處研制一款輕量化校準裝置，統(tǒng)一安裝在現(xiàn)場，與“邊”通過現(xiàn)場總線交互協(xié)同，完成SF6氣體密度繼電器在線校準；在“邊”位置開發(fā)計算機軟件，用于管理其區(qū)域內(nèi)全部“端”處繼電器的校準流程下載、校準結(jié)果換算、分析以及根據(jù)需要將結(jié)果上傳云端。在本次實踐中，“云”端軟件功能與“邊”端類似，只是管理的校準儀器數(shù)量更多、地域分布更廣泛而已。

圖1 云邊端協(xié)同完成在線校準的技術(shù)組成框架示意圖

1 云邊端協(xié)同完成工業(yè)現(xiàn)場儀表在線校準的技術(shù)框架

參見圖1，協(xié)同完成工業(yè)現(xiàn)場儀表在線校準的技術(shù)框架一般由云邊端三層組成(也可以根據(jù)區(qū)域規(guī)模和實際需要由云邊或者邊端兩層組成)。底層的“端”對應(yīng)著工業(yè)現(xiàn)場每一個具體的儀器儀表安裝位置；中間層“邊”對應(yīng)著一系列處于一個相對獨立封閉物理區(qū)域的一系列“端”的集合，比如處在同一個生產(chǎn)車間或者同一個變電站空間的一組分布在不同具體監(jiān)測點的儀器儀表。這個區(qū)域就是中間層“邊”，在這個位置常常配置了一些監(jiān)控車間或者變電站整體的監(jiān)控計算機，它們有比較強的計算及存儲能力。每一個邊和它所對應(yīng)區(qū)域的端集合之間可以依靠現(xiàn)場總線協(xié)議來建立交互鏈接，這既簡單經(jīng)濟可靠，又適應(yīng)性強易于維護。可選擇的現(xiàn)場總線類型很多，如485、CAN、Profibus、Lonworks、CC-link和HART總線等。連接介質(zhì)可選擇有線或者無線，有線可選擇電纜或光纜。這種多樣性也為適應(yīng)不同門類的工業(yè)現(xiàn)場提供了強有力的支持?！霸啤倍丝梢圆捎谜麄€工廠、整個供電行業(yè)的服務(wù)器中心，乃至租用阿里云、百度云等來實現(xiàn)。云端和所有的邊端集合可以采用互聯(lián)網(wǎng)的形式來完成交互連接，從而可使在線校準過程的執(zhí)行實施不受時間和空間等因素的制約與限制。

有了這個技術(shù)框架，我們不僅不用人工進行離線校準、記錄并匯總數(shù)據(jù)，而且能在任何有需要的地域范圍內(nèi)、時間尺度內(nèi)，通過云邊端的協(xié)同來建立大范圍、跨時空的行業(yè)儀器儀表在線校準系統(tǒng)，這種協(xié)同優(yōu)勢體現(xiàn)在如下方面：

1)設(shè)計實現(xiàn)協(xié)同：針對圖1框架體系的技術(shù)實現(xiàn)過程，在設(shè)計階段，考慮到“端”的數(shù)量眾多，對于端測點在線校準裝置的設(shè)計，可以通過借用“邊”處的計算存儲資源來大幅度簡化其機構(gòu)組成，端處的校準裝置可以采用輕量化技術(shù)實現(xiàn)，既不配置強大的計算存儲資源，也不配置人機交互資源。只要配置緊湊簡化的激勵控制、響應(yīng)回采及現(xiàn)場總線接口功能即可，可以采用硬件狀態(tài)機或者單片機實現(xiàn)。校準流程由“邊”直接下載給每一個“端”，“端”處按照固定流程執(zhí)行并將回采結(jié)果上傳“邊”，由“邊”對每一個“端”的校準結(jié)果進行處理和管理。

2)校準使用協(xié)同：對于儀器的校準流程，根據(jù)管理水平的提高，其流程可能需要改變或者優(yōu)化。對于全局的、整體的變化，則可以通過云端把改變后的流程統(tǒng)一分發(fā)給邊，由邊下載給每一個端；如果改變發(fā)生在局部，則由云端將流程下發(fā)給相應(yīng)的邊，再由邊下載給其下諸端。另外，在這個框架中，可以實現(xiàn)任意的校準過程，而不受時空制約，比如對某一批次的儀表校準、對抽檢儀表校準、對某一區(qū)域的儀表校準等等，這些校準策略都可以非常容易地通過云邊端的協(xié)同配合，高質(zhì)高效地用自動化的流程完成。

3)結(jié)果分析協(xié)同：云邊端協(xié)同，可完成校準結(jié)果的跨區(qū)域、跨時段等條件下的高質(zhì)量的分析。每個邊將所有端的校準結(jié)果統(tǒng)一匯總后，上傳到云端，借助于云端強大的計算存儲資源，既能保存長時間的海量數(shù)據(jù)，對校準大數(shù)據(jù)完成大范圍的統(tǒng)一處理分析，又能用現(xiàn)代人工智能技術(shù)，進行深度地挖掘，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的規(guī)律性和知識性的內(nèi)容，為儀表的高質(zhì)量生產(chǎn)改進，為儀表使用單位的安全生產(chǎn)、維護保障提供增值服務(wù)。

4)維護保障協(xié)同：在這個框架下，通過云端很容易通過對校準結(jié)果的綜合分析處理，完成整個單位或者整個行業(yè)維護保障工作的整體規(guī)劃。根據(jù)云端的處理結(jié)果，能夠?qū)π什缓细竦膬x器儀表的安全排查、維護更換工作，根據(jù)實際情況按需要制定出統(tǒng)一的維護保障工作計劃。這對單位或者行業(yè)整體管理績效提升，意義很大。

2 安裝于端處的SF6密度繼電器在線校驗裝置的研制

安裝在端部的SF6密度繼電器在線校驗裝置(以下簡稱在線校驗裝置)具備在線監(jiān)測、校驗、信號切換、自診斷、信息存儲等功能。在達到預(yù)設(shè)的校驗時間后，在線校驗裝置會在對密度繼電器校驗前，診斷自身各功能單元是否正常，自檢通過后，在線校驗裝置按照邊(云)側(cè)設(shè)定的固定流程自動完成在線校驗工作。研制的裝置實物如圖2所示。它不僅具備在線校準現(xiàn)有密度繼電器的功能，而且還可替換原來安裝于端部的密度繼電器，或者形成備份監(jiān)測能力。

圖2 SF6密度繼電器在線校驗裝置

2.1 在線校驗裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖3所示，在線校驗裝置安裝在電氣設(shè)備和普通密度繼電器之間，用于在線監(jiān)測、校驗、信號切換、信息存儲。其結(jié)構(gòu)主要由電控閥、基座、調(diào)壓機構(gòu)、智控模塊等構(gòu)成。電控閥的一端與被監(jiān)測的電氣設(shè)備連通，另一端與基座連通，基座的另外4個面，分別連接普通密度繼電器、調(diào)壓機構(gòu)、智控模塊和補氣口；普通密度繼電器、調(diào)壓機構(gòu)、智控模塊、補氣口之間的氣路相互連通，壓力始終保持一致。其中，智控模塊內(nèi)含有壓力傳感器、溫度傳感器、采集控制器等元件。在校驗時，智控模塊首先切斷密度繼電器與后臺接點信號之間的連通，保持正常工作時的信號狀態(tài)；之后，電控閥切斷被測電氣設(shè)備與密度繼電器之間的氣路連通，然后調(diào)壓機構(gòu)對密度繼電器內(nèi)部的壓力進行升壓或降壓，觸發(fā)密度繼電器的接點動作；同時，智控模塊實時采集接點動作壓力、溫度數(shù)據(jù)，并計算出密度繼電器動作接點值；最后，智控模塊基于內(nèi)部算法數(shù)學(xué)模型通過程序計算、數(shù)據(jù)分析，最終輸出校驗結(jié)果。

1.電氣設(shè)備;2.普通密度繼電器;3.在線校驗裝置;4.電控閥;5.基座;6.調(diào)壓機構(gòu);7.智控模塊;8.接點信號線。

2.2 在線校驗裝置的密度換算模型

校驗過程中，壓力傳感器和溫度傳感器將實時采集壓力、溫度信息，普通密度繼電器與壓力傳感器氣路連通，壓力傳感器采集的壓力與密度繼電器的實際壓力相等，而溫度由于存在溫度梯度，各個空間點溫度存在差異，假設(shè)密度繼電器與壓力傳感器經(jīng)過充分恒溫，達到溫度平衡后，二者溫度相等，由Beattie-Bridgman(貝蒂—布里奇曼)經(jīng)驗公式可推算出輸出信號的密度值。

P=(RTB-A)d2+RTd

A=73.882×10-5-5.132105×10-7d

B=2.50695×10-3-2.12283×10-6d

R=56.9502×10-5

式中，P為壓力(×0.1 MPa)；d為密度(kg/m3)；T為溫度(K)。

由布里奇曼公式可知，SF6氣體的狀態(tài)可由氣體壓力、密度和溫度3個參數(shù)確定。當(dāng)溫度一定時，氣體的壓力和密度一一對應(yīng)。因此，按照電力系統(tǒng)的習(xí)慣，氣體的密度都統(tǒng)一換算為20℃時的壓力值，用它表征密度。所以本文所述的密度采用氣體20℃時的壓力來表征。

2.3 在線校驗裝置的軟硬件設(shè)計

在線校驗裝置采取輕量化并且替代原有密度繼電器全部功能的思路研制，用STM32F7xx系列高性能芯片為核心控制單元，基于多傳感器融合技術(shù)思想，應(yīng)用多個高精度壓力和溫度感知單元，并具有簡單的數(shù)據(jù)存儲、診斷分析、總線傳輸?shù)裙δ?。在線校驗裝置投運過程中包含兩種工作狀態(tài)：分別為在線實時監(jiān)測狀態(tài)和校驗狀態(tài)。當(dāng)工作在實時監(jiān)測狀態(tài)時，智控單元實時采集溫度、壓力傳感器數(shù)據(jù)，并依據(jù)內(nèi)置算法進行換算，并響應(yīng)后臺系統(tǒng)(即“邊”位置的監(jiān)控計算機)上傳數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)遠程密度在線監(jiān)測，參與設(shè)備漏氣缺陷判斷決策。當(dāng)工作在校驗狀態(tài)時，裝置首先會進行自檢，滿足校驗條件后再進行信號切換、閥門開閉、調(diào)壓等一系列操作(具體見3.2校驗流程)，最終實現(xiàn)密度繼電器接點精度的在線校驗。

3 在線校驗裝置的工作流程

安裝于變電站每個檢測點的氣體密度繼電器輸出的觸點信號與電力系統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)直接相連，校準前必須完成信號狀態(tài)的暫存與切換。完成信號切換后，可以按照既定的流程完成在線校準。校準過程結(jié)束后，再恢復(fù)原狀。

3.1 接點信號切換

在線校驗裝置在校驗過程中，首先需要對密度繼電器接點信號經(jīng)過狀態(tài)保護及隔離處理，因為這些接點直接與后臺或二次回路連接，接點動作信號會引發(fā)誤報警事故，為了避免這種情況，在線校驗裝置設(shè)計了接點信號切換電氣回路，該電氣回路可在密度繼電器校驗期間將密度繼電器與后臺之間的信號切斷，使后臺信號保持為正常工作時的狀態(tài)，可避免密度繼電器在校驗期間發(fā)出誤報警信號。圖4為某一接點回路接點信號切換的原理圖，以常開接點密度繼電器接點信號切換為例，當(dāng)密度繼電器正常工作時，繼電器J1、J2為常閉狀態(tài)，繼電器PJ為常開狀態(tài)；在校驗時，先使J1、J2、PJ開路，完成校驗后恢復(fù)J1、J2閉合，PJ打開狀態(tài)，后臺信號保持為密度繼電器正常工作狀態(tài)。

1.電控閥;2.調(diào)壓機構(gòu);3.智控模塊;4.智控單元;5.信號切換回路;6.輔助開關(guān)。

3.2 校驗流程

在線校驗裝置自動執(zhí)行密度繼電器的校驗工作前，必須預(yù)先設(shè)置校驗的開始時間，設(shè)置開始校驗時間有兩種途徑，一是在設(shè)備投運前設(shè)定，另一個是在設(shè)備運行過程中由“邊”通過485通信接口或遠程通信接口設(shè)定。以三接點密度繼電器為例，校驗流程如圖5所示。

圖5 校準邏輯流程圖

步驟1：安裝表計時預(yù)設(shè)定好校驗的具體時間，或利用云邊端軟件預(yù)設(shè)置校驗時間；

步驟2：確認是否到達預(yù)設(shè)的校驗時間；

步驟3：通過電子電路使后臺的信號保持在正常狀態(tài)，不受密度繼電器接點動作的影響；

步驟4：關(guān)閉電控閥、啟動升降壓機構(gòu)；

步驟5：采集接點動作時的溫度壓力，并判斷校驗是否完成；

步驟6：打開電控閥，讓本體氣室的氣體與密度繼電器相連；

步驟7：使密度繼電器與后臺信號直接相連，恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；

步驟8：根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算動作點的密度值，把結(jié)果呈現(xiàn)在邊云處的指定顯示界面；

4 邊端(或者云端)軟件設(shè)計

在這里，邊端或者云端的軟件大部分功能類似，只是管理的校準區(qū)域大小和密度繼電器規(guī)模不同而已。如圖6所示，邊云端的軟件界面包括運行數(shù)據(jù)信息、系統(tǒng)參數(shù)配置信息、運行故障信息等。運行數(shù)據(jù)信息主要顯示軟件的動作值、返回值、切換差等；系統(tǒng)參數(shù)配置主要用于配置監(jiān)測一般的參數(shù)，校驗時間，系統(tǒng)保護等信息；運行故障信息通常顯示系統(tǒng)識別出的故障，監(jiān)測系統(tǒng)是否正常。

圖6 邊(云)端軟件交互界面圖

5 在線校驗裝置功能、性能的實驗測試分析

在同一環(huán)境下，選用某一廠家規(guī)格型號(產(chǎn)品編號：2106 H574，參數(shù)：0.40/35/0.35 MPa)作為被校密度繼電器，被校密度繼電器與測試設(shè)備經(jīng)過充分恒溫后，分別采用在線校驗裝置和經(jīng)計量院校準的密度繼電器校驗儀(以下簡稱校驗儀)對其精度進行對比測試，以驗證在線校驗裝置與校驗儀之間精度的差異，以及驗證在線校驗裝置自身的一致性和重復(fù)性，測試中，用一個臺式機模擬云邊端的計算機資源，軟件在其上運行，如圖7所示。

1.氣罐;2.被校密度繼電器;3.在線校驗裝置;4.接點信號線;5.校驗儀;6.電源;7.模擬云邊側(cè)的計算機。

表1為校驗儀和在線校驗裝置對密度繼電器重復(fù)校驗30次的測試結(jié)果。結(jié)果顯示，校驗儀測量該表的表數(shù)據(jù)在0.358 4～0.360 8 MPa之間波動，在線校驗裝置數(shù)據(jù)在0.358 7～0.361 1 MPa之間波動，二者波動范圍均為0.002 4 MPa(如圖8所示)，其精度相近，該數(shù)值的波動主要來自于普通密度繼電器本身和測量儀器的不確定度。

圖8 校驗儀、在線校驗裝置波動性測試結(jié)果

表1 用校驗儀、在線校驗裝置校驗同一密度繼電器的數(shù)據(jù)

表2為3臺不同的在線校驗裝置對同一只密度繼電器重復(fù)校驗30次的測試結(jié)果。結(jié)果顯示，3臺在線校驗裝置的測試數(shù)據(jù)波動范圍為0.358 2～0.360 9 MPa，3臺裝置的波動范圍在0.002 7 MPa范圍內(nèi)(如圖9所示)，表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。

圖9 不同在線校驗裝置一致性測試結(jié)果

表2 用3臺不同的在線校驗裝置校驗同一密度繼電器的數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

研究提出了一種云邊端協(xié)同完成工業(yè)儀器儀表免拆卸在線校準的技術(shù)實現(xiàn)框架，在該思路指導(dǎo)下，選擇電力行業(yè)普遍采用的SF6密度繼電器的校準問題進行了工程實踐。首先研制了適用于邊端的在線校準裝置，介紹了其工作原理和技術(shù)實現(xiàn)過程，并開發(fā)了與之配套使用的云邊軟件。對于整套系統(tǒng)，不僅在實驗室完成了功能驗證，而且已經(jīng)開始在變電站現(xiàn)場進行應(yīng)用示范。

針對其中最重要的環(huán)節(jié)，用于端部的輕量化在線校驗裝置，在實驗室對其性能和功能進行了實驗測試分析，實驗結(jié)果表明：在線校驗裝置既能獨立使用，又能與現(xiàn)有的普通密度繼電器配合使用，可實現(xiàn)顯示、接點報警/閉鎖、在線監(jiān)測、校驗、信號切換、自診斷、信息存儲等功能，滿足電網(wǎng)自動化和設(shè)備狀態(tài)檢修的需要，對提高系統(tǒng)的安全運行和運行管理水平，開展預(yù)期診斷和趨勢分析，減少無計劃停電檢修起到重要作用。這個裝置投運后，還能夠主動將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、自身運行狀況和表計的校驗診斷信息推送給客戶，實現(xiàn)無需人工干預(yù)、免維護，有問題時精準定位，可以有效解決以往密度繼電器檢修時需停電，校驗困難的問題。對電網(wǎng)公司節(jié)省人工、材料、檢測成本，降本增效，減少SF6氣體排放到大氣中，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。