江奕軍，王麗群，孟浩杰，潘黃萍

（杭州電力設備制造有限公司，杭州310000）

0 引言

近年來物聯(lián)網技術的發(fā)展大大改變了人們的生活，通過云智能分析及大數據整合使信息得以高效利用。同時國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出使電能作為清潔能源成為關注的焦點，同時對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提出了更高的要求。環(huán)網柜在電力系統(tǒng)運行中扮演著重要角色［1-3］，然而在環(huán)網柜的故障中機械特性故障發(fā)生得最多。

本文將物聯(lián)網技術同環(huán)網柜機械特性監(jiān)測系統(tǒng)結合起來進行研究，可以智能化地管理各種設備運行，在研究中發(fā)現應用精確度高的環(huán)網柜監(jiān)測系統(tǒng)能夠在最大限度上減少系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，通過物聯(lián)網技術的智能化分析能夠及時修復系統(tǒng)故障，使系統(tǒng)運行更加安全可靠且減少運維成本［4-5］。

目前大多數學者對于環(huán)網柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究還不夠深入，大部分集中在對環(huán)網柜的溫度、濕度以及局部放電等進行監(jiān)測分析上，而由清華大學高壓絕緣技術研究所研究的高壓斷路器參數測量分析系統(tǒng)對于機械特性的研究是比較全面的。

本文主要對環(huán)網柜的機械特性進行分析研究，通過基于物聯(lián)網的通信技術對環(huán)網柜內部運行狀態(tài)和參數進行在線實時監(jiān)測，應用物聯(lián)網技術將收集的數據上傳。通過本文所提技術可以使運行管理人員實時掌握其內部的運行情況，并通過該運行情況做出相應評估。通過評估結果，運行人員可以發(fā)現環(huán)網柜運行過程中可能出現的故障隱患并及時排除［6］。同時可以根據所得出的數據進行分析計算，記錄故障發(fā)生的次數以便作為監(jiān)測評估的依據，使設備的檢驗周期得到延長并減少檢驗成本［7-10］。

1 環(huán)網柜機械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

環(huán)網柜機械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、下位機、通信、人機交互及上位機等多個模塊組成，系統(tǒng)監(jiān)測到的信號最終反饋到物聯(lián)網平臺對環(huán)網柜進行智能操作與控制。先由前端的傳感器采集系統(tǒng)信號經過調理完成數/模轉換，然后將信號傳輸到下位機并經過信號處理分析，檢測到的信號若發(fā)現異常則系統(tǒng)將對環(huán)網柜進行反饋使其動作（跳閘或發(fā)出預警信號）［11］。同時會將故障信號進行存儲記錄，便于對環(huán)網柜進行更好的檢測與控制，再將信號經過4G/5G 通信模塊上傳到上位機實現物聯(lián)共享，系統(tǒng)總體結構如圖1 所示，圖中CPU 為中央處理器。

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 Overall structure of the system

傳感器型號是根據環(huán)網柜的機械特性進行分析及研究后選用的。環(huán)網柜行程及時間的檢測裝置選用邁恩公司生產的KTM 拉桿式直線位移傳感器和采用增量式光電旋轉的ZSP3806編碼器。環(huán)網柜分/合閘線圈中電流的監(jiān)測采用中旭公司的NC-15LTSR 型霍爾電流傳感器。分/合閘的時間檢測是以分/合閘線圈中有電流流過為開始進行計時，以線圈失電為分/合閘的結束點，從開始計時到結束點的時間即為分/合閘時間［12］。本文中環(huán)網柜監(jiān)測應當滿足的技術參數包括：傳感器量程范圍，（70.0±0.5）g；精 度，0.5%～3.0%；分 辨 率，0.05%～0.50%FS（全量程）。

2 環(huán)網柜機械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器模塊

數據采集模塊包含開關量及模擬量輸入電路。開關量輸入電路如圖2所示。模擬量輸入電路中想要得到適當的電流值，需要串聯(lián)限流電阻來降低發(fā)光二極管的電流，同時2 個二極管還可以實現對光耦的保護與控制。電路中有2個獨立的電源對電路進行供電且分別實現接地，實現2 個電路的完全隔離。模擬量輸入電路由若干個獨立的單通道組成，并且每個單通道都具有較高的傳輸效率來保證數據的實時性。模擬量輸入電路如圖3所示。

圖2 開關量輸入電路Fig.2 Switch quantity input circuit

圖3 模擬量輸入電路Fig.3 Analog quantity input circuit

電路結構中每個單通道都是由單輸入模擬通道及采樣/保持（S/H）電路組成，每個通道的獨立性使電路中數據的轉換及采集可以同步進行且互不影響，從而在交/直流（A/D）轉換器具有相同的轉換頻率時各通道有較高的轉換速率。

2.2 中央控制模塊

為保證系統(tǒng)具備較高的數據信息處理速度及良好的數據傳輸時效性，本文將采用TMS320C5402型數字信號處理器（DSP）及改進型哈佛結構，如圖4所示。其中包含CPU、程序地址總線（PAB）、程序總線（PB）、數據地址總線（DAB）、數據總線（DB）。

圖4 改進型哈佛結構Fig.4 Improved Harvard Architecture

TMS320C5402 芯片的最小工作系統(tǒng)由電源、時鐘、復位、存儲器接口等電路構成。采用內部振蕩器方式的時鐘電路如圖5所示。采用具有監(jiān)測功能的MAX706R 芯片來完成DSP 的自動復位。自動復位電路如圖6所示。

2.3 通信模塊

圖5 時鐘電路Fig.5 Clock circuit

圖6 自動復位電路Fig.6 Automatic reset circuit

由于環(huán)網柜的運行受到環(huán)境的影響，并且基于數據采集處理的特點及監(jiān)測系統(tǒng)功能實現的要求，遠程通信應具備以下功能：（1）允許多機同時主動上傳數據；（2）可以實現數據的大量上傳；（3）具有可靠的通信及電磁兼容能力，以及較高的網絡抗干擾能力；（4）良好的系統(tǒng)兼容性；（5）可與變電站自動化系統(tǒng)實現無縫對接。在環(huán)網柜的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中通信RS-485 總線應用較為廣泛，然而這種傳輸方式所應用的主從式通信可能會影響數據傳輸的時效性［13］。因此，本文通信方式選用4G/5G 通信模塊，使整個監(jiān)測系統(tǒng)性能更強，功能更加完善。

2.4 人機交互模塊

基于物聯(lián)網的環(huán)網柜監(jiān)測系統(tǒng)所要監(jiān)測的參數較多，不僅要求人機交互模塊對所得數據及曲線能夠實時顯示，還需動態(tài)地實時更新顯示界面，因此本文選擇TCM-A0902 液晶顯示模塊。DSP 模塊與TCM-A0902的連接如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)實現

圖7 DSP模塊與TCM-A0902的連接Fig.7 Connection between DSP module and TCM-A0902

本文所設計的基于物聯(lián)網的環(huán)網柜監(jiān)測系統(tǒng)是通過優(yōu)先級的調度機制來實現運行的。整個系統(tǒng)中各個軟件需實現的功能包括數據采集、數據處理、菜單操作、本地錄波、故障判斷與預警及遠程通信。軟件系統(tǒng)流程如圖8 所示，系統(tǒng)的主程序流程如圖9所示。

圖8 軟件系統(tǒng)流程Fig.8 Flow of the system

圖9 系統(tǒng)主程序流程Fig.9 Flow of the main program in the system

3.2 數據采集、通信程序

系統(tǒng)通過中斷控制實現數據采集，使每個序列轉換結構可以產生中斷請求。中斷服務程序的功能是實現數/模信號的轉換，將分/合閘線圈的電流及振動等模擬信號變?yōu)閿底中盘?，中斷程序流程如圖10 所示。通信由4G/5G 通信模塊完成，先通過DSP 發(fā)出數據信號，同時等待上位機接收到信號后給出反饋信號并做好接收數據信息的準備，當DSP收到上位機的應答信號后準備進行數據傳輸，表明握手成功［14-18］。在進行數據傳輸之前相關程序需進行初始化操作；數據傳輸過程中，在相應的數據緩沖區(qū)提取數據并送入發(fā)送器中，準備發(fā)送數據；在數據傳輸完成后進行計數及檢驗，即對采樣點中的數據檢查是否全部發(fā)送完畢，并檢驗傳輸的數據是否有錯，若有錯則重新發(fā)送。通信程序流程如圖11所示。

3.3 行程-時間分析子程序

圖10 中斷程序流程Fig.10 Flow of the interrupt program

圖11 通信程序流程Fig.11 Communication program flow

環(huán)網柜機械特性的行程-時間分析是通過旋轉編碼器輸出的脈沖，得到觸頭的整個位移信號，并在主站內畫出點線進而得到分/合閘曲線圖，再截取曲線圖的中間部分來計算觸頭行程、開距、超行程以及平均分/合閘速度等參數。行程-時間分析子程序流程如圖12所示。

3.4 分/合閘線圈電流分析子程序

要獲取環(huán)網柜線圈的分/合閘電流數據，需要得知分/合閘電流信號中特別的時間點，并通過系統(tǒng)計算得到分閘及合閘的時間，同時需要確認斷路器的工作狀態(tài)是否正常。分/合閘線圈電流處理子程序如圖13所示。

3.5 系統(tǒng)測試

圖12 行程-時間分析子程序流程Fig.12 Flow of the travel-time analysis subprogram

圖13 分/合閘線圈電流處理子程序Fig.13 Processing subprogram of the opening/closing coil current

系統(tǒng)軟、硬件設計完成之后需對系統(tǒng)進行測試，檢測系統(tǒng)是否正常運行且能否實現各個模塊的功能。環(huán)網柜的分/合閘線圈機械特性檢測軟件界面如圖14 所示。分心線圈中電流的分/合閘可經過仿真分析得到。通過對分散包絡導數取絕對值的方法可以很清晰地得到電流信號的突變點。電流信號仿真波形如圖15所示。

圖14 環(huán)網柜分/合閘線圈機械特性檢測軟件界面Fig.14 Interface of the opening/closing coil mechanical characteristics detecting software in the ring network cabinet

圖15 電流信號仿真波形Fig.15 Simulated waveform of current signals

從圖15b 能夠清晰地看出分/合閘發(fā)生的時間點，通過求得分/合閘電流信號分散包絡統(tǒng)計的導數極大值的方法得到電流突變的時間點是非常有效果的方法，完全能夠實現設計所要求的功能。行程-時間監(jiān)測采用脈沖數為2 000、轉速為6 000 r/min 的增量式旋轉編碼器，經過測試試驗得到環(huán)網柜分/合閘旋轉角度為38°，編碼器經過1 次分/合閘操作輸出212 個脈沖，因此可以計算出分/合閘的位移分別為s1和s0，測量精度為0.38，進一步結合分/合閘電流曲線計算出分閘時刻t1，結合合閘曲線計算出合閘時刻t2，計算得到分閘速度為v1=s1/t1，合閘速度為v0=s0/t0，與機械特性儀測量值相比較，通過分析計算得到環(huán)網柜機械特性參數見表1。

表1 機械特性試驗數據Tab.1 Mechanical characteristics test data

4 結束語

本文對基于物聯(lián)網的環(huán)網柜在線監(jiān)測技術進行了研究，對系統(tǒng)進行了軟、硬件設計并分析了各模塊設計流程。研究了各模塊實現電路及相關程序。同時通過改造操作機構的結構設計，利用旋轉編碼器進行試驗驗證，再結合分/合閘線圈電流曲線計算得到環(huán)網柜機械特性參數在允許范圍內，可較好體現環(huán)網柜分/合閘過程，從而驗證了此設計方案的正確性。