10KV環網柜故障下配電網設備檢修系統研究

揚州北辰電氣集團有限公司 席曉波

配電網是電力系統的基礎，承擔著為用戶提供高質量電能的任務，是配電網穩定運行的關鍵環節，其安全性與可靠性具有至關重要的意義。配電網設備長期在戶外作業，會受到大氣腐蝕、化學作用以及天氣環境的影響，設備狀態也會逐漸變壞，直接影響配電網的穩定運行。如何實時檢測、檢修配電網設備狀態成為電力行業重點研究課題之一。

隨著我國智能電網建設的不斷推進，傳統的放射式、樹干式配電網已經無法滿足電網建設以及社會大眾的需求，環式配電網應運而生。環式配電網指的是供電干線可以構成一個閉合的環形，由供電電源向環形干線供電，在干線上一路通過高壓開關向外配電。環式配電網形式中最為關鍵的設備為環網柜。環網柜指的是一組輸配電氣設備，主要安裝在金屬或者非金屬絕緣柜內，核心部件為熔斷器、負荷開關，具有體積小、結構簡單、價格低廉、性能好等優勢。環網柜實質上是一種高壓開關設備，直接決定著環式配電網能否正常作業。

10KV環網柜在現今配電網中應用最為廣泛，性能較佳，但依然存在著一定的缺陷。例如由于10KV環網柜作業次數過多，會導致設備溫度上升，從而破壞環網柜的絕緣層，影響環網柜的整體性能，故提出10KV環網柜故障下配電網設備檢修系統研究。

1 配電網設備檢修系統硬件單元

環網柜故障主要由溫度與振動造成的，故設計系統硬件單元為無線測溫傳感器硬件單元、振動傳感器單元與環網柜數據采集單元，具體硬件單元設計過程如下所示。

1.1 無線測溫傳感器硬件單元

無線測溫傳感器由數字式測溫芯片、CPU、無線通信芯片以及供電電池構成。

依據設計系統需求，數字式測溫芯片選取TMP102芯片；為了保障測溫傳感器的安裝便利性，采用電池供電方式。測溫傳感器供電電池選用2節1000mAh鋰電池，其使用壽命可以長達5年；測溫傳感器CPU選用Microchip公司生產的PIC16F690芯片，該芯片中自帶存儲器，功能為存儲測溫傳感器的唯一地址編號，利用通信線路獲取數字式測溫芯片測量數據。

考慮到硬件單元之間的連接問題，測溫傳感器中CPU芯片需要具備PC817硬件，以此實現電平轉換，方便測溫傳感器與其他硬件單元的連接。

1.2 振動傳感器單元

振動傳感器是設計系統的關鍵硬件之一，其功能為接收環網柜機械量，并將其轉換為與之成比例的電量。振動傳感器實質上是一種機電轉換裝置，故也可將其稱為換能器。

振動傳感器通過高速UART接口和采集單元連接在環網柜上，當環網柜機械開關時，傳感器外殼隨環網柜振動，由慣性質量塊記錄筆記錄下傳感器外殼的相對振動位移幅值，利用標準關系式求解環網柜的振動位移波形。

振動傳感器參數設置情況如表1所示。

表1 振動傳感器參數表

1.3 環網柜數據采集單元

環網柜數據采集單元任務是接收溫度、開關震動位移數據等信息。總體結構由傳感器模塊、下位機、通信模塊、以及上位機組成。上述配置均是依據成本、穩定性、系統開發周期等因素決定的其結構圖如圖1所示。

首先由傳感器從現場采集信號，做初步的信號調理和A/D轉換后，實現數據傳輸，將信號傳輸到下位機完成信號處理等功能，如果系統出現異常則會動作于跳閘或發出報警信號，并將與事故相關的信息存儲起來，實現對設備監控保護的目的，同時將信號通過CAN總線系統上傳，實現與上位機的通信。此外所設計的監測系統還具有較強的抗干擾能力。

上述過程完成了系統硬件單元的設計，但是依然無法實現配電網設備的檢修，故以設計硬件單元為基礎，設計系統軟件模塊。

圖1 硬件結構框圖

2 配電網設備檢修系統軟件模塊

2.1 測溫傳感器軟件模塊

當配電網設備中存在高電流時，電纜易產生高溫故障，導致設備無法運行，因此需要實時監控環網柜溫度狀況。測溫傳感器利用無響應方式向環網柜數據采集單元傳輸采集數據，采樣間隔為30s，數據傳輸間隔為5min。需要注意的是，若溫度數值變化幅度大于2℃或者溫度數值高于75℃時，測溫傳感器實時傳輸數據至環網柜數據采集單元。

測溫傳感器軟件模塊主要任務是設置主程序，具體步驟如下所示：

步驟一：初始化測溫傳感器；配置I/O方向寄存器，并喚醒測溫傳感器；

步驟二：休眠CPU10ms，為溫度信號轉換做準備；

步驟三：喚醒CPU，讀取傳感器溫度數值；

步驟四：判斷是否發送溫度測量數據，若發送溫度測量數據，轉至步驟五；若不發送溫度測量數據，轉至步驟六；

步驟五：喚醒RF子模塊，發送溫度測量數據，發送結束后休眠RF子模塊；

步驟六：I/O口低功耗配置，重新休眠CPU10ms，休眠時間結束后，喚醒CPU，轉至步驟一，直至全部溫度測量數據發送完成結束。

2.2 振動檢測分析模塊

現有研究成果表明，運行狀態良好的環網柜狀態具備極大的相似性，以此為依據，構建一種相對的判斷標準。以已知的環網柜正常狀態為參考，計算環網柜待檢狀態與參考狀態的相似程度，若該數值在一定范圍內，判定環網柜狀態正常；若該數值超出給定范圍，判定環網柜出現故障。

環網柜作業過程中，分、合閘振動強烈，其形成的振動波形屬性為非線性非平穩信號，頻率分布較為隨機，具有極強的不確定性。故利用小波包分析法處理由振動傳感器獲取的振動位移波形。

采用小波包分析法對振動信號進行分解，依據其高頻重構系數計算全電流瞬時值，若數值超過給定閾值，則認為環網柜處于故障狀態。全電流瞬時值計算公式為：

式（1）中，B(n)表示的是環網柜作業的標么值；T(n)表示的是環網柜作業的正常運行時電流幅值；R(n)表示的是環網柜作業的高階細節分量；n表示的是采樣點；m表示的是采樣點總數量。

通過上述硬件單元與軟件模塊的設計，實現了配電網設備檢修系統的運行，為環式配電網穩定運行提供更加有效的保障。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗準備

采用MATLAB軟件設計仿真實驗，驗證設計系統的性能。為了保障仿真實驗的順利進行，充分準備仿真實驗設備以及參數，具體實驗準備內容如下所示。

仿真實驗需要測量環網柜開關動作次數、溫度以及環境溫度等數據，同時還需要開展巡檢、狀態評價等輔助決策等工作。

設置測溫傳感器與振動傳感器數量分別為3與5個，環網柜檢修傳感器如圖2所示。以此來保障采集數據的完整性，增強實驗數據的精確度，得到更加精準的實驗結論。

圖2 環網柜檢修傳感器安裝圖

3.2 實驗結果分析

依據實驗準備情況進行仿真實驗。模擬5類環網柜故障，分別進行5次實驗，取加權平均數作為實驗結果，通過環網柜故障檢測成功率反映設計系統性能，與基于DA的電纜配電環網故障定位與隔離方法對比實驗結果分析過程如下所示。

通過實驗得到環網柜故障檢測成功率數據如表2所示。

表2 環網柜故障檢測成功率數據表

如表2數據顯示，本文方法環網柜故障檢測成功率范圍為78.451%～84.125%，基于DA的電纜配電環網故障定位與隔離方法環網柜故障檢測成功率范圍為45.287%～62.451%。通過對比發現，本文方法設計系統環網柜故障檢測成功率遠高于基于DA的電纜配電環網故障定位與隔離方法，充分說明設計系統性能更佳。

結束語：此研究以10KV環網柜作為研究對象，設計了配電網設備檢修系統，仿真實驗結果表明，設計系統環網柜故障檢測成功率達到78.451%以上，最高達84.125%，極大地提升了環網柜故障檢測成功率，可以為環式配電網的發展與應用提供更加有效的支撐，適合大力推廣與使用。