基于姿態(tài)傳感器的刀閘狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

山東電工電氣集團(tuán)有限公司 史存?zhèn)?李鳳民 傅春明 張 猛 王 坤 劉恒志

本文設(shè)計(jì)了一套基于多參量姿態(tài)傳感器的組合電器分合閘狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)直接測(cè)量刀閘操縱桿的位置量實(shí)現(xiàn)刀閘位置的精準(zhǔn)判定，在不影響設(shè)備性能的前提下，與原有的刀閘輔助接點(diǎn)判定刀閘位置的方式共同形成了非同源的刀閘位置“雙確認(rèn)”判定系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，為能源物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)起到了積極地推動(dòng)作用。

目前，智慧變電站倒閘操作多采用“一鍵順控”技術(shù)，其中刀閘分合閘狀態(tài)為“一鍵順控”的重要判據(jù)，刀閘遠(yuǎn)方操作時(shí)，至少存在兩個(gè)非同源指示同時(shí)發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，才能確認(rèn)刀閘已操作到位。刀閘分合閘“雙確認(rèn)”的第一種判據(jù)一般采用輔助開關(guān)接點(diǎn)方式判斷位置狀態(tài)。另一種非同源方式主要監(jiān)測(cè)方法有：行程、視頻、壓力、光柵、姿態(tài)傳感器法等監(jiān)測(cè)方式，根據(jù)刀閘傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同的刀閘在位置變化時(shí)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性不同，但主要操動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出姿態(tài)變化，因此第二判據(jù)主要目的是測(cè)量刀閘的姿態(tài)位置。

姿態(tài)傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用在航模無(wú)人機(jī)、車輛船舶、人體運(yùn)動(dòng)分析等測(cè)量方位領(lǐng)域中。本設(shè)計(jì)在不影響設(shè)備性能的前提下，通過(guò)在刀閘操縱桿安裝姿態(tài)傳感器的方式，將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)降堕l狀態(tài)接收裝置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種非同源的刀閘分合閘位置監(jiān)測(cè)方式。與原有的刀閘輔助接點(diǎn)判斷結(jié)果結(jié)合形成刀閘分合閘狀態(tài)“雙確認(rèn)”系統(tǒng)，融合到一鍵順控系統(tǒng)中，保證了設(shè)備刀閘操作安全執(zhí)行。該系統(tǒng)作為刀閘“雙確認(rèn)”的第二判據(jù)，具有高精準(zhǔn)度及免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，可將傳統(tǒng)倒閘144項(xiàng)操作縮減為12項(xiàng)操作任務(wù)，極大提升了工作效率及安全性。作為“一鍵順控”技術(shù)的推廣應(yīng)用，將給智能變電站帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)增加了可靠供電時(shí)長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的能源物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)起到了積極地推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

姿態(tài)傳感器信號(hào)通過(guò)串口將刀閘分合閘狀態(tài)信息發(fā)送給刀閘狀態(tài)接收裝置，刀閘狀態(tài)接收裝置經(jīng)過(guò)解析判斷后，將表示刀閘分合閘狀態(tài)的無(wú)源接點(diǎn)輸出至測(cè)控裝置（常規(guī)站） 或就地裝置（智能站），針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，可設(shè)計(jì)有線傳輸和無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)工況下刀閘監(jiān)測(cè)。刀閘狀態(tài)接收裝置將傳感器的角度、分合閘時(shí)間、刀閘狀態(tài)等信息通過(guò)RS485接口或者網(wǎng)口上傳給后臺(tái)系統(tǒng)，其中，網(wǎng)口信息一般采用IEC61850協(xié)議，后臺(tái)系統(tǒng)可直接部署于變電站輔控平臺(tái)也可部署在單獨(dú)的一鍵順控主機(jī)中。實(shí)現(xiàn)刀閘分合閘狀態(tài)監(jiān)測(cè)和“雙確認(rèn)”功能。圖1所示為傳輸系統(tǒng)框架圖。

2 基于姿態(tài)傳感器的刀閘位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 傳輸系統(tǒng)框架圖

本文所設(shè)計(jì)的刀閘分合閘位置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有姿態(tài)傳感器、刀閘狀態(tài)接收裝置及上位機(jī)信息系統(tǒng)組成。多參量姿態(tài)傳感器通過(guò)測(cè)量刀閘操作桿的姿態(tài)變化量后將信息傳送給信號(hào)接收裝置，從而計(jì)算分析得出刀閘位置信息，通過(guò)軟件算法對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判斷出“分閘到位”、“合閘到位”、“分閘異常”、“合閘異常”四種狀態(tài)。對(duì)于每臺(tái)刀閘設(shè)備分合閘狀態(tài)，輸出3對(duì)接點(diǎn)信號(hào)，2路用于刀閘分合閘狀態(tài)，1路表示傳感器故障接點(diǎn)信號(hào)，傳感器故障接點(diǎn)閉合，正常時(shí)分開。另外，接收裝置通過(guò)IEC61850協(xié)議將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳送給后臺(tái)系統(tǒng)，進(jìn)而與傳統(tǒng)的輔助開關(guān)接點(diǎn)判定刀閘位置的方式共同形成了非同源的刀閘位置“雙確認(rèn)”判定系統(tǒng)。

2.1 多參量姿態(tài)傳感器的設(shè)計(jì)

姿態(tài)傳感器采用加速度計(jì)、磁傳感器、陀螺儀的多參量傳感器和微處理器等構(gòu)成，內(nèi)部嵌入擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，能夠快速精確的解算出航向角、俯仰角和翻滾角等信息，測(cè)量分辨率為0.01°，可進(jìn)行內(nèi)部自校準(zhǔn)。采用獨(dú)立硬件看門狗及高速無(wú)限讀寫次數(shù)鐵電存儲(chǔ)器。具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標(biāo)定、參數(shù)配置、地址設(shè)置等眾多功能，俯仰角/翻滾角測(cè)量范圍-360°～+360°（可自行設(shè)置，最大-1800°～+1800°）；航向角測(cè)量范圍-720°～+720°（可自行設(shè)置，最大-1800°～+1800°）。

2.2 信號(hào)接收裝置的設(shè)計(jì)

信號(hào)接收裝置由微處理器模塊、電源模塊、繼電器模塊、通信模塊和狀態(tài)顯示模塊構(gòu)成。主要完成傳感器刀閘角度量分析、刀閘分合閘狀態(tài)判斷、繼電器無(wú)源接點(diǎn)開出和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議輸出等功能。信號(hào)接收裝置主要技術(shù)指標(biāo)：輸入信號(hào)為18路信號(hào)接入；輸出開關(guān)量信號(hào)為18路常開、常閉接點(diǎn)輸出；電源輸入為AC100-240V；電源輸出3路DC24V輸出。整個(gè)硬件系統(tǒng)以ARM處理器最小系統(tǒng)為核心，通過(guò)不同類型的數(shù)字接口連接各個(gè)功能子模塊組成系統(tǒng)整體框架。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)控制板主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)通信功能：系統(tǒng)控制板通過(guò)串口與姿態(tài)傳感器進(jìn)行通信，獲取姿態(tài)信息。

（2）裝置自檢與故障指示功能：具有裝置自檢功能，包括自身狀態(tài)自檢、傳感器狀態(tài)自檢、通信狀態(tài)自檢等，配備本地故障指示燈，并上傳至上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；信號(hào)接收裝置應(yīng)有傳感器故障就地指示燈，能夠就地判斷傳感器工作狀態(tài)。

（3）防死機(jī)功能：系統(tǒng)設(shè)計(jì)了看門狗芯片監(jiān)測(cè)主控制器的工作狀態(tài)，保證整個(gè)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。一旦主控制器出現(xiàn)死機(jī)狀態(tài)，立即進(jìn)行復(fù)位操作。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

（4）就地調(diào)試功能：信號(hào)接收裝置具備就地調(diào)試功能，能夠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行程序升級(jí)，就地實(shí)現(xiàn)信號(hào)解析、傳感器的地址設(shè)置，具有對(duì)傳感器進(jìn)行精度校準(zhǔn)功能，并可通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)或裝置自身下發(fā)同語(yǔ)言指令，召喚任意一個(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)解析與協(xié)議轉(zhuǎn)換功能：根據(jù)與姿態(tài)傳感器的通信協(xié)議解析所需要的參數(shù)信息，能夠分析傳感器監(jiān)測(cè)到的位置數(shù)據(jù)變化情況，根據(jù)與上層的通信介質(zhì)與協(xié)議，應(yīng)將刀閘的分合閘狀態(tài)和分合閘異常狀態(tài)進(jìn)行協(xié)議封裝上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)（表1、表2）：

表1 對(duì)外接口配置

表2 指示功能配置

硬件電路設(shè)計(jì)：

開出電路板采用2塊標(biāo)準(zhǔn)板，每塊提供12路開關(guān)量；同時(shí)增加3路電源控制，一路負(fù)責(zé)給繼電器供電，一路控制CPU的GPIO口控制信號(hào)；一路控制+24V備用電源輸出。如圖3所示，YK1和COM為遙控輸出的常開接點(diǎn)，K1為繼電器，U1為光電耦合器，起到隔離作用，繼電器K1的線圈3、4腳分別接光耦輸出腳3，24V電源地GND24V，光耦輸出腳4接24V電源正，光耦的輸入管腳1接操作電源VCC_OP，管腳2（YK1_CPU）接到MCU的GPIO口，單片機(jī)通過(guò)輸出高低電平控制光耦的關(guān)斷、導(dǎo)通，從而控制繼電器線圈的電源，達(dá)到控制繼電器觸點(diǎn)分合目的。

RS-485通信電路模塊如圖4所示，電路輸出端通過(guò)TVS二極管增強(qiáng)抗干擾能力，保持通信穩(wěn)定。U5為485收發(fā)芯片，管腳1為監(jiān)測(cè)端口，連接到MCU的UART_RX，管腳4為發(fā)送端口，連接到MCU的UART_TX，管腳2、3為收發(fā)控制管腳，通過(guò)三極管Q1來(lái)控制監(jiān)測(cè)或發(fā)送狀態(tài)，三極管的基極（RS485_CON1）連接到MCU的GPIO，輸出高電平時(shí)為監(jiān)測(cè)狀態(tài)，輸出高電平時(shí)為發(fā)送狀態(tài)，CL1為共模電感，用來(lái)抑制共模干擾，TVS1、TVS2、TVS3為瞬態(tài)抑制二極管，用來(lái)防止浪涌或靜電放電對(duì)電路造成損壞，R14為線路終端匹配電阻，RS485_1_A、RS485_1_B為485電路信號(hào)接口。

2.3 信號(hào)接收裝置系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)接收裝置下位機(jī)軟件采取嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，軟件的整體設(shè)計(jì)思想采用輪詢的方式，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需要執(zhí)行應(yīng)用層相應(yīng)的功能程序，完成系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度與管理。

圖3 開出電路板繼電器控制電路圖

圖4 RS-485通信電路圖

圖5 下位機(jī)軟件架構(gòu)圖

軟件架構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從上到下依次為應(yīng)用層、基礎(chǔ)層和驅(qū)動(dòng)層。如圖5所示。該設(shè)計(jì)可將復(fù)雜功能簡(jiǎn)單化，降低層與層之間的依賴，有利于程序的標(biāo)準(zhǔn)化以及功能的增添或替換。驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)對(duì)底層硬件電路和芯片的訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同功能電路的控制、對(duì)采集芯片的驅(qū)動(dòng)：主要包括SPI讀寫驅(qū)動(dòng)、不同功能的串口驅(qū)動(dòng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)。基礎(chǔ)層位于驅(qū)動(dòng)層的上層，主要負(fù)責(zé)將相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)層封裝成程序服務(wù)單元，給頂層的應(yīng)用層提供簡(jiǎn)單靈活的接口，便于實(shí)現(xiàn)不同功能：主要包括系統(tǒng)參數(shù)配置程序、上電自檢程序、與傳感器之間的通信任務(wù)、與上位機(jī)軟件之間的通信任務(wù)、以太網(wǎng)信息收發(fā)任務(wù)、電壓電流信息采集任務(wù)、狀態(tài)指示輸出任務(wù)、無(wú)源開關(guān)量輸出任務(wù)。應(yīng)用層位于分層結(jié)構(gòu)的最頂層，主要負(fù)責(zé)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等任務(wù)的切換。在應(yīng)用層中，有人機(jī)交互程序、系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、狀態(tài)指示程序。

傳感器數(shù)據(jù)接收與處理：

傳感器接收并處理數(shù)據(jù)流程如圖6所示，傳感器數(shù)據(jù)主要分為姿態(tài)數(shù)據(jù)和地址應(yīng)答。姿態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)分合閘判據(jù)進(jìn)行判斷，并根據(jù)與上位機(jī)的通信協(xié)議將分合狀態(tài)與具體參數(shù)進(jìn)行上傳；地址應(yīng)答是上位機(jī)設(shè)置地址的具體應(yīng)答，信號(hào)接收裝置作為中繼站將設(shè)置結(jié)果反饋給上位機(jī)。

信號(hào)接收裝置：

信號(hào)接收裝置收到上位機(jī)參數(shù)類型與上位機(jī)軟件的功能相關(guān)，主要分為傳感器地址與分組設(shè)置、分合閘角度設(shè)置、分合閘容差角度設(shè)置、分合位標(biāo)定與角度清零等。信號(hào)接收裝置需要根據(jù)接收數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行不同的功能模塊數(shù)據(jù)處理。如圖7所示。

3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)基于VS2017平臺(tái)下的.Net framework4.5框架開發(fā)，由采集平臺(tái)、共享內(nèi)存、智能告警分析、狀態(tài)判別及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分組成。上位機(jī)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想軟件界面如圖8所示。后臺(tái)界面可按照現(xiàn)實(shí)需求靈活編輯，傳感系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)控后臺(tái)，對(duì)傳感器及接收裝置的工作狀態(tài)、自檢的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各刀閘歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分合閘各種異常分合閘特征，分析刀閘健康狀態(tài)，監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)可單獨(dú)部署也可集成到變電站現(xiàn)有輔控平臺(tái)中。

主要功能：完成對(duì)下位機(jī)裝置的通信，包括人機(jī)交互界面、以太網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)圖形顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢下載等。數(shù)據(jù)通信包括地址、編組設(shè)置命令下發(fā)，接收下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)與分合閘判據(jù)等參數(shù)；查詢和配置參數(shù)：IP與端口號(hào)設(shè)置、接收裝置的地址與編組、分合位角度、容差角度等設(shè)置；清零與矯正功能；數(shù)據(jù)解析與展示功能；分合閘狀態(tài)分析；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、下載及導(dǎo)出功能。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)處理流程

圖7 信號(hào)接收裝置接收數(shù)據(jù)處理流程

圖8 上位機(jī)軟件頁(yè)面

圖9 分合閘設(shè)置頁(yè)面

分合閘參數(shù)設(shè)置頁(yè)面，以列表形式方便設(shè)置接收裝置地址、接收裝置地址編組、分位角度、合位角度、分合閾值角度等，可根據(jù)不同電壓等級(jí)和不同類型的刀閘可方便進(jìn)行傳感器配置。如圖9所示。

4 IEC61850通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)

為了后臺(tái)更好的監(jiān)測(cè)刀閘實(shí)時(shí)狀態(tài)，本設(shè)計(jì)通過(guò)采用modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（MMS），將刀閘信息上傳至Ⅲ區(qū)的后臺(tái)可視化系統(tǒng)中或接入變電站現(xiàn)有的輔控系統(tǒng)平臺(tái)。上傳信息包括接收裝置自檢，姿態(tài)傳感器狀態(tài)自檢，失電報(bào)警，狀態(tài)報(bào)告，故障報(bào)警；隔離開關(guān)角度，分合閘時(shí)間，姿態(tài)傳感器狀態(tài)，傳感器在線狀態(tài)；隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)（合閘，分閘，合閘異常，分閘異常）等信息。將監(jiān)測(cè)每個(gè)隔離開關(guān)描述為一個(gè)IED對(duì)象，將最小功能單元建模為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)象。

（1）協(xié)議轉(zhuǎn)換卡與MCU數(shù)據(jù)交換參考Modbus-RTU協(xié)議，同時(shí)增加自定義報(bào)文進(jìn)行通訊，通信參數(shù)設(shè)置包括：波特率（9600，可配）；無(wú)奇偶校驗(yàn)位；1個(gè)停止位；8個(gè)數(shù)據(jù)位。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換卡與MCU數(shù)據(jù)交互主要包括：每個(gè)隔離開關(guān)（共6個(gè)，1～6）A、B、C三相的開關(guān)角度、開關(guān)動(dòng)作時(shí)間、姿態(tài)傳感器狀態(tài)自檢、姿態(tài)傳感器故障告警、姿態(tài)傳感器通信狀態(tài)，以及每個(gè)隔離開關(guān)（共6個(gè)，1～6）的分合閘狀態(tài)、接收裝置狀態(tài)自檢和接收裝置故障告警等信息。

（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換卡和MCU之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議的0x03功能碼（協(xié)議轉(zhuǎn)換卡作為主機(jī)，MCU作為從機(jī)）。

（4）協(xié)議轉(zhuǎn)換卡在開機(jī)時(shí)采集一次，后續(xù)每隔1s采集一次，實(shí)時(shí)更新。MCU的從機(jī)地址為0x01，寄存器起始地址為300（0x012C），協(xié)議轉(zhuǎn)換卡讀取MCU數(shù)據(jù)的寄存器個(gè)數(shù)為20（0x0014）。

5 試驗(yàn)

刀閘位置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)要求應(yīng)該滿《國(guó)網(wǎng)運(yùn)檢部關(guān)于印發(fā)隔離開關(guān)分合閘位置“雙確認(rèn)”改造技術(shù)規(guī)范（試行）的通知》（運(yùn)檢一〔2018〕99號(hào)）》和《Q/GDW 1535變電設(shè)備在線檢測(cè)裝置通用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，按照試驗(yàn)項(xiàng)目要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。表3為刀閘位置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分試驗(yàn)項(xiàng)目。

圖10 樣機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)圖

表3 刀閘位置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分試驗(yàn)項(xiàng)目列表

本設(shè)計(jì)的刀閘位置在線監(jiān)測(cè)裝置在完成設(shè)計(jì)后，廠內(nèi)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)合格后，2020年6月在許昌開普檢測(cè)研究院股份有限公司進(jìn)行型式試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)項(xiàng)目一次性通過(guò)率100%，刀閘位置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)判定準(zhǔn)確率100%，位置檢測(cè)定位精度誤差≤0.46°，測(cè)試重復(fù)性精度≤0.11°，通訊數(shù)據(jù)一致性良好。試驗(yàn)表明，本次設(shè)計(jì)的刀閘位置在線監(jiān)測(cè)裝置性能良好，可滿足變電站運(yùn)行刀閘設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)需求。樣機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)圖如圖10所示。

為滿足國(guó)家電網(wǎng)中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)建設(shè)需要，支撐變電站智能化一鍵順控實(shí)施，解決變電站采用單一輔助開關(guān)接點(diǎn)判斷刀閘位置方式的誤判問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于姿態(tài)傳感器的刀閘位置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為刀閘“雙確認(rèn)”的第二判據(jù)，實(shí)現(xiàn)刀閘的合閘到位、分閘到位、合閘異常、分閘異常準(zhǔn)確判斷，可自動(dòng)上傳上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可適用于不同電壓等級(jí)的敞開式和組合電器刀閘狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)的提前判斷，提高高壓開關(guān)操作智能化水平，為變電站的可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供安全保障。