一種氣體絕緣金屬封閉開關設備波紋管監測系統設計與實現

汪海光 張 偉 蘭 浩 唐 霖 張永強

一種氣體絕緣金屬封閉開關設備波紋管監測系統設計與實現

汪海光 張 偉 蘭 浩 唐 霖 張永強

（西安西電開關電氣有限公司，西安 710077）

為了解決高海拔地區變電站氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）波紋管形變超出限值導致筒體破裂、漏氣、設備發熱、短路等安全事故的問題，本文結合嵌入式技術及LoRa無線通信技術，設計并實現GIS波紋管狀態監測系統。系統采用LoRa無線通信方式進行數據傳輸，能夠實現對GIS波紋管形變、溫度等狀態量的在線監測，具有成本低、便于部署實施的優點。通過試驗驗證，系統功能可以滿足需求，能夠在一定程度上降低變電站運維人員的工作量，同時也為GIS的長期可靠運行提供了保障。

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）；波紋管；監測系統；LoRa

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas-insulated metal-enclosed switchgear, GIS）是電網系統的重要設備，GIS間隔之間通過母線分配、傳送電能，為滿足變電站設計與布置的需求，母線筒單相長度可達百余米[1-2]。為了抵消設備長期運行期間熱脹冷縮、地基沉降等外部應力的影響，在相鄰母線或設備間設置波紋管伸縮節以吸收補償母線形變[3]。但是，在高海拔地區，由于晝夜溫差過大、配置不合理等原因，波紋管形變超出允許補償量進而導致筒體破裂、漏氣、設備發熱、短路等安全事故的情況時有發生[4]。因此，波紋管形變監測成為變電站日常運維的重要項目之一。

由于變電站內波紋管位置分散，現有的有線、WiFi、ZigBee等監測組網方式因布線及維護成本高、信號傳輸距離短且易受干擾等缺點難以滿足波紋管在線監測需求[5-6]。多數變電站通過標尺測量法監測波紋管形變，運維人員定期到現場進行巡檢，記錄數據并繪制變化曲線[7-8]，工作效率較低。

與傳統無線通信方式相比，LoRa技術具有功耗低、信號傳輸距離遠的優點，其通信距離可達5km，且數據傳輸的抗干擾能力強[9]。本文將LoRa無線通信技術與ARM嵌入式技術相融合，設計實現波紋管監測系統，能夠對波紋管形變數據進行無線監測及故障預警，減少變電站巡檢工作量，提高變電站一次設備運維效率及安全性。

1 系統架構設計

波紋管形變監測系統總體架構如圖1所示，主要由安裝于開關設備本體的數據采集終端、形變傳感器、溫度傳感器及安裝于主控室的LoRa網關、監測后臺等組成。

圖1 波紋管形變監測系統架構

1.1 數據采集終端

安裝于需監測的波紋管附近，用于采集波紋管形變、溫度等數據。每個采集終端可同時監測4路形變傳感器數據，以便采集波紋管不同位置的形變量，它與后臺間采用LoRa無線通信進行數據傳輸。

1.2 波紋管形變傳感器

基于滑動變阻器原理，傳感器通過結構件安裝在波紋管法蘭上，波紋管發生形變時帶動傳感器伸縮，電阻值隨之變化。形變傳感器安裝方式如圖2所示。

圖2 形變傳感器安裝方式

式中：ref為參考電壓值；0為傳感器安裝時的輸出電壓值；1為實際輸出電壓值；為形變傳感器總長。

1.3 溫度傳感器

選用四線制PT100溫度傳感器，其應用原理如圖3所示。

圖3 PT100溫度傳感器原理

傳感器接線端包含兩根電源線及兩根電壓采樣線，與二線制及三線制PT100相比具有更高的測量準確度。傳感器安裝于與波紋管相連的母線筒上，用于獲取母線實時溫度。

1.4 LoRa網關

安裝于主控室，用于實現以太網與LoRa無線網絡之間的互聯。網關與數據采集終端進行無線通信，接收數據報文，并通過TCP/IP協議傳輸至監測后臺。

1.5 監測后臺

主要負責接收、存儲波紋管形變及溫度數據，以及進行人機交互。后臺主機將采集到的數據存儲至數據庫并通過操作界面中的主接線圖將母線各部位波紋管狀態信息實時展示給用戶。同時，用戶可選擇查看特定位置波紋管的歷史狀態數據及變化曲線。

2 數據采集終端設計

數據采集終端硬件架構如圖4所示，主要包括主控模塊、LoRa無線通信模塊、電源模塊、模擬量采集模塊及溫度采集模塊等。

圖4 數據采集終端硬件架構

2.1 主控模塊

采用STM32L475微控制器，該芯片基于Cortex—M4內核，主頻可達80MHz，內置128KB靜態隨機存儲器（static random access memory, SRAM）及512KB Flash，可滿足終端數據預處理、數據分析等邊緣計算功能。同時，芯片還內置有3個12位逐次逼近型模數轉換器（analog to digital converter, ADC），可接入16路外部信號源，各通道可配置為單次、連續、掃描或間斷模式進行數據轉換，轉換結果可選擇以左對齊或右對齊方式存儲于16位數據存儲器中，最高轉換速率可達5MHz，各通道采樣間隔時間可通過程序設置。通過該模塊實現工作邏輯控制、輸入輸出（input output, IO）控制、傳感器模擬量信號采集、數據轉換傳輸等功能。

2.2 無線通信模塊

目前，變電站在線監測系統常用的無線組網方式主要包括LoRa、WiFi、ZigBee、NB-IoT、4G等。WiFi及ZigBee技術由于信號傳輸距離短，難以滿足長母線監測需求，NB-IoT及4G技術需采用專有頻段通信，授權費用及流量費用高。因此，本系統選用LoRa方式進行組網。幾種無線通信方式的性能對比見表1[10]。

表1 無線通信方式性能對比

通信模塊采用基于LoRa擴頻技術的F8L10D集成芯片進行數據無線傳輸。該芯片支持數據透傳、命令控制、應用程序編程接口（application pro- gramming interface, API）、Modbus等工作模式，可通過軟件對其數據傳輸速率、無線發射功率、無線頻段等參數進行配置，本方案采用數據透傳模式，LoRa芯片通過通用異步收發傳送器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）總線與主控模塊連接。

2.3 模擬量采集模塊

由于形變傳感器直接安裝于母線設備上，開關操作、系統運行故障、工頻電壓等引起的電磁干擾極易通過傳感器通信線纜耦合進入終端內部，造成測量不準確、通信中斷甚至電路損壞等故障[11-12]。因此，采樣通道選用ISO124隔離放大器，該放大器采用占空比調制-解調技術，模擬量信號以數字量的形式通過差動電容隔離層進行傳輸，能夠有效抑制干擾信號輸入。模擬量數據采集通過STM32集成的ADC模塊完成。

2.4 溫度采集模塊

系統采用PT100鉑熱電阻監測母線溫度，與集成測溫芯片相比具有安裝靈活、抗電磁干擾能力強、測量準確度高的優點。傳感器通過接插端子與終端相連，采用TL431設計電流源模塊為傳感器供電，傳感器輸出電壓信號經AD8226放大后進入ADC模塊。

2.5 終端軟件設計

數據采集終端軟件流程如圖5所示。采集終端啟動后，首先對各外設模塊及IO引腳進行初始化并讀取設備ID、配置信息等參數，然后開始監聽無線報文，對ID匹配的查詢報文進行響應，依次采集各通道傳感器數值，轉換為相應格式后打包發送至后臺。

圖5 數據采集終端軟件流程

3 監測后臺軟件設計

3.1 軟件架構

監測系統采用星形組網方式，監測后臺輪詢采集各終端波紋管狀態數據，存入數據庫并通過人機交互界面展示給用戶。軟件能夠對異常數據進行報警。通過歷史數據查看功能，用戶可查看過去特定時間段的狀態數據變化曲線。監測后臺軟件架構如圖6所示，主要實現用戶管理、數據獲取、數據解析、數據存儲、數據展示等功能。

圖6 監測后臺軟件架構

3.2 報警策略

波紋管引發設備故障的原因主要有：①波紋管形變超出允許補償量導致自身開裂；②由于安裝問題，波紋管不能發揮補償作用導致母線開裂[13]。因此，系統設計以下兩條報警策略：

1）當波紋管形變量超出設定閾值時，觸發波紋管形變超限報警。

2）根據波紋管形變量與環境溫度關系模型對形變值進行預測，當監測形變值遠小于系統預測值時觸發報警，提醒運維人員關注。

母線及基礎受溫度影響產生的伸縮量可通過式（3）計算。

由式（2）、式（3）可得波紋管形變量為

對式（4）進行變換可得

若在一定時間內通流引起的母線溫升s為一定值，則可認為波紋管形變量與環境溫度符合一元線性回歸模型，有

式中：t為波紋管形變量；t為環境溫度；和為待定參數。

系統選取時間最近的100個數據點進行擬合，計算和，得出波紋管形變量與環境溫度的關系函數，即可預測波紋管實時形變值。

4 系統功能測試

為了驗證監測系統的可行性，在工廠選取一段800kV母線搭建波紋管在線監測系統，在波紋管外安裝形變傳感器及溫度傳感器，并將數據采集終端就近安裝于母線上，安裝方式如圖7所示。通過監測后臺對波紋管形變及溫度變化情況進行監測，每30min采集一組數據。截取某日00:00～24:00的狀態變化曲線如圖8所示。

圖7 波紋管形變傳感器及采集終端安裝方式

圖8 波紋管形變量與溫度變化曲線

從圖8可以看出，監測期間溫度在2～17℃之間變化，波紋管受母線熱脹冷縮影響，溫度升高時壓縮，溫度下降時拉伸，形變長度發生明顯變化，與溫度成反比例關系。通過該試驗，系統功能得到了驗證。

5 結論

本文研究設計了基于LoRa的波紋管狀態監測系統及基于STM32微控制器的數據采集終端，提出了具體的硬件方案及軟件流程，并搭建試驗平臺對系統功能進行了驗證。監測系統采用LoRa無線通信方式進行數據傳輸，與傳統在線監測系統相比，具有成本低、便于部署實施的優點。通過該系統對波紋管形變及溫度進行實時監測，不僅可以降低變電站運維人員的工作量，也為GIS長期可靠運行提供了保障。

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Design and implementation of monitoring system for gas-insulated metal-enclosed switchgear bellows

WANG Haiguang ZHANG Wei LAN Hao TANG Lin ZHANG Yongqiang

(Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077)

In order to solve the problems such as cylinder rupture, air leakage, equipment heating, short circuit and other safety accidents caused by the deformation of gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS) bellows in substation at high altitude, this paper designs and implements GIS bellows condition monitoring system by combining embedded technology and LoRa wireless communication technology. The system transmitting data by LoRa wireless technology, which can realize online monitoring of GIS bellows deformation, temperature and other states. It has the advantages of low cost and easy deployment and implementation. Through the test verification, the system function can meet the requirements. This system can reduce the workload of substation operation and maintenance personnel, and also provides a guarantee for the long-term reliable operation of GIS equipment.

gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS); bellows; monitoring system; LoRa

2022-09-01

2022-10-20

汪海光（1985—），男，浙江諸暨人，碩士，工程師，主要從事變電站數字化、一次設備狀態監測研發工作。