10kV高壓開(kāi)關(guān)柜在線(xiàn)檢測及故障診斷系統

1 引言

在電力系統中10kV高壓開(kāi)關(guān)柜應用極為廣泛，擔負著(zhù)控制、保護雙重功能。隨著(zhù)電網(wǎng)日益擴大以及變電站無(wú)人值班管理模式和綜合自動(dòng)化的普及推廣，高壓開(kāi)關(guān)柜的安全運行越來(lái)越重要，停電事故給生產(chǎn)和生活帶來(lái)的影響及損失也越來(lái)越大，因此迫切需要高壓開(kāi)關(guān)柜具有高可靠性，并能在線(xiàn)檢測故障，以便采取預防措施，避免停電事故發(fā)生。

　　隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步和傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)等的發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)柜功能智能化已具備技術(shù)上的條件。在“10kV高壓開(kāi)關(guān)柜的故障在線(xiàn)檢測，，課題研究中將當今工業(yè)控制領(lǐng)域中廣為流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用于其中，使高壓開(kāi)關(guān)柜的故障在線(xiàn)檢測形成了一個(gè)分布式的監測系統，并使整個(gè)系統較以往集中監測系統性能增強，功能更為完善。

　　本文主要討論10kV高壓開(kāi)關(guān)柜故障在線(xiàn)檢測系統研制中現場(chǎng)總線(xiàn)的應用情況。

2 現場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介

在以往的變電站監測系統中，一般使用BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)，但它們在應用中有以下缺陷：

1)BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)上只能有一個(gè)主節點(diǎn)，無(wú)法構成多主冗余系統，導致系統可靠性較差；
2)數據通信方式是命令響應式，從節點(diǎn)只有在收到主節點(diǎn)的命令后，才能響應，一些重要的信息得不到及時(shí)上送，致使系統的靈活性差，實(shí)時(shí)性差；
3)BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)的抗干擾能力及糾錯能力差，不適應在高壓開(kāi)關(guān)柜內的高電磁環(huán)境下運行。

為了克服BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)在使用中的缺陷，經(jīng)過(guò)方案比較，本文采用了控制器局域網(wǎng)絡(luò )CAN(Controller Area Network)。它是20世紀80年代初研制成功的一種現場(chǎng)總線(xiàn)，其最初主要是為汽車(chē)監測、控制系統而設計的。如今，由于其采用差分驅動(dòng)，可在高噪聲干擾的環(huán)境中使用以及較強的糾錯能力等，加之國際半導體知名廠(chǎng)家的產(chǎn)品支持，已形成國際標準ISO11898規范。并已被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

CAN的通訊協(xié)議建立在國際標準組織的開(kāi)放系統互聯(lián)參考模型基礎上，主要工作在數據鏈路層和物理層，用戶(hù)可在其基礎上開(kāi)發(fā)適應系統實(shí)際需要的應用層通信協(xié)議。CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當節點(diǎn)嚴重錯誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷該節點(diǎn)與總線(xiàn)的聯(lián)系，使總線(xiàn)上的其他節點(diǎn)及通信不受影響，故具有較強的抗干擾能力。其主要特點(diǎn)有：

CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任意節點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向總線(xiàn)上其它節點(diǎn)發(fā)送信息，這就可以構成多主機系統；
CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)信息可以分成不同的優(yōu)先級，以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求；
CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)上發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據，節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間；
CAN可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數據；
CAN的直接通訊距離可達10km(速率5K)；
CAN的通訊速率最高可達1M(此時(shí)通訊距離最長(cháng)為40m)；
CAN上的節點(diǎn)數實(shí)際可達110個(gè)；
CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據出錯率低；
通訊介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活，連接方便。

從上述的分析可看出，CAN總線(xiàn)非常適合用音變電所中構成高壓開(kāi)關(guān)柜故障在線(xiàn)檢測系統。

3 故障檢測系統組成

高壓開(kāi)關(guān)柜故障在線(xiàn)檢測系統結構如圖1所示。

圖1 高壓開(kāi)關(guān)柜故障在線(xiàn)檢測系統結構圖

整個(gè)系統使用CAN總線(xiàn)將一系列故障檢測單元模塊和系統機單元連成分布式結構的現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )，由故障檢測單元模塊采集開(kāi)關(guān)柜的信號數據，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)送至系統機單元，建立起全變電站高壓開(kāi)關(guān)柜的數據庫。系統機單元采用工業(yè)控制機配CAN總線(xiàn)通信接口卡組成，它接收故障檢測單元模塊發(fā)來(lái)的數據，經(jīng)計算機數字信號處理得出高壓開(kāi)關(guān)柜的各個(gè)參數，顯示各種參數和波形，打印報告，分析和診斷得出高壓開(kāi)關(guān)柜的工作狀態(tài)。CAN總線(xiàn)通信接口卡完成ISO/OSI參考模型中的物理層和數據鏈路層兩層功能，如數據打包、拆包、發(fā)送、接收、校驗、編碼、解碼等，用戶(hù)只需開(kāi)發(fā)應用層和用戶(hù)層的相應軟件即可，它使工控機能方便地連接到CAN總線(xiàn)上。

故障檢測單元模塊的CPU采用ATMEL公司的AT89C52單片機，CAN控制器和CAN收發(fā)器分別采用SJA1000和82C250，其硬件電路結構原理圖如圖2所示。

圖2 檢測單元硬件電路結構原理圖

硬件電路包括:微處理器電路、非易失性SAM電路、LCD液晶顯示電路、鍵盤(pán)電路、模擬量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路、CAN總線(xiàn)通訊接口電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等。

主要軟件包括:系統自檢軟件、信號采集及數字濾波軟件、參數整定軟件、故障診斷與報警軟件、數據顯示軟件、通訊軟件等。

4 故障檢測單元的主要檢測項目

開(kāi)關(guān)柜內手車(chē)室，電纜室內的溫、濕度監測；
隔離開(kāi)關(guān)觸頭接觸部分的溫度監測；
分、合閘線(xiàn)圈電壓、電流檢測；
斷路器行程、位置、速度監測及斷路器的操作次數統計；
合閘彈簧狀態(tài)監測。

具體的監測方法，限于篇幅在此就不做敘述。

5 結論

采用CAN總線(xiàn)設計的高壓開(kāi)關(guān)柜故障在線(xiàn)檢測系統比采用BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)的檢測系統具有更好的可靠性、開(kāi)放性及抗干擾性。對實(shí)現高壓開(kāi)關(guān)柜運行狀態(tài)的綜合診斷，促進(jìn)電力設備由定期試驗向狀態(tài)檢修過(guò)渡的進(jìn)程是極為有益的。