提升車(chē)載式移動(dòng)變電站運行安全的5G+水平平衡監測系統的探究

0   引言

移動(dòng)變電站是一個(gè)結構緊湊、轉運方便、安裝快捷的可移動(dòng)式小型變電站。電氣設備主要由高壓開(kāi)關(guān)、流變、壓變、隔離閘刀、接地變、主變、站用變、低壓開(kāi)關(guān)柜、交直流系統及二次保護、監控系統等組成，整體搭載在移動(dòng)式平板車(chē)上，應用領(lǐng)域廣泛，可極大提高供電可靠性，縮短關(guān)鍵供電用戶(hù)的停電時(shí)間，有效降低其經(jīng)濟損失^[1]。在電力系統中，變電站的運行安全十分重要。變電站內設備對于地基平衡的要求也非常高，特別是變電站中最重要的設備——主變，其運行環(huán)境的水平平衡直接影響主變本體及分解開(kāi)關(guān)配置的氣體繼電器、瓦斯繼電器等設備的動(dòng)作穩定性。車(chē)載式移動(dòng)變電站設備主要配置于平板車(chē)上，依靠平板車(chē)配置的多個(gè)液壓支撐桿保持設備運行基礎面的水平度，以使電氣設備穩定運行在同一個(gè)水平面上。

作者簡(jiǎn)介：張擁軍，男，工程師，從事電力一線(xiàn)生產(chǎn)工作。

1   問(wèn)題分析

1.1 車(chē)載式移動(dòng)變電站結構

移動(dòng)變電站設備配置圖如圖1、圖2 所示。其高壓部分一般采用線(xiàn)變組接線(xiàn)形式，由一回高壓進(jìn)線(xiàn)連接至雙線(xiàn)圈三相無(wú)勵磁降壓變壓器；低壓部分采用單母線(xiàn)接線(xiàn)方式，設備采用金屬鎧裝固定中置式開(kāi)關(guān)柜，有低壓饋線(xiàn)間隔、壓變間隔、所用變間隔以及主變低壓開(kāi)關(guān)間隔。

圖1 變電車(chē)布置圖

圖2 配電車(chē)布置圖

主變配置有PCS978 電量保護，主要包括差動(dòng)保護、復合電壓閉鎖、過(guò)流等。同時(shí)，配置有非電量保護，包括本體重瓦斯、本體輕瓦斯、有載重瓦斯和輕瓦斯、本體與有載的壓力釋放等保護。各類(lèi)保護在車(chē)載式移動(dòng)變電站運行時(shí)實(shí)現對故障的快速判斷與排除。

1.2 水平度的高要求

配電車(chē)上布置有主變保護測控、遠動(dòng)主機及各出線(xiàn)設備保護測控裝置。這些設備為微機型設備，對運行環(huán)境要求較高，一旦發(fā)生平衡問(wèn)題，將對這些設備的運行穩定性帶來(lái)風(fēng)險。

由于主變?yōu)橛徒^緣設備，其非電量保護通過(guò)內部油的流速、油內氣體量以及內部油壓來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)保護。如果變電車(chē)發(fā)生失衡或傾斜，則將導致內部油位、油壓、油速的變化，保護存在誤動(dòng)風(fēng)險。一旦非電量保護誤動(dòng)，將跳開(kāi)主變兩側開(kāi)關(guān)，發(fā)生大面積的停電事故。

1.3 解決思路

預防為主，實(shí)時(shí)監測。研制一種無(wú)線(xiàn)的水平平衡監測裝置，實(shí)現對車(chē)載式移動(dòng)變電站各設備配置區的相關(guān)平衡度的實(shí)時(shí)監視和快速報警。配置1 臺中央控制器，實(shí)現對監測裝置的信息匯總以及狀態(tài)評價(jià)，及時(shí)發(fā)出本地與遠程報警信號，實(shí)現水平度異常的預防。同時(shí)，其還可以在車(chē)載式移動(dòng)變調整各液壓支撐結構時(shí)提供水平度的校核值，幫助移動(dòng)變運行維護人員調整車(chē)載式移動(dòng)變設備運行面的水平傾斜度。

2   方案探索

2.1 裝置功能設計

車(chē)載式移動(dòng)變電站設備主要配置于平板車(chē)上，依靠平板車(chē)配置的多個(gè)液壓支撐桿保持設備運行基礎面的水平度。各液壓支撐桿應實(shí)現電動(dòng)調節，與水平平衡監視器構成一體化聯(lián)動(dòng)，從而保證車(chē)載式移動(dòng)變電站設備運行面的水平傾斜度達到運行要求。移動(dòng)平板車(chē)水平度監測裝置由2 部分組成：水平傾斜度監視模塊和核心控制模塊。其中監視模塊最多支持6 個(gè)，可配置于各設備的支撐桿位置處與重要設備運行界面上，實(shí)現水平傾斜度的實(shí)時(shí)監視。核心控制模塊負責接收各監視模塊的監視數據，進(jìn)行智能判斷并輸出判斷結論。

2.2 裝置面板設計

水平傾斜度監視模塊的控制面板上配置有通信用天線(xiàn)、編程用USB 接口、充電用Type-C 接口、電源雙位開(kāi)關(guān)和雙位置指示燈，如圖3 所示。

圖3 水平傾斜度監視模塊面板效果圖

核心控制模塊的裝置面板配置情況如圖4 所示。除了基于5G 通信技術(shù)的天線(xiàn)外，還配置有WLAN 傳輸天線(xiàn)，從而實(shí)現與各水平傾斜度監視模塊的信息交互^[2]。同樣， 常規配置還包括編程用USB 接口、充電用Type-C 接口、電源雙位開(kāi)關(guān)和雙位置指示燈。聲光報警器可實(shí)現數據越限的快速報警，高精度顯示屏可實(shí)現可視化展現及管理。

圖4 核心控制模塊面板效果圖

2.3 裝置原理設計

5G+ 水平平衡監測系統的基本原理如圖5 所示。該系統共分為兩大部分，即前面講到的水平傾斜度監視模塊和核心控制模塊。水平傾斜度監視模塊通過(guò)角度傳感器實(shí)現水平傾斜度數據監測，利用核心控制器（MCU）控制傳感器實(shí)現3 次/min 的角度測量，從而保證水平度的監測時(shí)間頻率。之后，MCU 將監測數據數字化后通過(guò)WLAN 網(wǎng)絡(luò )傳輸至核心控制模塊。核心控制模塊通過(guò)WLAN 網(wǎng)絡(luò )獲取各水平傾斜度監視模塊的數據，同時(shí)進(jìn)行數據閾值判別，并根據閾值比較結果進(jìn)行相應動(dòng)作。若水平傾斜值超出或低于閾值，則由MCU 進(jìn)行聲光高進(jìn)控制，并同步利用5G 網(wǎng)絡(luò )發(fā)出報警短信及越限水平傾斜度監視模塊的編號、數值等詳細信息，以短信形式通知安全管理員，同時(shí)完成錄波。

圖5 5G+水平平衡監測系統原理圖

3   角度傳感器研究

3.1 原理設計

基于牛頓第二定律，常用的角度傳感器技術(shù)采用傾角測量理論；依據相關(guān)物理原理及系統學(xué)說(shuō)，在同一個(gè)系統內部，速度V 是不可測量與計算的，而速度的變化量卻是可以計算的，即加速度可測。若一個(gè)系統的初始速度為已知量，則可利用加速度極性積分計算獲取相關(guān)速度以及直線(xiàn)位移情況。角度傳感器的原理即傾斜角測量理論，利用慣性定律計算系統內的加速度^[3]。若傳感器未發(fā)生傾斜，即保持靜止時(shí)，則意味著(zhù)傳感器在各個(gè)方向上（除重力方向）未獲得加速度。重力加速度垂直軸與角度傳感器靈敏軸之間的夾角可以定義為測量?jì)A斜角，從而實(shí)現對傾斜度的測量。通過(guò)該傳感器獲得角度數據和信號后進(jìn)行高精度A/D 轉換獲取數字信號，再經(jīng)過(guò)濾波、平滑、方差估計等數據處理方式處理，得到高精度瞬時(shí)加速度，從而確定測量?jì)A斜角的準確數值。

水平傾斜度監視模塊中的角度傳感器基于加速度原理，配置為雙靈敏軸傳感器。該雙靈敏軸傳感器主要針對水平面的傾斜和俯仰角度進(jìn)行精確計算和感知，通常測量范圍為-30°~30°，可以滿(mǎn)足車(chē)載式移動(dòng)變電站設備的運行需求。雙靈敏軸傳感器內部原理功能結構如圖6 所示，為了完成數據處理，內部配置了A/D轉換器、EEPROM 存儲器、SPI 傳輸接口、信號調理電路等器件。而感測元件一般采用硅電容單元，以提升傳感器運行穩定性。為了進(jìn)一步提升雙靈敏軸傳感器的穩定性，采用了雙通道配置，分別對兩個(gè)靈敏軸情況進(jìn)行感測，從而完成對水平面的傾斜和俯仰角度的計算。本傳感器采用兩種信號輸出方式，即擬電壓信號輸出和SPI 數字信號輸出。該傳感器還配置了溫度傳感器，實(shí)現溫度補償，進(jìn)一步降低環(huán)境溫度對角度傳感器的測量精度的影響。

圖6 雙靈敏軸傳感器功能框圖

如圖7 所示，（a）為X 軸（即豎軸）傾斜發(fā)生情況下傳感器的計算方法。（b）為Y 軸（即橫軸）傾斜發(fā)生情況下傳感器的計算方法。下面以豎軸傾斜發(fā)生時(shí)的計算方法為例，進(jìn)行重力加速度與加速度值之間的關(guān)系推演：

Ax=g·sina → α=arcsin(Ax/g)

其中，Ax 表示豎軸方向的加速度，g 為重力加速度，則可以利用上述公式計算得到豎軸傾角α。

圖7 豎軸與橫軸傾角變化情況

3.2 電路設計

電路設計如圖8 所示。雙靈敏軸傳感器有兩個(gè)模擬輸出端，分別接入數模轉換器的輸入通道。同時(shí)，該傳感器還具有SPI 接口，該接口共配置4 根線(xiàn)路，而水平傾斜度監視模塊的輸入輸出接口非常少，為了提升工作效率，滿(mǎn)足實(shí)際設備需求，故采用先信號輸入再數模變換的數據采集方式。

圖8 雙靈敏軸傳感器的電路設計

4   裝置電路設計

4.1 接口電路設計

接口電路模塊（nRF905）采用雙側18 針接口，各接口功能涵蓋各類(lèi)電源及數據，實(shí)現與核心控制器數據交互，其結構如圖9 所示。

圖9 nRF905接口電路

4.2 核心控制器設計

核心控制端是基于STM32F103RBT6 芯片而開(kāi)發(fā)的。該芯片是32 位內核，性能優(yōu)良、成本低廉、性?xún)r(jià)比高、功耗小、兼容性強，是最佳的MCU 選擇。其外設電路設計如圖10 所示。

圖10 核心控制器電路設計

5   結束語(yǔ)

針對移動(dòng)變電站運行特殊要求開(kāi)發(fā)的提升車(chē)載式移動(dòng)變電站運行安全的5G+ 水平平衡監測系統，基于雙靈敏軸傳感器實(shí)現對車(chē)載移動(dòng)變電站水平平衡度的實(shí)時(shí)監測；基于5G 通信技術(shù)實(shí)現監測數據以及報警信號的實(shí)時(shí)傳輸，提升了車(chē)載式移動(dòng)變電站運行的安全性、可靠性和穩定性。

該裝置及對應方法可以應用于車(chē)載式移動(dòng)變電站，檢測靈敏，報警及時(shí)可靠，方便使用，通用性強，能夠對移動(dòng)變電站平板車(chē)水平度進(jìn)行有效監測，消除因為平板車(chē)水平度異常而引起的安全隱患，保證設備和人身安全。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）