提升車(chē)載式移動(dòng)變電站運(yùn)行安全的5G+水平平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探究

0   引言

移動(dòng)變電站是一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)運(yùn)方便、安裝快捷的可移動(dòng)式小型變電站。電氣設(shè)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(tǒng)及二次保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，整體搭載在移動(dòng)式平板車(chē)上，應(yīng)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(jì)損失^[1]。在電力系統(tǒng)中，變電站的運(yùn)行安全十分重要。變電站內(nèi)設(shè)備對(duì)于地基平衡的要求也非常高，特別是變電站中最重要的設(shè)備——主變，其運(yùn)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(shè)備的動(dòng)作穩(wěn)定性。車(chē)載式移動(dòng)變電站設(shè)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(shè)備運(yùn)行基礎(chǔ)面的水平度，以使電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行在同一個(gè)水平面上。

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

1   問(wèn)題分析

1.1 車(chē)載式移動(dòng)變電站結(jié)構(gòu)

移動(dòng)變電站設(shè)備配置圖如圖1、圖2 所示。其高壓部分一般采用線變組接線形式，由一回高壓進(jìn)線連接至雙線圈三相無(wú)勵(lì)磁降壓變壓器；低壓部分采用單母線接線方式，設(shè)備采用金屬鎧裝固定中置式開(kāi)關(guān)柜，有低壓饋線間隔、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(hù)，主要包括差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓閉鎖、過(guò)流等。同時(shí)，配置有非電量保護(hù)，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(hù)。各類(lèi)保護(hù)在車(chē)載式移動(dòng)變電站運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hù)測(cè)控、遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)及各出線設(shè)備保護(hù)測(cè)控裝置。這些設(shè)備為微機(jī)型設(shè)備，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高，一旦發(fā)生平衡問(wèn)題，將對(duì)這些設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

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

1.3 解決思路

預(yù)防為主，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研制一種無(wú)線的水平平衡監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載式移動(dòng)變電站各設(shè)備配置區(qū)的相關(guān)平衡度的實(shí)時(shí)監(jiān)視和快速報(bào)警。配置1 臺(tái)中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的信息匯總以及狀態(tài)評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)出本地與遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水平度異常的預(yù)防。同時(shí)，其還可以在車(chē)載式移動(dòng)變調(diào)整各液壓支撐結(jié)構(gòu)時(shí)提供水平度的校核值，幫助移動(dòng)變運(yùn)行維護(hù)人員調(diào)整車(chē)載式移動(dòng)變?cè)O(shè)備運(yùn)行面的水平傾斜度。

2   方案探索

2.1 裝置功能設(shè)計(jì)

車(chē)載式移動(dòng)變電站設(shè)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(shè)備運(yùn)行基礎(chǔ)面的水平度。各液壓支撐桿應(yīng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)調(diào)節(jié)，與水平平衡監(jiān)視器構(gòu)成一體化聯(lián)動(dòng)，從而保證車(chē)載式移動(dòng)變電站設(shè)備運(yùn)行面的水平傾斜度達(dá)到運(yùn)行要求。移動(dòng)平板車(chē)水平度監(jiān)測(cè)裝置由2 部分組成：水平傾斜度監(jiān)視模塊和核心控制模塊。其中監(jiān)視模塊最多支持6 個(gè)，可配置于各設(shè)備的支撐桿位置處與重要設(shè)備運(yùn)行界面上，實(shí)現(xiàn)水平傾斜度的實(shí)時(shí)監(jiān)視。核心控制模塊負(fù)責(zé)接收各監(jiān)視模塊的監(jiān)視數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能判斷并輸出判斷結(jié)論。

2.2 裝置面板設(shè)計(jì)

水平傾斜度監(jiān)視模塊的控制面板上配置有通信用天線、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(jiān)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)的天線外，還配置有WLAN 傳輸天線，從而實(shí)現(xiàn)與各水平傾斜度監(jiān)視模塊的信息交互^[2]。同樣， 常規(guī)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(bào)警器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)越限的快速報(bào)警，高精度顯示屏可實(shí)現(xiàn)可視化展現(xiàn)及管理。

圖4 核心控制模塊面板效果圖

2.3 裝置原理設(shè)計(jì)

5G+ 水平平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理如圖5 所示。該系統(tǒng)共分為兩大部分，即前面講到的水平傾斜度監(jiān)視模塊和核心控制模塊。水平傾斜度監(jiān)視模塊通過(guò)角度傳感器實(shí)現(xiàn)水平傾斜度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，利用核心控制器（MCU）控制傳感器實(shí)現(xiàn)3 次/min 的角度測(cè)量，從而保證水平度的監(jiān)測(cè)時(shí)間頻率。之后，MCU 將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)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(jiān)視模塊的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)閾值判別，并根據(jù)閾值比較結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)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(bào)警短信及越限水平傾斜度監(jiān)視模塊的編號(hào)、數(shù)值等詳細(xì)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

3   角度傳感器研究

3.1 原理設(shè)計(jì)

基于牛頓第二定律，常用的角度傳感器技術(shù)采用傾角測(cè)量理論；依據(jù)相關(guān)物理原理及系統(tǒng)學(xué)說(shuō)，在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度V 是不可測(cè)量與計(jì)算的，而速度的變化量卻是可以計(jì)算的，即加速度可測(cè)。若一個(gè)系統(tǒng)的初始速度為已知量，則可利用加速度極性積分計(jì)算獲取相關(guān)速度以及直線位移情況。角度傳感器的原理即傾斜角測(cè)量理論，利用慣性定律計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)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(cè)量?jī)A斜角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜度的測(cè)量。通過(guò)該傳感器獲得角度數(shù)據(jù)和信號(hào)后進(jìn)行高精度A/D 轉(zhuǎn)換獲取數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波、平滑、方差估計(jì)等數(shù)據(jù)處理方式處理，得到高精度瞬時(shí)加速度，從而確定測(cè)量?jī)A斜角的準(zhǔn)確數(shù)值。

水平傾斜度監(jiān)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(duì)水平面的傾斜和俯仰角度進(jìn)行精確計(jì)算和感知，通常測(cè)量范圍為-30°~30°，可以滿足車(chē)載式移動(dòng)變電站設(shè)備的運(yùn)行需求。雙靈敏軸傳感器內(nèi)部原理功能結(jié)構(gòu)如圖6 所示，為了完成數(shù)據(jù)處理，內(nèi)部配置了A/D轉(zhuǎn)換器、EEPROM 存儲(chǔ)器、SPI 傳輸接口、信號(hào)調(diào)理電路等器件。而感測(cè)元件一般采用硅電容單元，以提升傳感器運(yùn)行穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步提升雙靈敏軸傳感器的穩(wěn)定性，采用了雙通道配置，分別對(duì)兩個(gè)靈敏軸情況進(jìn)行感測(cè)，從而完成對(duì)水平面的傾斜和俯仰角度的計(jì)算。本傳感器采用兩種信號(hào)輸出方式，即擬電壓信號(hào)輸出和SPI 數(shù)字信號(hào)輸出。該傳感器還配置了溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，進(jìn)一步降低環(huán)境溫度對(duì)角度傳感器的測(cè)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(jì)算方法。（b）為Y 軸（即橫軸）傾斜發(fā)生情況下傳感器的計(jì)算方法。下面以豎軸傾斜發(fā)生時(shí)的計(jì)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(jì)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(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)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(shù)模轉(zhuǎn)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 根線路，而水平傾斜度監(jiān)視模塊的輸入輸出接口非常少，為了提升工作效率，滿足實(shí)際設(shè)備需求，故采用先信號(hào)輸入再數(shù)模變換的數(shù)據(jù)采集方式。

圖8 雙靈敏軸傳感器的電路設(shè)計(jì)

4   裝置電路設(shè)計(jì)

4.1 接口電路設(shè)計(jì)

接口電路模塊（nRF905）采用雙側(cè)18 針接口，各接口功能涵蓋各類(lèi)電源及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與核心控制器數(shù)據(jù)交互，其結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 nRF905接口電路

4.2 核心控制器設(shè)計(jì)

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

圖10 核心控制器電路設(shè)計(jì)

5   結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)移動(dòng)變電站運(yùn)行特殊要求開(kāi)發(fā)的提升車(chē)載式移動(dòng)變電站運(yùn)行安全的5G+ 水平平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于雙靈敏軸傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載移動(dòng)變電站水平平衡度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；基于5G 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及報(bào)警信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，提升了車(chē)載式移動(dòng)變電站運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

該裝置及對(duì)應(yīng)方法可以應(yīng)用于車(chē)載式移動(dòng)變電站，檢測(cè)靈敏，報(bào)警及時(shí)可靠，方便使用，通用性強(qiáng)，能夠?qū)σ苿?dòng)變電站平板車(chē)水平度進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，消除因?yàn)槠桨遘?chē)水平度異常而引起的安全隱患，保證設(shè)備和人身安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳云瑤,胡夢(mèng)泉,劉洪春.車(chē)載式移動(dòng)變電站在高海拔地區(qū)應(yīng)用的消防技術(shù)分析[J].電力設(shè)備管理,2020(10):51-53.

[2] 段垿,葉偉清.基于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的智能變電站自動(dòng)化應(yīng)用分析[J].電氣開(kāi)關(guān),2020(02):90-92+96.

[3] 蔡晶,冉旺,韓丹,等.大功率車(chē)載式移動(dòng)變電站設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)研究[J].廣東電力,2020(01):86-92.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）