摘要：本文分析了智能变电站在线监测功能，并进行了在线监测系统的架构设计，整个智能变电站在线监测系统分为过程层、间隔层、站控层；系统通过新型传感技术监测变电站内的变压器、断路器、容性设备、避雷器等全部变电设备的状态信息，并通过RS485/CAN/ZigBee/RFID等物联网技术对信息数据进行级级上传，最终配置成符合IEC61850标准的数据格式，通过光纤将SF6采集到的数据传到变电站的站控中心，并最终录入一体化信息平台。
关键词：变电设备；在线监测；物联网；无线网络；SF6
自20世纪50年代初，我国就开始在电力领域推行以时间周期为基础的设备定期检修制度，为电力设备的安全运行提供了一定的保障。但是，由于这种检修方式受客观因素（周期固定性、检修经验性，不同设备有不同的运行环境、性能等）和主观因素（工作死板教条，人工缺检、漏检等）的双重影响，使得这种检修方式暴露出多种问题。例如站内可靠性低、停电次数太多以及人员工作量大且检修费用高等。在传统检修方式暴露出的矛盾日益增多以及电力工业和供电技术迅速发展的双重推动下，变电设备在线监测技术应运而生。基于物联网的变电设备在线监测技术已成为未来智能变电站发展的主线。本文采用新型传感技术、单片机技术、嵌入式技术和先进的物联网通信技术，实现了对变电设备的综合在线监测，完成了变电设备运行状态的实时监测与数据分析，为智能变电站建设打下坚实基础。对此，本文以SF6检测为例，就其检测终端进行了详细的设计与阐述。
1系统整体架构设计
基于物联网的变电设备SF6在线监测系统总体设计包括四个层面：过程层、间隔层、站控层。系统的组成框图如图1所示：
图1在线监测装置系统框图
2系统设计
2.1过程层设计
在线监测系统过程层包括变电站一次设备、传感器和现场处理单元，其中传感器和现场处理单元合称为监测终端。目前传感器技术已相当成熟，而监测终端的功能就是实现传感器数据的采集和初步处理，对未数字化的传感器信息进行A/D转换并分类存储。本文则以SF6监测终端主要采用以下的电路设计。
2.1.1SF6监测终端设计
SF6气体的监测量包括SF6气体的压力、温度和湿度。温度和压力监测信号的采集是通过温度传感器和压力传感器完成的。从温度传感器和压力传感器采集到的模拟量信号，经过调理后再传送到A/D转换器中进行变换。温度和压力传感器采集到的4～20mA的模拟电流信号首先经过电流-电压转换电路转换成0～5V电压信号，之后再被A／D转换器转换成数字信号。硬件设计时，采用DSP主电路设计。传感器信号经过放大、滤波、A/D转换之后可以被DSP采集以备上传。其中，具体的A/D转换电路设计如图2所示。
图2A/D电路转换设计
2.2间隔层智能IDE设计
本设计中SF6的IDE监测装置的硬件部分采用ARM（主机）+DSP（从机）的结构，ARM采用三星公司的ARM9系列芯片S3C2440A。DSP选用德州仪器（TI）公司的2000系列TMS320F28335芯片。
（1）ARM芯片S3C2440A
三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A，具有价格低、功耗小、性能高的优势。芯片采用ARM920t内核设计，以及AMBA总线架构设计。S3C2440A的核心处理器为16/32位的RISC处理器。此处理器采用了MMU，AMBA总线和Harvard的体系结构，其指令集和数据集分别为独立的16KB集合。S3C2440A提供了一套完整的通用系统外设，减少了整体系统成本并省去了配置额外组件的麻烦。此芯片的片上功能主要集成了以下方面：
1）电源供给方面：包含了内核1.2V供电。存储器1.8V/2.5V/3.3V供电和外部I/O3.3V供电。2）处理器和控制器方面：拥有16KB指令存储控制器和16KB的数据存储控制器的MMU微处理器，并集成有SDRAM控制器和片选逻辑器等外部存储控制器和LCD控制器。3）与外部接口方面：设有3通道UART接口，2通道SPI接口，1通道I2C总线接口（多主支持）和1通道I2S总线接口。同时设有2主机/1USB设备接口（1.1版）以及相机接口。并带有130个I/O和24个外部中断接口。4）协议兼容方面：兼容SD卡1.0协议和MMC卡2.11协议。5）时钟及定时器方面：具有日历功能的RTC，4通道脉冲调制定时器和1通道看门狗定时器，具有PLL片上时钟发生器。
（2）DSP芯片TMS320F28335
德州仪器的TMS320F28335采用高性能静态CMOS技术，I/O口供电电压为3.3V，内核供电电压为1.9V，低功耗设计。TMS320F28335DSP具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出（HRPWM），12位16通道ADC，最小A／D转换时间为80ns，而且转换通道可通过软件进行控制，具有自动排序功能。DSP片内有高达34K字的RAM（SARAM）；看门狗定时器（WDT）；CAN总线控制器；SCI串行接口；SPI串行接口；方便系统在线编程的JTAG接口。采用哈佛结构设计，程序总线、数据总线分别独立。其数据存储空间和程存储空间分开独立设置，大大提高了数据传输效率；芯片处理单元采用多元化处理；独特的DSP指令集，可同时进行取址、译码等操作，大大降低了指令执行时间，提高了DSP芯片的处理能力。并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。
2.3SF6功能单元设计
SF6功能单元主要分为信息的采集、信息的诊断、信息的展示以及与报警信息操作。
对SF6气体进行采集的信息包括：SF6气体密度、温度、氧含量、湿度、压力等。通过光纤走IEC61850对SF6监测IED进行操作，实现数据的提取。提取到数据之后，对数据进行分类并描绘数据曲线，之后进行峰值处理（如果数据曲线的峰值大小超过阀值线但持续时间极短，且之后的数据都在阀值范围之内，则系统会认为此峰值为无效数据，对其采取跳过处理），并判断SF6气体的微水密度以及气体的泄漏情况。
气体泄漏情况是根据SF6气体的密度以及SF6样气中的氧气含量进行判断的，如果SF6气体的密度在转化到标准温度20℃的后，其值低于预先设定的门限阀值并且其氧气含量超过预设的含量值，则说明SF6气体发生了泄漏，之后再具体判断SF6气体的密度是低于报警的门限阀值还是超过了紧急停动SF6断路器的阀值并给出相应的紧急操作（例如紧急补齐或者急停断路器等）。SF6气体微水含量的判断的依据是SF6气体的密度以及其含水量。如果气体密度及含水量超过了预先设定的门限值，说明SF6气体发生了分解，断路器内部可能发生了故障，则系统会立即给出报警信号，并采取相应的措施对断路器进行控制。
图3SF6检测界面
根据上述原理，系统通过预先设置阈值的方法判断相关参量是否在正常工作范围之内，从而综合判断SF6的绝缘和灭弧性能，得出综合分析后的故障类型。专家软件页面能够提供各气体参数的实时柱状图，以及历史曲线变化图，显示相关数据报表，标注异常数据。
3部分系统界面展示
在展示界面的下方可以通过具体的数字分析SF6的密度压力、温度以及密度情况，并可以通过三个展示表直观地分析SF6气体的状况。从上图中可以看出，SF6气体的密度已经超过了警示的0.55MPa，因此专家软件给出了警示报警。
4结束语
本文介绍了监测系统的构成，根据变电站分层原理分别介绍了SF6监测终端和SF6监测IED的软硬件设计。而通过设计，并将其运用到具体的变电站中，得到了详细的监测数据，为当前物联网技术推广和应用提供了借鉴。
参考文献：
[1]唐梦颖，路永玲，徐伟，钟丹，胡成博.江苏电网输变电在线监测装置现状分析及应用建议[J].江苏电机工程，2016，35（06）：1-4+8.
[2]汲胜昌，钟理鹏，刘凯，李金宇，崔彦捷，王圆圆，郭锦龙，冀国龙.SF_6放电分解组分分析及其应用的研究现状与发展[J].中国电机工程学报，2015，35（09）：2318-2332.
[3]王飞鸣，林莘，徐建源.高压SF_6断路器非平衡态等离子体电弧的熄弧特性[J].高电压技术，2014，40（10）：3073-3084.
论文作者:黄小庆,方迎春,吴小佳,陈凡,吴刚,姚永民,胡岳
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：三星论文; 在线论文; 气体论文; 数据论文; 变电站论文; 密度论文; 断路器论文; 《电力设备》2017年第34期论文;