（国网湖北省电力公司嘉鱼县供电公司）
摘要：开关柜的故障原因，多发生在绝缘、导电和机械方面，本项目当期立足于目前多发的因温度、物体侵入等环境数据异常有关的故障，后期通过经验的积累以及监测技术的延伸逐渐覆盖各类异常状况。该平台基于现代信息化网络，通过对柜内环境数据实时监测与电网运行数据形成的关系数据链，并建立数据仓库，通过数据挖掘，针对问题部位进行智能分析、综合诊断和评估分析，能对柜内动静触头等关键部位因老化、松动、接触不良等潜在隐患而导致的事故进行有效的提前预警，该系统不仅提供温度等测量数据，还能提供图像数据，对各类事故的判断更为准确，为安全生产提前排除隐患故障提供宝贵的机会和时间。该平台是一套实用有效的并具备自我学习能力的智能化实时预警监测状态评估平台。
关键词：开关柜；监测技术；智能分析；提前预警；评估平台
1.10kV开关柜状态评估平台的总体结构
10kV开关柜的安全运行状态评估平台主要包括数据整理、状态识别、参数确定、有效性分析、健康诊断等组成。状态评估的具体工作过程就是首先根据开关柜常年运行状况，总结和归纳出开关柜发生异常的健康状态特征量，从传感器提取特征量，对传感器的选型及安装进行分析。然后对10kV开关柜每个元件运行中的状态进行评估，评估出它们的健康状态程度。然后根据评判出的结果，如果对开关柜中的元件评判的结果是良好或者较好，就不需要进行下一步骤，也不需要对开关柜进行检修，如果评判结果是一般或者引起注意阶段，就需要对开关柜的运行状态做更进一步的健康诊断，采用基于神经网络的开关柜健康诊断系统，对传感器提取出来的特征量进行分析诊断，对1OkV开关柜元件的具体健康状态类型进行判别，为开展开关柜的检修提供技术支持。1OkV开关柜安全运行状态评估基本过程是：前端数据采集，通过红外摄像机、温度传感器、表计等采集装置直接在10KV配电柜中采集项目所需要的各种环境数据；通过营销系统、调度系统、计量生产平台等系统提取项目所需的计量数据。数据分析诊断部分、数据仓库合并为本项目的后台软件部分，通过数据采集部分提供的海量数据，通过数据抽取建立10kV开关柜安全运行实时状态评估平台的数据仓库，利用数据挖掘技术实现对对柜内元件的健康状态有效的进行智能分析、综合诊断和评估分析。下图1-1、1-2为前端数据采集部分运行原理示意图及软件功能构架图。
2.系统硬件设计
2.1输入模块设计
2.1.1开关量输入电路
它是监测断路器实际运行状态的在线监测系统的基本功能之一。监测单元的设计置于开关柜（闭合）中，并间接监测断路器的位置。断路器的位置信号由辅助接触导线、驱动轴联动辅助触头执行器在配电装置和断路器、断路器辅助触头位置和对应位置。这个信息收集只会在辅助触点完成断路器位置信号的采集，如图2-1所示的信号采集电路等。
在图2-1中，断路器的常闭辅助触点连接在输入电路中，T型RC网络用于滤除电路中的高频干扰。电阻和限流功能，使电流进入发光二极管仅限于毫安级。两个二极管，以保护光灾害的作用。电路中，+24V和++5V是两个独立的电源，且不共地，使光祸真正起到隔离作用。
2.1.2模拟量输入电路
本文采用主要用于高速度数据采集场合的由多个独立的单通道组成的多输入通道结构。在这种结构的电路中，每个通道就是一个完整的单输入模拟通道，有独立的采样保持器S/H，其电路结构如图2-2所示。因为每个通道是完全独立的，这种结构允许在同一时间，所有通道的转换，保持数据通道之间的同步，在A / D转换器电路频率相同的转换条件，模拟信号通道比S / H和A / D转换速度快。
（1）开断电流的采集
开断电流采集的开关柜，直接采样是AC交流电压信号和电流信号采样两电路变压器，根据一组采样，ADC转换成数字量，然后采用交流采样计算的数量。断路电流和准确度主要由A/D转换器和CPU分辨率决定采样率。本平台根据误差分析的情况，直接利用DSP自带的10位分辨率的A/D转换器。由取样电阻得到的电压信号通过模拟滤波，削除高频成分，经采样保持器将连续信号离散化，再由A/D转换器变为数字量，DSP对其进行处理。
（2）分、合闸线圈电流的采集
该平台采用磁补偿dt5-p霍尔电流传感器，其测量范围为5 ~ 5A，输入/输出线圈的匝数比为1:5000磁补偿霍尔电流传感器具有抗电磁干扰能力强，精度高，线性度和良好的动态性能和较宽的带宽优势。断路器分、合闸线圈电流的直流模拟信号采集及预处理过程如下:断路器的分合闸线圈直流电流工，经过霍尔电流传感器变换成0~100mA电流信号I，经过40~200的测量电阻R将电流信号I,转换成输出电压U0。随后U。进低通滤波器，滤波后接射极跟随电路，进行隔离和功率放大，供DSP采集。
（3）高压开关柜内接点温度信号的采集
在线光纤温度监测，装置可安装在各开关柜上，实现高压开关柜连续工作温度监测点。一种光纤温度传感器，包括温度测量、光纤调制器和光纤接口三部分组成。测量点用于测量温度，并将温度信号传给光调制器，将光纤调制器的温度信号转换成光信号，并将信号通过光纤传输给光纤监控主机。可以监控主机面板数字显示每个带电接点的温度值，可确定过热的接触程度，温度高报警。将温度监测和处理后的数据传输到DSP，实现接触温度开关柜的在线监测。协助操作员监控和分析开关柜接触过热情况，预测故障现场，确保开关设备安全运行。整个过程如图2-3所示。
2.2中央控制模块设计
2.2.1DSP最小工作系统
为了使DSP中央处理单元具有较强的通用性，硬件设计采用DSP最小工作系统的设计思想。在组建硬件系统时通过外围控制板的插接便可实现各种基于DSP的监控装置。DSP最小工作系统是整个监测单元的核心，由DSP及其外围基本控制芯片组成，主要包括64K的高速低功耗随机读写存储器CYC7C1021，给DSP提供+3.3V电源的电源模块TPS7333，电源监控模块MAX706和实时时钟模块DS1302等。相对于传统的单片机，数字信号处理器(DSP)具有更高的运算速度，能在一定时间内完成大量的数据处理，因此特别适合于实现运算密集、实时性要求较高的各种信号处理算法。本系统所采用的DSP是TMS320系列芯片TMS320LF2407。
2.2.2外部存储器的扩展
本文选择串行接口，它具有结构紧凑，高到256K的存储容量和不占用CPU的地址空间。在I2C总线串行通信的最高时钟频率可达400kHz，最大的写周期时间为5ms。此外，宽范围电压（+2.5V ~ 5.5V，低功耗设计以及输入和输出的噪声抑制功能of.i2c总线是芯片间的串行数据传输总线，可以实现完善的全双工同步数据传输，可以很方便的形成一个计算机系统和外围设备扩展的系统，从而大大降低硬件设计的难度，而且还节省了很多的CPU地址空间。本文采用通用的I/0引脚IOPC4,IOPCS,IOPE7分别控制24LC256的SCL,SDA和WP，用软件来模拟I2C时序。其中24LC256的SCL端口为串行时钟输入端，用于控制数据的输入与输出;SDA端口为串行数据输入、输出复用脚。WP的硬件写保护功能。当它接收到VSS，整个存储空间可以进行读写操作，当它接收到VCC，写操作是禁止的，但不影响读操作，相当于串行ROM功能。
2.3开关量输出模块设计
开关量输出模块接收中央控制模块输出的相应指令，完成对断路器的分、合闸操作控制。由于控制命令直接影响断路器的运行，所以控制电路必须有很高的可靠性和实时性。本系统开关量输出电路如图所示。其末端输出采用直流控制继电器，既完成了监控单元输出信号的功率放大，又实现了监测单元与一次电路电器上的隔离。设置一个门，因为并口负载能力有限，不足以驱动发光二极管，门满足两个条件，以便使J动作，提高抗干扰能力。在光电耦合到CPU和现场之间的电气隔离，以防止电磁干扰。
2.4通信模块设计
通信模块是监测系统能够实现网络功能的关键，用来完成现场监测系统与管理中心上位机之间各类信息的交换。本系统直接采用TMS320LF2407片上的16位CAN控制器来实现10kV高压开关柜智能化在线监测系统的远程通信。为了提高通信的抗干扰和可靠性，本设计在CAN总线控制器和CAN总线收发器之间的数据输入、输出通道上都加上了高速光祸6N137实现总线上各节点之间的电气隔离。本设计选用具有多种保护和抗干扰能力的PCA82C250差动驱动器作为总线接口。
3.系统软件设计
3.1数据采集程序模块设计
数据采集程序的核心即A/D中断服务程序。A/D中断服务程序的功能是将A/D采样得到的数据进行模数转换，并对采集的结果进行预处理，并根据最初的控制字决定是否进行数据传送。本程序采样时采用级连模式，一次最多可选择16个转换通道。转换完成后，在A/D中断服务子程序中将转换结果读出。数据采集程序的工作流程是:启动DSP处理器初始化，等待定时器或外部XINT1中断，当检测到中断信号时，转入相应的中断服务子程序。在中断服务程序中执行如下操作:
(1)重新初始化并使能定时器或外部中断。
(2)发出采样保持命令。
(3)启动A/D转换，并打开A/D转换结束中断。A/D转换结束即向DSP产生中断，中断服务程序首先读出A/D转换的结果，并保存到RAM存储单元中，然后转到下一采样通道，读取另一采样通道的采样点的A/D转换结果，直至全部通道信号的A/D转换结果全部读完为止。这样再接着进入下一个采样点的采样，循环采样将各路信号全部采完。
3.2信号处理及故障判断模块设计
(1)行程、超行程以及触头开距的在线确定
每个点的时间和相对位移的前提下，可以计算的参数，如行程，行程和距离。从大门到稳定位置的开口之间的稳态位置位移后的差异，是联系开模行程；从同一位置稳定之前切换到稳定位置之间的位移后的差异是关闭行程。随着车次数量的增加，断闸次数的减少超过了行程，使三相分离的起点完全分离到稳态的位移差。合闸行程为超三相接触结束后的全微分接触稳态位移。接触距离是断路器在开启位置、动触头与接触行程计算方法之间的距离减去触点的过程。
(2)分、合闸时间的在线确定
根据定义，合闸时间，从接收端、合闸时刻到全极（三相）触头分离，触点瞬时时间间隔。从启闭起点的终点出发，从第一点的机械特性取样（线圈电流的时间）是时间差点，合闸时间。同样地，通过线圈电流曲线提取起点和终点的终点。
(3)分、合闸速度和刚分、合速度的在线确定
通常情况下，移动触点的行驶速度的平均速度分别为。只是，速度是在动态接触和静态接触点，只是在分离过程中，接触率。任何时刻的瞬时速度都可以通过点的全行程位置来计算，计算发生的关闭操作时间。速度-时间曲线可用行程时间曲线计算。根据断路器的机械特性，根据要求，在6mm的开放速度计算后闭合点的平均速度，关闭速度是根据平均合闸速度在114mm计算。相同触点点，合闸时间也从线圈电流曲线中提取。该系统是用来打开电流和漏电流的有效值，将当前采样数据存储在其数据存储区中，计算其有效值。故障诊断模块的设计思想，利用旅行时间特性，线圈电流曲线计算断路器机械特性参数在内阁和分析方法，结合振动信号确定断路器故障，在漏电流和温度信号和断路器辅助触头电寿命预测的断路器的运行状态进行综合判断为了保证开关柜的安全运行。
3.3菜单处理程序模块设计
本平台键盘采用菜单操作方式，即菜单内容与程序分离。本设计中液晶主菜单页面如图3-1所示。图中的箭头表示选择，如图表示选择在“温度”菜单项，按“确认”键以后，液晶就进入接点温度监测结果显示，如图3-2所示。若想返回到主菜单，可以按“返回”键，液晶就会重新显示到图3-2所示的主菜单页。在该页面下，按“上”或“下”，就可以选择“绝缘”或者“电寿命”，按“确认”就可以进入相应的子页面。
设计了这样一个菜单显示，菜单内容，即液晶显示库，按照一定格式保存起来，该库文件可以显示修改内容的内容。根据指定菜单项的要求，即每一个屏幕都需要显示该函数的内容，然后将菜单文件开发成每个菜单的对象，该对象包含一些用于程序标识的属性，基于层次关系的对象菜单本身表示树的数据结构，每个菜单项对象作为树节点，通过菜单程序是节点指针遍历整个树，显示属性菜单显示取决于节点。这使得菜单可以定制，无需大量修改程序，就需要编写一个新函数加入菜单项库。
3.4数据存储模块
需要完成原始数据，包括各种特征参数和处理后的数据和记录断路器参数记录，为本地显示器或上位机，控制中心服务器提供现场操作数据。为了有效地、正确地执行程序，必须在中央处理模块RAM区域监测单元中设置了几个特殊的数据存储区，监测，故障条件下，设置不同的数据值，每种数据存储在相应的格式进行数据处理，并呼叫转移，节省存储空间为了最大限度地实现数据共享。本文采用eeprom24lc256作为外部存储器。通过调用通用读写24LC256子程序，可以实现TMS320LF2407和24LC256之间的数据交换，完成本地记录的函数被调用的内存等功能基于eeprom24lc256和数据。
3.5远程通信程序模块设计
可以将数据发送到系统的其他节点转换成程序功能，当系统需要发送数据时调用这个函数，将数据发送到CAN总线。该系统接收数据采用中断响应信号，在中断程序中单片机将接收到的数据为总线通信的软件设计包括程序初始化、数据接收程序和数据传输程序
（1）初始化程序
在使用DSP模块，需要设置它的一些内部寄存器，包括位定时器和邮箱。通过CAN控制器的初始化，只要它配有正确的程序，就可以实现CAN总线的数据收发。
（2）CAN总线数据发送程序
CAN控制器发送邮箱有邮箱4和邮箱5，以及配置为发送邮箱和邮箱的邮箱3，本设计只使用邮箱4发送邮箱。将数据写入到发送邮箱的数据区域后，将对应于邮箱4的请求的数据设置为1，并且邮箱4中的数据可以发送到CAN总线。在发送数据之前，确定要发送的程序数据的地址指针，然后从数据存储空间中的数据发送到这个地址。同时由邮箱计算发送数据，以确定发送数据帧时要发送的数据长度小于8字节，数据将需要分裂成多帧发送。
（3）CAN总线数据接收程序
CAN控制器的接收邮箱有邮箱0和邮箱1，并可以配置为接收邮箱和邮箱3，本文仅邮箱，作为接收邮箱，当CAN控制器接收数据时，将要接收的数据的标识符与对应的接收邮箱进行比较，并且只能接收具有相同标识符的数据。中断子程序通过CAN总线完成接收数据，当接收中断发生时，CAN接收机接收一个数据帧，首先确定数据结构和属性，以及数据的长度，意义。如果单帧数据，那么数据将直接存储到指定的数据寄存器；如果多个数据帧，将接收到的数据存储在缓冲区，然后继续接收其余的数据帧，直到接收完成。接收数据后，程序将接收到的数据进行重组、还原，最后将数据存储在指定的数据寄存器中。
总结：
本文设计的评估平台能对开关柜内设备健康状况进行实时监控，并明确有效的提供预警机制。将开关柜内各类设备运行信息纳入数据仓库，通过数据挖掘技术，对设备健康状态进行智能分析、综合诊断和评估分析，提前发现故障隐患，减轻运维人员劳动强度，提高运维效率。实现对开关柜内设备的实时状态评估，延伸变电站运维精细化管理，同时也提升智能电网管理水平。
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论文作者:陈云强,谢宗喜,曾胜,付海彦,鄢敏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/27
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