提升車載式移動變電站運(yùn)行安全的5G+水平平衡監(jiān)測系統(tǒng)的探究

0   引言

移動變電站是一個結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)運(yùn)方便、安裝快捷的可移動式小型變電站。電氣設(shè)備主要由高壓開關(guān)、流變、壓變、隔離閘刀、接地變、主變、站用變、低壓開關(guān)柜、交直流系統(tǒng)及二次保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，整體搭載在移動式平板車上，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可極大提高供電可靠性，縮短關(guān)鍵供電用戶的停電時間，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關(guān)配置的氣體繼電器、瓦斯繼電器等設(shè)備的動作穩(wěn)定性。車載式移動變電站設(shè)備主要配置于平板車上，依靠平板車配置的多個液壓支撐桿保持設(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)行在同一個水平面上。

作者簡介：張擁軍，男，工程師，從事電力一線生產(chǎn)工作。

1   問題分析

1.1 車載式移動變電站結(jié)構(gòu)

移動變電站設(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勵磁降壓變壓器；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關(guān)間隔。

圖1 變電車布置圖

圖2 配電車布置圖

主變配置有PCS978 電量保護(hù)，主要包括差動保護(hù)、復(fù)合電壓閉鎖、過流等。同時，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)。各類保護(hù)在車載式移動變電站運(yùn)行時實(shí)現(xiàn)對故障的快速判斷與排除。

1.2 水平度的高要求

配電車上布置有主變保護(hù)測控、遠(yuǎn)動主機(jī)及各出線設(shè)備保護(hù)測控裝置。這些設(shè)備為微機(jī)型設(shè)備，對運(yùn)行環(huán)境要求較高，一旦發(fā)生平衡問題，將對這些設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性帶來風(fēng)險(xiǎn)。

由于主變?yōu)橛徒^緣設(shè)備，其非電量保護(hù)通過內(nèi)部油的流速、油內(nèi)氣體量以及內(nèi)部油壓來實(shí)現(xiàn)實(shí)時保護(hù)。如果變電車發(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)存在誤動風(fēng)險(xiǎn)。一旦非電量保護(hù)誤動，將跳開主變兩側(cè)開關(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)時監(jiān)測。研制一種無線的水平平衡監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)對車載式移動變電站各設(shè)備配置區(qū)的相關(guān)平衡度的實(shí)時監(jiān)視和快速報(bào)警。配置1 臺中央控制器，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測裝置的信息匯總以及狀態(tài)評價(jià)，及時發(fā)出本地與遠(yuǎn)程報(bào)警信號，實(shí)現(xiàn)水平度異常的預(yù)防。同時，其還可以在車載式移動變調(diào)整各液壓支撐結(jié)構(gòu)時提供水平度的校核值，幫助移動變運(yùn)行維護(hù)人員調(diào)整車載式移動變設(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)

車載式移動變電站設(shè)備主要配置于平板車上，依靠平板車配置的多個液壓支撐桿保持設(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)電動調(diào)節(jié)，與水平平衡監(jiān)視器構(gòu)成一體化聯(lián)動，從而保證車載式移動變電站設(shè)備運(yùn)行面的水平傾斜度達(dá)到運(yùn)行要求。移動平板車水平度監(jiān)測裝置由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，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)視模塊通過角度傳感器實(shí)現(xiàn)水平傾斜度數(shù)據(jù)監(jiān)測，利用核心控制器（MCU）控制傳感器實(shí)現(xiàn)3 次/min 的角度測量，從而保證水平度的監(jiān)測時間頻率。之后，MCU 將監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)字化后通過WLAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸至核心控制模塊。核心控制模塊通過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、數(shù)值等詳細(xì)信息，以短信形式通知安全管理員，同時完成錄波。

圖5 5G+水平平衡監(jiān)測系統(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)采用傾角測量理論；依據(jù)相關(guān)物理原理及系統(tǒng)學(xué)說，在同一個系統(tǒng)內(nèi)部，速度V 是不可測量與計(jì)算的，而速度的變化量卻是可以計(jì)算的，即加速度可測。若一個系統(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，則意味著傳感器在各個方向上（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傾斜角，從而實(shí)現(xiàn)對傾斜度的測量。通過該傳感器獲得角度數(shù)據(jù)和信號后進(jìn)行高精度A/D 轉(zhuǎn)換獲取數(shù)字信號，再經(jīng)過濾波、平滑、方差估計(jì)等數(shù)據(jù)處理方式處理，得到高精度瞬時加速度，從而確定測量傾斜角的準(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，通常測量范圍為-30°~30°，可以滿足車載式移動變電站設(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 存儲器、SPI 傳輸接口、信號調(diào)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(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，分別對兩個靈敏軸情況進(jìn)行感測，從而完成對水平面的傾斜和俯仰角度的計(jì)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(shù)字信號輸出。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(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模擬輸出端，分別接入數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入通道。同時，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 芯片而開發(fā)的。該芯片是32 位內(nèi)核，性能優(yōu)良、成本低廉、性價(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

針對移動變電站運(yùn)行特殊要求開發(fā)的提升車載式移動變電站運(yùn)行安全的5G+ 水平平衡監(jiān)測系統(tǒng)，基于雙靈敏軸傳感器實(shí)現(xiàn)對車載移動變電站水平平衡度的實(shí)時監(jiān)測；基于5G 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及報(bào)警信號的實(shí)時傳輸，提升了車載式移動變電站運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

該裝置及對應(yīng)方法可以應(yīng)用于車載式移動變電站，檢測靈敏，報(bào)警及時可靠，方便使用，通用性強(qiáng)，能夠?qū)σ苿幼冸娬酒桨遘囁蕉冗M(jìn)行有效監(jiān)測，消除因?yàn)槠桨遘囁蕉犬惓６鸬陌踩[患，保證設(shè)備和人身安全。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）