提升車載式移動變電站運行安全的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構緊湊、轉運方便、安裝快捷的可移動式小型變電站。電氣設備主要由高壓開關、流變、壓變、隔離閘刀、接地變、主變、站用變、低壓開關柜、交直流系統(tǒng)及二次保護、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，整體搭載在移動式平板車上，應用領域廣泛，可極大提高供電可靠性，縮短關鍵供電用戶的停電時間，有效降低其經濟損失^[1]。在電力系統(tǒng)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關配置的氣體繼電器、瓦斯繼電器等設備的動作穩(wěn)定性。車載式移動變電站設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備運行基礎面的水平度，以使電氣設備穩(wěn)定運行在同一個水平面上。

作者簡介：張擁軍，男，工程師，從事電力一線生產工作。

1   問題分析

1.1 車載式移動變電站結構

移動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變組接線形式，由一回高壓進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，設備采用金屬鎧裝固定中置式開關柜，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，主要包括差動保護、復合電壓閉鎖、過流等。同時，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。各類保護在車載式移動變電站運行時實現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測控、遠動主機及各出線設備保護測控裝置。這些設備為微機型設備，對運行環(huán)境要求較高，一旦發(fā)生平衡問題，將對這些設備的運行穩(wěn)定性帶來風險。

由于主變?yōu)橛徒^緣設備，其非電量保護通過內部油的流速、油內氣體量以及內部油壓來實現實時保護。如果變電車發(fā)生失衡或傾斜，則將導致內部油位、油壓、油速的變化，保護存在誤動風險。一旦非電量保護誤動，將跳開主變兩側開關，發(fā)生大面積的停電事故。

1.3 解決思路

預防為主，實時監(jiān)測。研制一種無線的水平平衡監(jiān)測裝置，實現對車載式移動變電站各設備配置區(qū)的相關平衡度的實時監(jiān)視和快速報警。配置1 臺中央控制器，實現對監(jiān)測裝置的信息匯總以及狀態(tài)評價，及時發(fā)出本地與遠程報警信號，實現水平度異常的預防。同時，其還可以在車載式移動變調整各液壓支撐結構時提供水平度的校核值，幫助移動變運行維護人員調整車載式移動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

車載式移動變電站設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備運行基礎面的水平度。各液壓支撐桿應實現電動調節(jié)，與水平平衡監(jiān)視器構成一體化聯(lián)動，從而保證車載式移動變電站設備運行面的水平傾斜度達到運行要求。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，可配置于各設備的支撐桿位置處與重要設備運行界面上，實現水平傾斜度的實時監(jiān)視。核心控制模塊負責接收各監(jiān)視模塊的監(jiān)視數據，進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(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 通信技術的天線外，還配置有WLAN 傳輸天線，從而實現與各水平傾斜度監(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、電源雙位開關和雙位置指示燈。聲光報警器可實現數據越限的快速報警，高精度顯示屏可實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(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現水平傾斜度數據監(jiān)測，利用核心控制器（MCU）控制傳感器實現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)測數據數字化后通過WLAN 網絡傳輸至核心控制模塊。核心控制模塊通過WLAN 網絡獲取各水平傾斜度監(jiān)視模塊的數據，同時進行數據閾值判別，并根據閾值比較結果進行相應動作。若水平傾斜值超出或低于閾值，則由MCU 進行聲光高進控制，并同步利用5G 網絡發(fā)出報警短信及越限水平傾斜度監(jiān)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 原理設計

基于牛頓第二定律，常用的角度傳感器技術采用傾角測量理論；依據相關物理原理及系統(tǒng)學說，在同一個系統(tǒng)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。若一個系統(tǒng)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，利用慣性定律計算系統(tǒng)內的加速度^[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，從而實現對傾斜度的測量。通過該傳感器獲得角度數據和信號后進行高精度A/D 轉換獲取數字信號，再經過濾波、平滑、方差估計等數據處理方式處理，得到高精度瞬時加速度，從而確定測量傾斜角的準確數值。

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行精確計算和感知，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(wěn)定性。為了進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，實現溫度補償，進一步降低環(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)生時的計算方法為例，進行重力加速度與加速度值之間的關系推演：

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模擬輸出端，分別接入數模轉換器的輸入通道。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電源及數據，實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 芯片而開發(fā)的。該芯片是32 位內核，性能優(yōu)良、成本低廉、性價比高、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

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

該裝置及對應方法可以應用于車載式移動變電站，檢測靈敏，報警及時可靠，方便使用，通用性強，能夠對移動變電站平板車水平度進行有效監(jiān)測，消除因為平板車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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（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年6月期）