配电设备状态监测与故障诊断系统研究

徐一铭+刘杨涛

摘 要：智能变电站具有信息化、数字化以及操作可视化等特点，是未来电网发展中的一个核心环节。因此对于变电站设备的监控直接影响着电能输送的质量，鉴于此，文章对配电设备状态监测与故障诊断系统的研究进行简要分析，并且介绍了断路器状态检测和故障诊断，从而更深入地掌握该监测设备的实际功效。

关键词：配电设备；状态监测；故障诊断

中图分类号：TM845 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）30-0101-02

配电设备的在线监测技术，主要是针对设备实际工作状态，通过现代化的监测手段以及科学有效的评价手段，来判断设备的运行状态和使用寿命。通过配电设备状态监测与故障诊断系统，可以自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等功能，同时，具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能，提高配电设备的运行稳定性和安全性。因此，在线监测和状态检修时，配电设备状态监测与故障诊断系统是智能变电站自动化水平的体现，是未来电网发展的主要方向。本文就对配电设备状态监测与故障诊断系统进行详细分析。

1 配电设备状态监测系统的功能架构设计

配电设备状态监测与故障诊断系统是智能电网的重要组成部分，主要针对变电站内的变压器、电压互感器、电流互感器、电容器、断路器以避雷器等设备进行在线监测。配电设备状态监测与故障诊断系统功能结构，如图1所示。

1.1 系统构成

由上图可知，配电设备状态监测与故障诊断系统主要通过在线诊断的方式，通过对历史数据、在线实时数据来判断配电设备的运行状态，为后期设备的检修和保养提供必要的理论依据。具体包括变电站内的变压器状态监测与故障诊断装置；电压互感器状态监测与故障诊断装置；电流互感器状态监测与故障诊断装置；电容器状态监测与故障诊断装置；断路器状态监测与故障诊断装置以及避雷器状态监测与故障诊断装置。

1.2 系统功能

配电设备状态监测与故障诊断系统主要功能包括提供配电设备在线或者非在线监测信息的浏览；智能诊断；故障分析、预测和评估等。配电设备状态监测与故障诊断系统主要采用现代互联网技术，用户可以通过浏览器查询配电设备的相关数据和运行状态信息，同时可以借助主机对配电设备的实时监测数据进行分析计算，并将最终结果反馈给用户。智能诊断主要涉及到变电站内的变压器、电压互感器、电流互感器、电容器、断路器以避雷器等设备，状态监测装置具有数据信息事实录入功能、数据修改、查询以及显示和打印功能，故障诊断采用了人工智能理论，能够准确有效的指出设备的实时状态，并且根据设备的历史数据和工作状况，预测设备未来的云翔状态，能够对潜在故障隐患进行有效预判。当设备发生故障或者灾害时，系统可以帮助分析该设备发生故障的具体原因，并且计算损失，便于对故障采取进行及时有效的维护处理，并且将损失降到最低。

2 在线监测系统的软/硬件设计

本文主要从触头温度及行程监测两个方面，分析断路器的状态监测与故障诊断。断路器触头温度及行程监测系统，采用分布式结构，由一个上位机监测模块和多个温度、行程测量模块构成，彼此间通过无线传输方式进行通信，具体设计如下。

2.1 断路器在线监测系统的硬件设计

温度、行程测量模块的硬件设计主要包括单片机、传感器、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、无线射频芯片以及数据转换芯片构成。通过传感器对断路器的触头温度以及行程数据进行实时采集，然后再利用无线通信的方式传输到上位机模块进行深入分析和处理。温度、行程测量模块结构，如图2所示。

从图2中可以看出，断路器触头温度、行程测量模块主要可以分为温度测量单元、行程测量单元以及无线通信单元三个部分。其中温度测量单元主要由远红外温度传感器和数据转换芯片组成，通过远红外温度传感器对触头温度进行实时监测，然后在利用数据转换芯片将传感器监测到的电压信号转换成可供单片机利用的数字模拟信号；行程测量单元主要由光电编码器、信号处理电路、数据转换芯片以及数据存储器组成；无线通信单元主要通过无线射频芯片完成对数据信息的无线传输。无线通信测量模块对应的地址是唯一的，当测量模块接收到上位机发送的数据包后，与相应的地址进行比对分析，如果相同则立刻向上位机恢复应答信号，如果不同，则不做任何回复。这三个单元主要由单片机微处理器对其进行控制，从而实现数据信息的收集与传输。

2.2 断路器在线监测系统的软件设计

断路器触头温度、行程测量模块软件设计包括主程序设计、温度测量软件设计以及行程测量软件设计三个部分。

①主程序是接收数据，发送指令的核心环节，具体包括接收上位机发送的触头温度测量指令、行程数据传输指令等。主程序的工作流程，如图3所示。

从图中可以看出，主程序接收到指令后，根据不同类别将指令分别传输到温度测量传输和行程测量传输单元中并完成相应的操作，当数据传输完成后，主程序进行初始化，并进入查询状态等待下一次指令的发送。

②温度测量软件由I/O CLOCK和CS共同定义串行接口的6种时序模式。其工作过程主要有模拟量采样、模拟量转换和数字量传输三个阶段。模拟量采样过程中，CS需要保持高电平，当电平变低时，在第三个I/O CLOCK下降沿，开始对输入模拟量进行采样，采样周期维持7个I/O CLOCK，并且在第10个I/O CLOCK下进行降沿锁存；在模拟量转换过程中，CS由低电平转换成高电平，I/O CLOCK禁止模拟数据转换结果的输出，此时DATA OUT处于高阻状态，单元内的CMOS门限检测器通过检测一系列电容的充电电压决定模拟转换后的数字量的每一位，转换过程不超过21μs；在数字量传输阶段，CS由高电平变为低电平，允许I/O CLOCK正常工作，并使DATA OUT脱离高阻状态，接收上次的转换结果。期间需要移出上次转换结果数据量对应的最高位，下一个I/O CLOCK的下降沿驱动DATA OUT输出上一次转换结果数据量对应的次高位，依次第9个I/O CLOCK的下降，沿驱动DATA OUT输出上一次转换结果数据量的最低位，第10个I/O CLOCK的下降沿驱动DATA OUT输出一个低电平，以便串行接口的传输大于10个时钟。

在CS的下降沿，上一次转换的最高位MSB，出现在DATA OUT端，10位数字量通过DATA OUT发送到微处理器。为了开始传输，将需要10个时钟脉冲，在第10个时钟脉冲的下降沿，内部逻辑把DATA OUT拉至低电平，确保其余位清零。在正常转换内，CS端由高电平至低电平的跳变，可以终止该周期，器件将返回到初始状态，输出数据寄存器的内容保持为上一次转换结果。由于可能破坏输出结果数字量，所以在接近转换完成时，需要将CS拉至低电平。

3 结 语

综上所述，伴随着我国智能电网建设的快速发展，配电设备在线监测系统的实际应用越来越普遍，其发挥的作用也越来越重要。配电设备状态监测与故障诊断系统，可以对运行状态下的变压器、电压互感器、电流互感器、电容器、断路器以避雷器进行在线监测，并且通过相应的软件系统，对这些设备的状态检测数据进行分析和诊断，从而便于技术的发现配电设备的潜在故障，同时，根据分析结果对该设备进行检修和保养，从而提升了配电设备运行的可靠性和稳定性，使其运行质量得到改善，有效地延长使用寿命，降低电力部门的运维成本。

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