10KV环网柜故障下配电网设备检修系统研究

扬州北辰电气集团有限公司 席晓波

配电网是电力系统的基础，承担着为用户提供高质量电能的任务，是配电网稳定运行的关键环节，其安全性与可靠性具有至关重要的意义。配电网设备长期在户外作业，会受到大气腐蚀、化学作用以及天气环境的影响，设备状态也会逐渐变坏，直接影响配电网的稳定运行。如何实时检测、检修配电网设备状态成为电力行业重点研究课题之一。

随着我国智能电网建设的不断推进，传统的放射式、树干式配电网已经无法满足电网建设以及社会大众的需求，环式配电网应运而生。环式配电网指的是供电干线可以构成一个闭合的环形，由供电电源向环形干线供电，在干线上一路通过高压开关向外配电。环式配电网形式中最为关键的设备为环网柜。环网柜指的是一组输配电气设备，主要安装在金属或者非金属绝缘柜内，核心部件为熔断器、负荷开关，具有体积小、结构简单、价格低廉、性能好等优势。环网柜实质上是一种高压开关设备，直接决定着环式配电网能否正常作业。

10KV环网柜在现今配电网中应用最为广泛，性能较佳，但依然存在着一定的缺陷。例如由于10KV环网柜作业次数过多，会导致设备温度上升，从而破坏环网柜的绝缘层，影响环网柜的整体性能，故提出10KV环网柜故障下配电网设备检修系统研究。

1 配电网设备检修系统硬件单元

环网柜故障主要由温度与振动造成的，故设计系统硬件单元为无线测温传感器硬件单元、振动传感器单元与环网柜数据采集单元，具体硬件单元设计过程如下所示。

1.1 无线测温传感器硬件单元

无线测温传感器由数字式测温芯片、CPU、无线通信芯片以及供电电池构成。

依据设计系统需求，数字式测温芯片选取TMP102芯片；为了保障测温传感器的安装便利性，采用电池供电方式。测温传感器供电电池选用2节1000mAh锂电池，其使用寿命可以长达5年；测温传感器CPU选用Microchip公司生产的PIC16F690芯片，该芯片中自带存储器，功能为存储测温传感器的唯一地址编号，利用通信线路获取数字式测温芯片测量数据。

考虑到硬件单元之间的连接问题，测温传感器中CPU芯片需要具备PC817硬件，以此实现电平转换，方便测温传感器与其他硬件单元的连接。

1.2 振动传感器单元

振动传感器是设计系统的关键硬件之一，其功能为接收环网柜机械量，并将其转换为与之成比例的电量。振动传感器实质上是一种机电转换装置，故也可将其称为换能器。

振动传感器通过高速UART接口和采集单元连接在环网柜上，当环网柜机械开关时，传感器外壳随环网柜振动，由惯性质量块记录笔记录下传感器外壳的相对振动位移幅值，利用标准关系式求解环网柜的振动位移波形。

振动传感器参数设置情况如表1所示。

表1 振动传感器参数表

1.3 环网柜数据采集单元

环网柜数据采集单元任务是接收温度、开关震动位移数据等信息。总体结构由传感器模块、下位机、通信模块、以及上位机组成。上述配置均是依据成本、稳定性、系统开发周期等因素决定的其结构图如图1所示。

首先由传感器从现场采集信号，做初步的信号调理和A/D转换后，实现数据传输，将信号传输到下位机完成信号处理等功能，如果系统出现异常则会动作于跳闸或发出报警信号，并将与事故相关的信息存储起来，实现对设备监控保护的目的，同时将信号通过CAN总线系统上传，实现与上位机的通信。此外所设计的监测系统还具有较强的抗干扰能力。

上述过程完成了系统硬件单元的设计，但是依然无法实现配电网设备的检修，故以设计硬件单元为基础，设计系统软件模块。

图1 硬件结构框图

2 配电网设备检修系统软件模块

2.1 测温传感器软件模块

当配电网设备中存在高电流时，电缆易产生高温故障，导致设备无法运行，因此需要实时监控环网柜温度状况。测温传感器利用无响应方式向环网柜数据采集单元传输采集数据，采样间隔为30s，数据传输间隔为5min。需要注意的是，若温度数值变化幅度大于2℃或者温度数值高于75℃时，测温传感器实时传输数据至环网柜数据采集单元。

测温传感器软件模块主要任务是设置主程序，具体步骤如下所示：

步骤一：初始化测温传感器；配置I/O方向寄存器，并唤醒测温传感器；

步骤二：休眠CPU10ms，为温度信号转换做准备；

步骤三：唤醒CPU，读取传感器温度数值；

步骤四：判断是否发送温度测量数据，若发送温度测量数据，转至步骤五；若不发送温度测量数据，转至步骤六；

步骤五：唤醒RF子模块，发送温度测量数据，发送结束后休眠RF子模块；

步骤六：I/O口低功耗配置，重新休眠CPU10ms，休眠时间结束后，唤醒CPU，转至步骤一，直至全部温度测量数据发送完成结束。

2.2 振动检测分析模块

现有研究成果表明，运行状态良好的环网柜状态具备极大的相似性，以此为依据，构建一种相对的判断标准。以已知的环网柜正常状态为参考，计算环网柜待检状态与参考状态的相似程度，若该数值在一定范围内，判定环网柜状态正常；若该数值超出给定范围，判定环网柜出现故障。

环网柜作业过程中，分、合闸振动强烈，其形成的振动波形属性为非线性非平稳信号，频率分布较为随机，具有极强的不确定性。故利用小波包分析法处理由振动传感器获取的振动位移波形。

采用小波包分析法对振动信号进行分解，依据其高频重构系数计算全电流瞬时值，若数值超过给定阈值，则认为环网柜处于故障状态。全电流瞬时值计算公式为：

式（1）中，B(n)表示的是环网柜作业的标么值；T(n)表示的是环网柜作业的正常运行时电流幅值；R(n)表示的是环网柜作业的高阶细节分量；n表示的是采样点；m表示的是采样点总数量。

通过上述硬件单元与软件模块的设计，实现了配电网设备检修系统的运行，为环式配电网稳定运行提供更加有效的保障。

3 实验结果与分析

3.1 实验准备

采用MATLAB软件设计仿真实验，验证设计系统的性能。为了保障仿真实验的顺利进行，充分准备仿真实验设备以及参数，具体实验准备内容如下所示。

仿真实验需要测量环网柜开关动作次数、温度以及环境温度等数据，同时还需要开展巡检、状态评价等辅助决策等工作。

设置测温传感器与振动传感器数量分别为3与5个，环网柜检修传感器如图2所示。以此来保障采集数据的完整性，增强实验数据的精确度，得到更加精准的实验结论。

图2 环网柜检修传感器安装图

3.2 实验结果分析

依据实验准备情况进行仿真实验。模拟5类环网柜故障，分别进行5次实验，取加权平均数作为实验结果，通过环网柜故障检测成功率反映设计系统性能，与基于DA的电缆配电环网故障定位与隔离方法对比实验结果分析过程如下所示。

通过实验得到环网柜故障检测成功率数据如表2所示。

表2 环网柜故障检测成功率数据表

如表2数据显示，本文方法环网柜故障检测成功率范围为78.451%～84.125%，基于DA的电缆配电环网故障定位与隔离方法环网柜故障检测成功率范围为45.287%～62.451%。通过对比发现，本文方法设计系统环网柜故障检测成功率远高于基于DA的电缆配电环网故障定位与隔离方法，充分说明设计系统性能更佳。

结束语：此研究以10KV环网柜作为研究对象，设计了配电网设备检修系统，仿真实验结果表明，设计系统环网柜故障检测成功率达到78.451%以上，最高达84.125%，极大地提升了环网柜故障检测成功率，可以为环式配电网的发展与应用提供更加有效的支撑，适合大力推广与使用。