基于姿态传感器的刀闸状态在线监测系统的研究

山东电工电气集团有限公司 史存伟 李凤民 傅春明 张 猛 王 坤 刘恒志

本文设计了一套基于多参量姿态传感器的组合电器分合闸状态在线监测系统，通过直接测量刀闸操纵杆的位置量实现刀闸位置的精准判定，在不影响设备性能的前提下，与原有的刀闸辅助接点判定刀闸位置的方式共同形成了非同源的刀闸位置“双确认”判定系统。该监测系统安全、可靠、稳定，为能源物联网建设起到了积极地推动作用。

目前，智慧变电站倒闸操作多采用“一键顺控”技术，其中刀闸分合闸状态为“一键顺控”的重要判据，刀闸远方操作时，至少存在两个非同源指示同时发生对应变化，才能确认刀闸已操作到位。刀闸分合闸“双确认”的第一种判据一般采用辅助开关接点方式判断位置状态。另一种非同源方式主要监测方法有：行程、视频、压力、光栅、姿态传感器法等监测方式，根据刀闸传动结构特点，不同的刀闸在位置变化时操动机构的传动机构动作特性不同，但主要操动机构会呈现出姿态变化，因此第二判据主要目的是测量刀闸的姿态位置。

姿态传感技术广泛应用在航模无人机、车辆船舶、人体运动分析等测量方位领域中。本设计在不影响设备性能的前提下，通过在刀闸操纵杆安装姿态传感器的方式，将监测信号传输到刀闸状态接收装置系统，实现一种非同源的刀闸分合闸位置监测方式。与原有的刀闸辅助接点判断结果结合形成刀闸分合闸状态“双确认”系统，融合到一键顺控系统中，保证了设备刀闸操作安全执行。该系统作为刀闸“双确认”的第二判据，具有高精准度及免维护的优点，可将传统倒闸144项操作缩减为12项操作任务，极大提升了工作效率及安全性。作为“一键顺控”技术的推广应用，将给智能变电站带来可观的经济效益，同时增加了可靠供电时长，对电网系统的能源物联网建设起到了积极地推动作用。

1 系统架构

姿态传感器信号通过串口将刀闸分合闸状态信息发送给刀闸状态接收装置，刀闸状态接收装置经过解析判断后，将表示刀闸分合闸状态的无源接点输出至测控装置（常规站） 或就地装置（智能站），针对不同应用场景，可设计有线传输和无线传输方式，实现多种运动工况下刀闸监测。刀闸状态接收装置将传感器的角度、分合闸时间、刀闸状态等信息通过RS485接口或者网口上传给后台系统，其中，网口信息一般采用IEC61850协议，后台系统可直接部署于变电站辅控平台也可部署在单独的一键顺控主机中。实现刀闸分合闸状态监测和“双确认”功能。图1所示为传输系统框架图。

2 基于姿态传感器的刀闸位置监测系统设计

图1 传输系统框架图

本文所设计的刀闸分合闸位置在线监测系统主要有姿态传感器、刀闸状态接收装置及上位机信息系统组成。多参量姿态传感器通过测量刀闸操作杆的姿态变化量后将信息传送给信号接收装置，从而计算分析得出刀闸位置信息，通过软件算法对应实时监测判断出“分闸到位”、“合闸到位”、“分闸异常”、“合闸异常”四种状态。对于每台刀闸设备分合闸状态，输出3对接点信号，2路用于刀闸分合闸状态，1路表示传感器故障接点信号，传感器故障接点闭合，正常时分开。另外，接收装置通过IEC61850协议将监测到的信号传送给后台系统，进而与传统的辅助开关接点判定刀闸位置的方式共同形成了非同源的刀闸位置“双确认”判定系统。

2.1 多参量姿态传感器的设计

姿态传感器采用加速度计、磁传感器、陀螺仪的多参量传感器和微处理器等构成，内部嵌入扩展卡尔曼滤波算法，能够快速精确的解算出航向角、俯仰角和翻滚角等信息，测量分辨率为0.01°，可进行内部自校准。采用独立硬件看门狗及高速无限读写次数铁电存储器。具备数据采集、数据标定、参数配置、地址设置等众多功能，俯仰角/翻滚角测量范围-360°～+360°（可自行设置，最大-1800°～+1800°）；航向角测量范围-720°～+720°（可自行设置，最大-1800°～+1800°）。

2.2 信号接收装置的设计

信号接收装置由微处理器模块、电源模块、继电器模块、通信模块和状态显示模块构成。主要完成传感器刀闸角度量分析、刀闸分合闸状态判断、继电器无源接点开出和标准协议输出等功能。信号接收装置主要技术指标：输入信号为18路信号接入；输出开关量信号为18路常开、常闭接点输出；电源输入为AC100-240V；电源输出3路DC24V输出。整个硬件系统以ARM处理器最小系统为核心，通过不同类型的数字接口连接各个功能子模块组成系统整体框架。硬件设计框图如图2所示。

系统控制板主要功能如下：

（1）数据通信功能：系统控制板通过串口与姿态传感器进行通信，获取姿态信息。

（2）装置自检与故障指示功能：具有装置自检功能，包括自身状态自检、传感器状态自检、通信状态自检等，配备本地故障指示灯，并上传至上层网络系统；信号接收装置应有传感器故障就地指示灯，能够就地判断传感器工作状态。

（3）防死机功能：系统设计了看门狗芯片监测主控制器的工作状态，保证整个系统能够长期稳定工作。一旦主控制器出现死机状态，立即进行复位操作。

图2 硬件设计框图

（4）就地调试功能：信号接收装置具备就地调试功能，能够现场进行程序升级，就地实现信号解析、传感器的地址设置，具有对传感器进行精度校准功能，并可通过后台系统或装置自身下发同语言指令，召唤任意一个传感器的采集数据。

（5）数据解析与协议转换功能：根据与姿态传感器的通信协议解析所需要的参数信息，能够分析传感器监测到的位置数据变化情况，根据与上层的通信介质与协议，应将刀闸的分合闸状态和分合闸异常状态进行协议封装上层网络系统。

系统接口设计（表1、表2）：

表1 对外接口配置

表2 指示功能配置

硬件电路设计：

开出电路板采用2块标准板，每块提供12路开关量；同时增加3路电源控制，一路负责给继电器供电，一路控制CPU的GPIO口控制信号；一路控制+24V备用电源输出。如图3所示，YK1和COM为遥控输出的常开接点，K1为继电器，U1为光电耦合器，起到隔离作用，继电器K1的线圈3、4脚分别接光耦输出脚3，24V电源地GND24V，光耦输出脚4接24V电源正，光耦的输入管脚1接操作电源VCC_OP，管脚2（YK1_CPU）接到MCU的GPIO口，单片机通过输出高低电平控制光耦的关断、导通，从而控制继电器线圈的电源，达到控制继电器触点分合目的。

RS-485通信电路模块如图4所示，电路输出端通过TVS二极管增强抗干扰能力，保持通信稳定。U5为485收发芯片，管脚1为监测端口，连接到MCU的UART_RX，管脚4为发送端口，连接到MCU的UART_TX，管脚2、3为收发控制管脚，通过三极管Q1来控制监测或发送状态，三极管的基极（RS485_CON1）连接到MCU的GPIO，输出高电平时为监测状态，输出高电平时为发送状态，CL1为共模电感，用来抑制共模干扰，TVS1、TVS2、TVS3为瞬态抑制二极管，用来防止浪涌或静电放电对电路造成损坏，R14为线路终端匹配电阻，RS485_1_A、RS485_1_B为485电路信号接口。

2.3 信号接收装置系统下位机软件设计

信号接收装置下位机软件采取嵌入式开发系统，软件的整体设计思想采用轮询的方式，根据系统任务需要执行应用层相应的功能程序，完成系统任务的调度与管理。

图3 开出电路板继电器控制电路图

图4 RS-485通信电路图

图5 下位机软件架构图

软件架构采用分层结构设计，从上到下依次为应用层、基础层和驱动层。如图5所示。该设计可将复杂功能简单化，降低层与层之间的依赖，有利于程序的标准化以及功能的增添或替换。驱动层主要负责对底层硬件电路和芯片的访问，实现对不同功能电路的控制、对采集芯片的驱动：主要包括SPI读写驱动、不同功能的串口驱动与模数转换驱动。基础层位于驱动层的上层，主要负责将相对应的驱动层封装成程序服务单元，给顶层的应用层提供简单灵活的接口，便于实现不同功能：主要包括系统参数配置程序、上电自检程序、与传感器之间的通信任务、与上位机软件之间的通信任务、以太网信息收发任务、电压电流信息采集任务、状态指示输出任务、无源开关量输出任务。应用层位于分层结构的最顶层，主要负责包括数据采集、数据存储、数据导出等任务的切换。在应用层中，有人机交互程序、系统初始化程序、数据采集程序、状态指示程序。

传感器数据接收与处理：

传感器接收并处理数据流程如图6所示，传感器数据主要分为姿态数据和地址应答。姿态数据根据分合闸判据进行判断，并根据与上位机的通信协议将分合状态与具体参数进行上传；地址应答是上位机设置地址的具体应答，信号接收装置作为中继站将设置结果反馈给上位机。

信号接收装置：

信号接收装置收到上位机参数类型与上位机软件的功能相关，主要分为传感器地址与分组设置、分合闸角度设置、分合闸容差角度设置、分合位标定与角度清零等。信号接收装置需要根据接收数据的类型进行不同的功能模块数据处理。如图7所示。

3 上位机软件系统设计

上位机系统基于VS2017平台下的.Net framework4.5框架开发，由采集平台、共享内存、智能告警分析、状态判别及数据存储等部分组成。上位机软件采用结构化设计思想软件界面如图8所示。后台界面可按照现实需求灵活编辑，传感系统设置监控后台，对传感器及接收装置的工作状态、自检的状态进行实时监测。同时对现场各刀闸历史运行数据进行分析，根据分合闸各种异常分合闸特征，分析刀闸健康状态，监控后台系统可单独部署也可集成到变电站现有辅控平台中。

主要功能：完成对下位机装置的通信，包括人机交互界面、以太网络通信、数据图形显示、数据库查询下载等。数据通信包括地址、编组设置命令下发，接收下位机采集的数据与分合闸判据等参数；查询和配置参数：IP与端口号设置、接收装置的地址与编组、分合位角度、容差角度等设置；清零与矫正功能；数据解析与展示功能；分合闸状态分析；数据存储、查询、下载及导出功能。

图6 传感器数据处理流程

图7 信号接收装置接收数据处理流程

图8 上位机软件页面

图9 分合闸设置页面

分合闸参数设置页面，以列表形式方便设置接收装置地址、接收装置地址编组、分位角度、合位角度、分合阈值角度等，可根据不同电压等级和不同类型的刀闸可方便进行传感器配置。如图9所示。

4 IEC61850通讯协议的设计

为了后台更好的监测刀闸实时状态，本设计通过采用modbus协议转换为IEC61850标准协议（MMS），将刀闸信息上传至Ⅲ区的后台可视化系统中或接入变电站现有的辅控系统平台。上传信息包括接收装置自检，姿态传感器状态自检，失电报警，状态报告，故障报警；隔离开关角度，分合闸时间，姿态传感器状态，传感器在线状态；隔离开关分合闸状态（合闸，分闸，合闸异常，分闸异常）等信息。将监测每个隔离开关描述为一个IED对象，将最小功能单元建模为一个逻辑节点对象。

（1）协议转换卡与MCU数据交换参考Modbus-RTU协议，同时增加自定义报文进行通讯，通信参数设置包括：波特率（9600，可配）；无奇偶校验位；1个停止位；8个数据位。

（2）协议转换卡与MCU数据交互主要包括：每个隔离开关（共6个，1～6）A、B、C三相的开关角度、开关动作时间、姿态传感器状态自检、姿态传感器故障告警、姿态传感器通信状态，以及每个隔离开关（共6个，1～6）的分合闸状态、接收装置状态自检和接收装置故障告警等信息。

（3）协议转换卡和MCU之间的通信采用标准Modbus-RTU协议的0x03功能码（协议转换卡作为主机，MCU作为从机）。

（4）协议转换卡在开机时采集一次，后续每隔1s采集一次，实时更新。MCU的从机地址为0x01，寄存器起始地址为300（0x012C），协议转换卡读取MCU数据的寄存器个数为20（0x0014）。

5 试验

刀闸位置在线监测系统试验项目和试验要求应该满《国网运检部关于印发隔离开关分合闸位置“双确认”改造技术规范（试行）的通知》（运检一〔2018〕99号）》和《Q/GDW 1535变电设备在线检测装置通用技术规范》的规定，按照试验项目要求进行试验验证。表3为刀闸位置在线监测系统部分试验项目。

图10 样机试验检测图

表3 刀闸位置在线监测系统部分试验项目列表

本设计的刀闸位置在线监测装置在完成设计后，厂内进行相关试验合格后，2020年6月在许昌开普检测研究院股份有限公司进行型式试验验证，试验项目一次性通过率100%，刀闸位置的状态监测判定准确率100%，位置检测定位精度误差≤0.46°，测试重复性精度≤0.11°，通讯数据一致性良好。试验表明，本次设计的刀闸位置在线监测装置性能良好，可满足变电站运行刀闸设备的在线监测需求。样机试验检测图如图10所示。

为满足国家电网中国特色国际领先的能源互联网企业建设需要，支撑变电站智能化一键顺控实施，解决变电站采用单一辅助开关接点判断刀闸位置方式的误判问题，本文设计了一套基于姿态传感器的刀闸位置在线监测系统作为刀闸“双确认”的第二判据，实现刀闸的合闸到位、分闸到位、合闸异常、分闸异常准确判断，可自动上传上层网络系统，可适用于不同电压等级的敞开式和组合电器刀闸状态监测，可实现操作机构及传动机构的运行状态的提前判断，提高高压开关操作智能化水平，为变电站的可靠稳定运行提供安全保障。