田 忠,常 敏,金海勇,賀 兵
(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司直流公司,湖北 宜昌 443000;2.上海樂研電氣有限公司,上海 201802)
電力設(shè)備安全大多需要使用絕緣設(shè)備,SF6氣體是組成絕緣設(shè)備的重要部分,因此在電力安全檢測技術(shù)中,對SF6氣體的檢測效率直接關(guān)系到電力設(shè)備能否順利進行的技術(shù)關(guān)鍵。常規(guī)技術(shù)檢測大多采用SF6氣體傳感器、SF6氣體檢測電路等方式,這種方法雖然在一定程度上提高了SF6氣體檢測水平,但是仍舊存在一定的局限性。比如檢測能力差、檢測滯后等,隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展和智能巡視機器人的逐步應(yīng)用,為SF6氣體檢測提供了新思路。
其中文獻[1]設(shè)計出FFT檢測方法,利用特征分解法和紫外光譜提取環(huán)境元素,進而分析出變電站GIS(geographic information system)設(shè)備中SF6冗余情況。該技術(shù)方案檢測試驗貼合實際標(biāo)準(zhǔn),具有較高的檢測力度。但在運行過程中容易引起高低頻噪聲,對變電站GIS設(shè)備造成影響,不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行;文獻[2]利用分布式半導(dǎo)體激光器全面掃描變電站GIS設(shè)備整體結(jié)構(gòu),能夠根據(jù)掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建CEPAS檢測系統(tǒng),進而形成采集和分析一體化處理系統(tǒng),對變電站GIS設(shè)備SF6泄漏具有較高的針對性,更為全面的掌握變電站GIS設(shè)備氣體泄漏情況。但這種方法采用的激光器成本較高,對人體危害較大,因此不具有普遍適用性
針對上述變電站GIS設(shè)備SF6泄漏檢測技術(shù)存在的問題,該研究基于智能巡視機器人研究方向,在機器人內(nèi)部加裝檢測系統(tǒng),通過將TMS+XD芯片嵌入到機器人系統(tǒng)中,TMS系列單片機應(yīng)用的是8位CMOS單片機,該單片機通過設(shè)置多種存儲模式、多種外圍接口模式,這種模式能夠適應(yīng)復(fù)雜的實時控制場合。TMS370C系列單片機提供了通過整合先進的外圍功能模塊及各種芯片的內(nèi)存配置[3-5],具有高性價比的實時系統(tǒng)控制。同時采用高性能硅柵CMOS EPROM和EEPROM技術(shù)實現(xiàn)。低工作功耗CMOS技術(shù),寬工作溫度范圍,噪聲抑制,再加上高性能和豐富的片上外設(shè)功能,使TMS370C系列單片機在應(yīng)用過程中具有突出的技術(shù)效果。為了實現(xiàn)對變電站GIS設(shè)備環(huán)境的分析功能,利用離子遷移法分析環(huán)境中的SF6離子,進而掌握變電站GIS設(shè)備中氣體情況,離子遷移能夠?qū)㈦娐钒迳系慕饘偃玢~、銀、錫等在一定條件下發(fā)生離子化并在電場作用下通過絕緣層向另一極遷移而導(dǎo)致絕緣性能下降。離子在單位強度(V/m)電場作用下的移動速度稱之為離子遷移率,它是分辨被測離子直徑大小的一個重要參數(shù)??諝怆x子直徑越小,其遷移速度就越快[6-8]。離子遷移率是表達被測離子大小的重要參數(shù)。離子運動速度與離子直徑成反比,而離子遷移率與離子運動速度成正比,故離子遷移率與離子直徑成反比。通過差分能量檢測(DED, differential energy detection,計算出氣體泄漏對變電站GIS設(shè)備的影響,制定出最優(yōu)SF6填充范圍,為輸配電設(shè)備安全運行提供幫助[9-10]。TMS+XD聯(lián)合設(shè)計如圖1所示。
圖1 TMS+XD聯(lián)合設(shè)計電路
本研究通過將TMS和XD芯片聯(lián)合,利用TMS芯片的信號調(diào)理功能和XD的數(shù)據(jù)分析能力對機器人掃描數(shù)據(jù)精確分析,從而加強檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力,對后續(xù)SF6氣體泄漏的分析提供數(shù)據(jù)支持,同時更為方便算法尋優(yōu)找到最佳氣體填充范圍,保證變電站GIS設(shè)備運行的安全[11-12],圖1中通過連接電路將TMS32芯片與XD129芯片連接起來,由引腳ET輸出電流,通過電感和電阻串聯(lián)回路,同時與電容C組成并聯(lián)支路,電阻R1與EA連接電阻R2組成并聯(lián)回路,最終輸入到XD芯片的VIN引腳和VCC引腳,兩個引腳線路通過R3阻隔。TMS32芯片輸入數(shù)據(jù)由信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé),通過MAX232連接器和ROM進行信息采集儲存。XD129芯片完成數(shù)據(jù)分析輸出,通過LED顯示器演示數(shù)據(jù)規(guī)律,通過連接外圈電路,芯片功能數(shù)據(jù)由片內(nèi)RAM進行讀取,進而完成變電站GIS設(shè)備環(huán)境的分析[13-16]。
組成芯片在運行過程中能夠根據(jù)不同環(huán)境完成自適應(yīng)調(diào)節(jié),為提高對變電站GIS設(shè)備中SF6氣體的敏感度,分析芯片功能需要更為全面,由此建立多方位功能模塊如圖2所示。
圖2 組成芯片多方位功能模塊
通過對TMS32+XD129聯(lián)合芯片的功能分析建立多方位功能模塊,以組成芯片為核心,通過對變電站GIS設(shè)備環(huán)境和氣室分析,與組成芯片完成數(shù)據(jù)互通,將傳感信息通過模數(shù)解調(diào)方式輸入到組成芯片中,傳感裝置安裝在智能巡視機器人掃描窗口[17-18],主要對環(huán)境中溫度、氣體壓力和變電站GIS設(shè)備氣體閥門進行采集。在接收模塊中設(shè)置有RS485通信和RS232通信端口完成數(shù)據(jù)接收,經(jīng)過后續(xù)分析及傳輸最終將結(jié)果加載到演示界面上,便于檢測SF6氣體具體泄漏情況[19]。
在設(shè)置SOFC監(jiān)測器時,其內(nèi)裝配有加熱爐,加熱爐為監(jiān)測器提供工作溫度。K型熱電偶的輸出信號由儀表放大器放大,并用AD976芯片采樣。比較設(shè)定點和實時工作溫度(700 ℃)[20],以便S3C2440中央處理器(CPU)中實現(xiàn)的比例-積分-微分模塊向直流固態(tài)繼電器輸出脈寬調(diào)制信號,以控制熔爐加熱,其中SOFC監(jiān)測器的輸出信號約為200~300 mV,由ADS1256的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片直接采樣,不加其它放大處理以避免噪聲。電壓跟隨器用于隔離,增加輸入阻抗,提高監(jiān)測器的負(fù)載能力[21]。數(shù)字信號以RS232格式封裝并傳輸?shù)接嬎銠C,對數(shù)據(jù)進行處理,識別出油中的SF6氣體。
根據(jù)機器人掃描的變電站GIS設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù),該研究通過采用離子遷移法將設(shè)備中SF6離子濃度遷移到氣體分析儀中,從而判斷氣體泄漏濃度對變電站GIS設(shè)備運行的影響,并記錄事件發(fā)生時間,為后續(xù)人工維護和檢修提供幫助,離子遷移技術(shù)原理如圖3所示。
圖3 離子遷移原理圖
將待檢測設(shè)備中氣體離子通過發(fā)射源送入離子遷移裝置中,載氣離子和SF6離子在分離源的作用下發(fā)生電離發(fā)應(yīng),形成分化性的多種離子。經(jīng)過電場的作用,氣體離子通過隔離門進入漂移區(qū),隔離門周期性開啟,泄漏的氣體離子在通過隔離門時被檢測[22-23]。帶電離子在漂移區(qū)中不斷碰撞,由于氣體離子的遷移速率存在差異,因此在漂移區(qū)中完成分離,在采集區(qū)由收集板檢測。變電站GIS設(shè)備利用離子遷移法對泄漏的SF6氣體離子進行檢測,檢測框圖如圖4所示。
圖4 離子遷移檢測框圖
離子遷移檢測技術(shù)能夠?qū)⒆冸娬綠IS設(shè)備中SF6氣體遷移到分析儀中,通過電力設(shè)備允許泄漏SF6氣體濃度調(diào)整變電站GIS設(shè)備閥門通道,更為有利于設(shè)備的安全操作[24]。離子遷移技術(shù)在運行過程中通過分析變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏數(shù)據(jù),對采集的數(shù)據(jù)信息進行波形轉(zhuǎn)換,由此形成電力正波,該研究采集的氣體泄漏以方波形式為例,之后對電力正波進行變電站GIS設(shè)備環(huán)境分析,根據(jù)分析的氣體波譜和光聲信號建立圖形樣式,進而建立傳感波形,電力正波轉(zhuǎn)換的波形一般為正弦或者余弦波形,波形數(shù)據(jù)主要來源為SF6泄漏離子,通過波形傳輸?shù)綒怏w分析儀中,最終通過DED算法完成尋優(yōu)填充操作[25]。
離子遷移法充分運用了現(xiàn)代波形控制系統(tǒng)和光聲感應(yīng)技術(shù),通過多個技術(shù)功能實現(xiàn)SF6泄漏氣體的離子分析和波形轉(zhuǎn)換,最終以離子的形式編入算法程序中,實現(xiàn)變電站GIS設(shè)備氣體泄漏的檢測,為輸配電系統(tǒng)的穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。
差分能量檢測(DED,differential energy detection)算法通過劃定的SF6填充標(biāo)準(zhǔn)對比變電站GIS設(shè)備內(nèi)部氣體存余量,根據(jù)比較結(jié)果與預(yù)設(shè)填充范圍判斷變電站GIS設(shè)備狀態(tài),若檢測的外界環(huán)境SF6濃度超過預(yù)設(shè)值,則表示氣體泄漏過大,發(fā)出停機指令;否則認(rèn)為內(nèi)部SF6濃度處于正常范圍[26]。差分能量檢測的原理是這樣的,由于大多數(shù)現(xiàn)代密碼設(shè)備大部分都是通過半導(dǎo)體邏輯門實現(xiàn)的,半導(dǎo)體邏輯門在架構(gòu)上通過晶體管構(gòu)成。當(dāng)電荷被施加到晶體管的柵極或從柵極移除時,電子流過硅襯底,這種電子流消耗能量并產(chǎn)生電磁輻射。
根據(jù)機器人掃描窗口數(shù)據(jù)和離子遷移輸出波形分析SF6氣體函數(shù),則氣體檢測數(shù)學(xué)模型表示為:
(1)
式(1)中,H0表示預(yù)設(shè)SF6氣體濃度值,H1表示機器人檢測變電站GIS設(shè)備內(nèi)部SF6濃度,y(t)表示氣體表達函數(shù)模型,n(t)表示內(nèi)部氣體存余量,h表示泄漏氣體變化系數(shù),x(t)表示SF6泄漏變量函數(shù)。
通過公式(1),基于氣體表達函數(shù)模型能夠?qū)怏w檢測作為數(shù)據(jù)向量量化表示,將數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)量化的方式表達出來。
DED算法中對變電站GIS設(shè)備能量的差分計算公式為:
(2)
式(2)中,Y表示DED算法中能量檢測函數(shù),N表示所需檢測設(shè)備數(shù)量,yi(t)表示單體設(shè)備檢測能量函數(shù)。通過公式(2)的差分計算,能夠?qū)崿F(xiàn)GIS設(shè)備能量的差分計算,將這些數(shù)據(jù)信息通過差分公式計算的方式計算出來。
將差分函數(shù)與變電站GIS設(shè)備SF6氣體檢測模型函數(shù)集合處理,對檢測變電站GIS設(shè)備中SF6氣體模型函數(shù)簡化如下:
(3)
其中:λ表示氣體標(biāo)準(zhǔn)差分能量值。
通過公式(3),能夠?qū)⒆冸娬綠IS設(shè)備中SF6氣體模型函數(shù)通過簡化的方式實現(xiàn),進一步提高數(shù)據(jù)計算能力。
根據(jù)變電站GIS設(shè)備運行中可能出現(xiàn)的SF6氣體泄漏故障,通過DED算法估算氣體運行時間,根據(jù)填充氣體量估算實際效率。
(4)
根據(jù)式(4)中SF6氣體泄漏對變電站GIS設(shè)備運行效率估計值,利用概率學(xué)公式判斷存在差分能量情況下氣體泄漏概率:
(5)
式(5)中,概率公式通過將氣體泄漏數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為對比泄露函數(shù)表示,能夠直觀體現(xiàn)出差分能量情況下氣體泄漏幾率,便于用戶發(fā)現(xiàn)并評估差分能量數(shù)據(jù)信息,其中Pd表示變電站GIS設(shè)備SF6氣體泄漏概率,Pr表示氣體差分能量集,Γ表示非完全可控變量,m表示變電站GIS設(shè)備氣體顯示量。
經(jīng)過概率和估算了解變電站GIS設(shè)備可能出現(xiàn)氣體泄漏情況,實際運行中SF6氣體泄漏和填充規(guī)律如下:
(6)
式(6)中,Pf表示實際運行中變電站GIS設(shè)備SF6氣體量值,Pr表示變電站GIS設(shè)備運行過程中SF6計量方式,Y表示總氣體填充量,λ表示氣體變化系數(shù),H0表示變電站GIS設(shè)備初始氣體常量,Qm表示SF6對變電站GIS設(shè)備運行影響效率。
通過DED算法對變電站GIS設(shè)備SF6氣體泄漏濃度估算概率和實際運行中氣體泄漏影響[27-28],使檢測系統(tǒng)更為精確了解變電站GIS設(shè)備實際運行狀況,對SF6氣體室外和室內(nèi)濃度比較給予參考價值,提高本研究檢測系統(tǒng)對SF6氣體運行的可行性。
實驗室配置采用i8系列雙核計算機,采用64+256 GB儲存方式?,F(xiàn)場實驗環(huán)境設(shè)置,對DL/T537系列變電站GIS設(shè)備進行檢測;變電站GIS設(shè)備電壓等級6~35 kV,設(shè)備參數(shù)精度為96%,算法推算誤差不超過0.5%。在此環(huán)境下進行實驗,參數(shù)配置如表1所示。
表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件
基于上述硬件試驗環(huán)境,搭接試驗?zāi)M環(huán)境,在模擬環(huán)境中,實驗架構(gòu)如圖5所示。
圖5 實驗架構(gòu)示意圖
在圖5中,通過構(gòu)建GIS設(shè)備檢測環(huán)境,通過本研究的方法對設(shè)備泄露的氣體進行模擬,以實時觀測GIS設(shè)備運行信息。試驗過程中通過5個小時的觀察,人為設(shè)置故障標(biāo)準(zhǔn)值,將這些數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或者其他存儲空間內(nèi)實現(xiàn)信息存儲和計算,再將這些數(shù)據(jù)信息與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較。
其中試驗過程中,通過對變電站GIS設(shè)備運行中SF6泄漏問題進行研究,根據(jù)智能機器人掃描環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析,通過檢測系統(tǒng)對掃描數(shù)據(jù)分析。分析檢測系統(tǒng)對變電站GIS設(shè)備實際運行過程中SF6氣體的泄漏濃度和精確度,精確度計算公式為:
(7)
將計算結(jié)果匯總數(shù)據(jù)表,為了提高數(shù)據(jù)計算的精度,分別將氣體泄漏檢測數(shù)據(jù)分門別類,通過SF6泄漏濃度分別通過不同的方法進行計算,最終顯示SF6氣體泄漏檢測能力測試表如表2所示。
表2 氣體泄漏檢測能力測試表
通過表2分析,該研究設(shè)計的氣體泄漏檢測系統(tǒng)采用DL/T537系列變電站GIS設(shè)備,容量范圍為6~35 kV,實驗中采用20 kV變電站,檢測系統(tǒng)輸出的SF6泄漏濃度為15.8 mol/mL,精確度為92.5%;文獻[1]方法采用的FFT檢測方法采用15 kV變電站GIS設(shè)備,運行中檢測的SF6泄漏濃度為31.7 mol/mL,精確度為89.1%;文獻[2]方法設(shè)計的CEPAS檢測系統(tǒng)采用10 kV容量變電站GIS設(shè)備,運行中檢測的SF6泄漏濃度為34.4 mol/mL,精確度為83.6%。由此看出該研究對變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏檢測方法具有較高可行性。
利用仿真軟件顯示3種氣體檢測系統(tǒng)對變電站GIS設(shè)備運行中SF6泄漏濃度檢測的變化曲線,利用Multisim軟件模擬SF6泄漏模型,在20 kV變電站中進行試驗,輸入頻率為30 kHz,鋸齒波和正弦波正負(fù)為1,光強為14.0 cd,氣體濃度為50 mol/mL,氣壓為1 kPa,SF6泄漏檢測仿真模型如圖6所示。
圖6 SF6泄漏檢測仿真模型
在圖6的泄漏檢測仿真模型中,用戶可以根據(jù)變電站運行時間變化,在此期間泄漏的SF6濃度進行統(tǒng)計,通過5個小時的試驗,將不同的數(shù)據(jù)通過曲線圖表示出來。在試驗過程中通過FFT檢測方法、CEPAS檢測系統(tǒng)進行對比分析,在試驗過程中,分別將不同的方法在同一圖像中繪制出,仿真出規(guī)律性曲線分析各系統(tǒng)性能,如圖7所示。
圖7 檢測的變電站GIS設(shè)備SF6泄漏濃度
圖7中,本研究對變電站GIS設(shè)備泄漏濃度影響具有明顯作用,變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏濃度隨運行時間變化有所升高,但整體變化相對較為穩(wěn)定,最低泄漏濃度為10 mol/mL,在變電站GIS設(shè)備運行時間為10 h達到最高泄漏濃度為15 mol/mL;文獻[1]方法采用的FFT檢測方法變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏濃度隨運行時間變化增加幅度較大,最低泄漏濃度為10 mol/mL,在變電站GIS設(shè)備運行時間為14 h達到最高泄漏濃度為32 mol/mL;文獻[2]方法設(shè)計的CEPAS檢測系統(tǒng)變電站GIS設(shè)備中SF6泄漏濃度隨運行時間變化波動較大,運行時間0~5 h持續(xù)增加,此時泄漏濃度為30 mol/mL,6~10 h期間呈波動狀態(tài),最終在10 h泄漏濃度最大為34 mol/mL。通過上述對比方法,可以看出文獻[1]方法和文獻[2]方法在檢測氣體泄露時,明顯具有突出的技術(shù)進步性,但與該研究的對比方法相比,該研究方法最低泄漏濃度僅僅為10 mol/mL,明顯低于文獻[1]方法和文獻[2]方法說明該研究方法具有突出的技術(shù)進步性。
在經(jīng)過幾個小時的試驗,為了突出本研究的檢測精度,將這些不同信息匯成精度曲線,進一步完成對比實驗,根據(jù)計算機處理結(jié)果進行仿真對比,得到系統(tǒng)精確度曲線對比如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)精確度曲線
通過對比發(fā)現(xiàn)3種檢測方法隨變電站GIS設(shè)備容量變化精確度變化較大,本研究降低幅度較小,最高精度為92.5%,在變電站GIS設(shè)備容量為3 500 kW達到最低,此時為89%;文獻[1]方法設(shè)計的FFT檢測方法與本研究變化規(guī)律相似,但整體精度相對較低,最高精度為89.1%,在變電站GIS設(shè)備容量為4000 kW達到最低,此時為86%;文獻[2]方法設(shè)計的CEPAS檢測系統(tǒng)呈波動性變化,在容量為1 200 kW時達到波峰,此時最高精度為85.5%,在變電站GIS設(shè)備容量為3 300 kW達到波谷,此時精度最低為82.6%。
綜上所述,本設(shè)計對變電站GIS設(shè)備中SF6氣體的檢測具有明顯效果,根據(jù)實驗表明本研究檢測的SF6泄漏濃度最低,在運行過程中精確度最高,體現(xiàn)出本設(shè)計檢測方法的優(yōu)越性。
該研究對變電站GIS設(shè)備中SF6氣體泄漏檢測方法進行研究,通過智能機器人和檢測技術(shù)配合完成氣體泄漏的檢測研究,設(shè)計聯(lián)合性TMS+XD處理芯片加強機器人的感知能力,采用離子遷移檢測SF6泄漏技術(shù),對變電站GIS設(shè)備環(huán)境中含有的SF6離子進行頻譜和波形變換,方便判斷變電站GIS設(shè)備內(nèi)部具體SF6變化規(guī)律。利用DED算法比較變電站GIS設(shè)備運行中內(nèi)外SF6氣體離子的濃度,通過對氣體檢測系統(tǒng)進行測試,將結(jié)果記錄分析匯總為SF6氣體泄漏檢測能力測試表,發(fā)現(xiàn)檢測方法變電站GIS設(shè)備中泄漏SF6氣體最少,檢測精度最高,雖然如此,實驗過程中仍存在一些問題,對變電站GIS設(shè)備氣體泄漏修復(fù)程序繁瑣等問題仍待解決。