基于隧道磁阻传感器的GIS隔离开关双确认系统设计

陈富国，孙 鹏，杨爱军，阮彦俊

(1.西安交通大学，电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安 710049；2.平高集团有限公司，河南平顶山 467001；3.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东广州 461000)

0 引言

变电站一键顺控是推进现代信息技术与电网技术深度融合、构建智能运检体系的关键技术。实施一键顺控操作的关键是各类高压开关位置信号的准确判别。根据《Q/GDW1799.1-2013国家电网公司电力安全工作规程变电部分》规定，开关设备远方操作时，至少应有2个非同样原理或非同源指示发生对应变化，且所有这些指示均已同时发生对应变化，才能确认该设备已操作到位，即需要实现开关设备位置的“双确认”。目前，国内高压隔离开关位置常采用遥信信号及现场人工观测判断分合是否到位，这种方法容易受到观测者的主观影响，工作效率低。无人值守站，遥控操作现场通常无法人工确认，一些站采用视频分析、压力传感、姿态传感及微动开关等方法辅助判断隔离开关位置状态[1-2]。视频分析法现场实施不需停电，功能复用度高，智能化水平高，缺点是算法复杂，准确率低，依赖于正负样本数量，且受恶劣天气影响较大；压力传感器可靠性及实时性高，但是适用范围有限，仅适用于具有触指弹簧的隔离开关，且安装困难、无法实现不停电部署及更换[3]；姿态传感器的准确性及可靠性较高，但是存在取电方式及信号传输问题；微动开关存在触头磨损等问题。现有隔离开关分合闸位置监测方法具有一定局限性，需要寻找新的技术方法和技术手段，实现隔离开关分合闸位置的精确判断。

随着科学技术不断发展，磁感应传感技术的飞速发展及其在汽车工业、机械人云台、核工业等领域的广泛应用及卓越性能表现，尤其以隧道磁阻传感(TMR)元件为代表的第4代磁电阻效应传感器，比前几代应用较多的各向异性磁阻(AMR)和巨磁阻(GMR)传感元件具有更大的电阻变化率和检测灵敏度[4-5]，为高压隔离开关分合闸位置的精确判别提供了一种新的技术思路。本文基于磁感应传感原理设计了一套隔离开关分合闸位置监测系统，实现隔离开关分合闸状态的准确判别，为一键顺控操作的实施起到了积极推动作用。

1 TMR磁阻传感器的工作原理

TMR传感器的核心是磁隧道结(MJT)，它的结构示意图如图1所示，主要结构分为3层，即自由层、隧穿层、被钉扎层。上层的极化方向易受外部磁场影响，中间为采用非铁磁性绝缘材料构成的隧穿层；下面的是被钉扎层，它的极化方向由其自身及反铁磁层之间的耦合作用确定。当外加磁场的大小方向发生改变时，自由层与被钉扎层之间极化方向的夹角发生变化，隧穿电阻的阻值也跟着发生变化，即为TMR效应[6-7]。

图1 磁隧道结结构示意图

隧道结MTJ的电阻值与沿敏感轴方位的外加磁场有关。若TMR传感器上方有励磁装置使得磁场发生旋转，则MTJ上层自由层磁化方向跟着励磁装置磁场的方向旋转，隧穿电阻发生变化，其电阻值大小与自由层和被钉扎层两者磁化方向的相对角成正比。同时，为削弱电路的零点漂移，降低噪声，TMR传感器一般情况下会设计成桥式结构，它由4个灵敏方向不同的磁电阻构成[8]，如图2所示，箭头代表各磁电阻的灵敏方向。

图2 惠斯登桥结构及其输出曲线

2 隔离开关位置双确认检测原理分析

ZF11-252型角型隔离开关如图3所示，它由电机驱动机构、机械连杆及分合闸指示器组成，通过机械连杆将驱动机构输出的驱动力传输到A、B、C三相，带动三相隔离开关触头运动，实现分合闸操作。机械连杆实现机构输出的旋转角度转变成GIS隔离开关触头运动的直线行程。

ZF11-252GIS角型隔离开关转动角度和动触头运动行程的关系如式(1)所示：

(1)

式中α为隔离开关转动角度，范围为0～84°，其转换关系如图4所示。

图4 ZF11-252转动角度与行程之间的关系

通过上述分析，在机械连杆末端安装磁感应传感器，该传感器兼有就地指示功能，永磁体及磁感应检测电路内置于分合闸指示器内。在分合闸操作时，永磁体随机械连杆旋转，使得TMR单元的自由层与被钉扎层的极化夹角发生改变，通过检测相应的电阻的变化值，实现隔离开关旋转角度的检测，通过与设定的分合闸阈值比较，完成GIS隔离开关分合闸是否到位的判别，与辅助开关接点信号构成分合闸是否到位的“双确认”信号，如图5所示。

图5 磁感应传感器结构原理示意图

3 磁感应传感器系统设计

3.1 励磁体选型要求

本文感应IC采用高灵敏度、低磁滞、宽温的线性传感器TMR2703，该传感器采用隧道磁阻技术，可感应平行于其表面的磁场，通过内置的4个高灵敏度TMR元件，当外加磁场沿平行于传感器敏感方向变化时，输出差分电压信号。技术参数如表1所示。

油箱中的润滑油经泵升压到1.0 MPa，经油冷却器冷却后，由油温控制器控制油温。经过滤器后分为三路，第一路经自力式控制阀将润滑油压力控制在0.25 MPa后，再分为两股，一股去裂解气压缩机及压缩机透平的各润滑油注入点去润滑、冷却轴承及轴瓦，另一股去润滑油高位油箱；第二路作为调速油进入裂解气压缩机透平的调速系统，然后直接回到润滑油回油总管；第三路去润滑油蓄压器。最后，65～85 ℃润滑油从各支路汇总到润滑油总管，在重力作用下流回油箱。

表1 TMR传感器技术参数

由TMR传感器的技术参数可知，TMR传感器的线性检测区间为±15×10-4T，灵敏度为13.5 mV/(V·Oe)，要使传感器能正常工作，需要调整励磁永磁体与磁感应IC电路之间的间隙，使得传感器工作在线性范围内[9-10]。本文选择永磁体作为励磁元件，如图6所示，由磁感应强度与间隙的关系可知，随着间隙的增大，磁感应强度减弱，当间隙为1.5 mm时，磁感应强度约为15×10-4T，当供电电压为5 V时，检测灵敏度为67.5 mV/(V·Oe)。

图6 磁感应强度(B)与间隙(d)的关系

3.2 频率响应要求

ZF11-252型GIS角型隔离开关分合闸速度为0.5±0.2 m/s，分合闸时间小于1 s，因此，在隔离开关分合闸过程中，TMR检测到的是变化的磁场信号，GIS隔离开关的分合闸速度越快，磁场变化速率也越大。因此，TMR传感器需要响应快速变化的磁场，GIS隔离开关传动轴携带的励磁永磁体经过TMR感应IC时，感应IC可对1个完整周期的信号进行采集，通过试验可知，GIS隔离开关分合闸速度与磁场强度信号变化频率的关系如图7所示。当隔离开关分合闸速度v在0.3～0.7 m/s范围内，对应的磁场强度信号频率为129～301 Hz，即隔离开关磁感应传感器要求带宽为129～301 Hz。

图7 隔离开关运动速度(v)与磁场强度信号频率(f)的关系

3.3 系统架构设计

作为变电站倒闸操作的一种操作新模式，一键顺控可实现操作项目软件预制、操作任务模块式搭建、设备状态自动判别、防误联锁智能校核、操作步骤一键启动、操作过程自动顺序执行。依据国能安全[2015]36号文件中电力监控系统安全防护总体方案规定，本文所设计的系统优先采用有线通讯方式将GIS隔离开关位置检测信息传输至磁感应智能分析单元，传感器具有数据重传机制，保证数据可靠传输，系统整体拓扑结构如图8所示。

图8 系统整体拓扑结构

磁感应智能分析单元输出无源接点至智能终端或测控装置，智能终端或测控装置通过IEC61850MMS传输至变电站站端站控层I区网络，支撑站端一键顺控操作，同时，监测数据经由调度数据网通过104协议传输至集控站运维班网络，支撑集控站一键顺控操作。磁感应系统的详细监测信息可通过IEC61850MMS传输至II区的辅助设备监控系统，实现可视化监控和人机交互。

3.4 磁感应传感器结构设计

隔离开关用磁感应传感器主要由主动齿轮、从动齿轮、励磁永磁体、磁力感应IC、磁感应PCB板、鱼眼罩、球形指示器及相关附件组成。

实际安装时，机构输出轴可通过夹具实现主动轮与之同步旋转，从而带动从动轮以1∶3的传动比旋转，从而提高感应精度，在磁力感应IC正下方的磁铁旋转，而使磁铁南北极发生角度位置偏移，感应IC就能实时记录输出轴的角度位置，具体结构如图9所示。

图9 磁感应传感器结构示意图

3.5 传感器硬件电路设计

基于TMR传感器的隔离开关分合闸位置判别系统由励磁永磁体、TMR感应单元以及信号处理电路组成，其中包括低通滤波、模/数转换电路、主处理器、数据传输模块及电源电路，硬件组成如图10所示，主处理器采用STM32F107VCT6处理器，信号滤波后直接由ADC进行模数转换并存储，再由数据传输模块传输至上位机。

图10 磁感应传感器硬件组成示意图

3.6 传感器软件设计

磁感应传感系统下位机软件由磁感应传感器软件和智能分析单元软件两部分组成，下位机软件设计采用模块化、结构化的思想，以便于对程序和各种功能模块的扩展和移植。磁感应传感器上电后进行系统初始化，对自身状态进行自检一次，并将自检信息上传至智能分析单元，超过设定阈值便唤醒传感器进行磁感应数据的采集、数据降噪、滤波、校正及解算，然后将数据进行加密后上传至智能分析单元，传感器可响应智能分析单元的数据召唤。磁感应传感器的软件系统流程如图11所示。智能分析单元接收磁感应传感器磁感应数据，进行分合闸状态判别，然后进行继电器输出、协议转换和实现向站控层可视化系统传输。数据转发模块实现采集数据与IEC61850服务端的交互。

图11 传感器下位机软件设计流程图

3.7 磁感应智能分析单元硬件设计

图12 磁感应传感智能分析单元硬件示意图

磁感应智能分析单元的主控芯片采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F107VCT6微控制芯片，该芯片性价比高，内核、系统和存储器体积小，具有低功耗和完整的电源管理，性能优越能够满足高挑战性的应用需求，时钟频率可达72 MHz，能够满足高速处理的需要，内部集成以太网10/100MAC模块，连接一个外部以太网物理层接口芯片PHY实现磁感应数据的以太网传输，温度范围-40～+85 ℃，可满足现场运行环境要求[11-12]。

3.8 状态判断逻辑

由图9可知，本文所设计的磁感应传感器自身由2路GIS隔离开关位置监测单元构成，二者相互校核，构成装置自身的“双确认”信号，即二者取“&”运算后输出分合闸是否到位信号，再与辅助开关的位置接点信号取“&”运算后，最终得出隔离开关确认分位或确认合位信号，GIS隔离开关双确认逻辑如图13所示。

图13 GIS隔离开关双确认逻辑图

磁感应智能分析单元采用硬接点输出分合闸状态信号，针对每台隔离开关，输出3路接点信号，2路接点信号指示隔离开关本体分合闸位置情况，另1路接点信号指示传感器工作状态，传感器故障时其接点闭合，传感器正常时接点分开，输出逻辑如表2所示。

表2 磁感应智能分析单元输出逻辑

3.9 上位机软件设计

基于磁感应传感器的GIS隔离开关位置检测系统上位机由MODBUS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，应用程序采用Python开发完成。应用软件设计采用模块化的设计思想，软件界面如图14所示。

图14 上位机调试软件界面

3.10 通信协议设计

为更好地展示磁感应传感数据，设计可视化系统，将监测系统的传感器状态信息、隔离开关磁感应数据及磁感应智能分析单元的自检信息等通过IEC61850标准协议传输至站控层II区的辅助设备监控系统。本系统的磁感应智能分析单元采用IEC61850标准规约进行建模并设计完成完整的功能描述，它将采集的数据按照IEC61850标准进行描述，嵌入描述装置各项功能参数的ICD文件。本文设计的磁感应智能分析单元用的IEC61850服务端已通过国家继电保护及自动化装置监督检验中心的规约一致性测试试验，完全实现了符合IEC61850标准的间隔层通信功能。

磁感应智能分析单元根据IEC61850标准，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[13]。下面以隔离开关磁感应数据为例说明IED的逻辑节点类型和逻辑节点数据描述。根据IEC61850标准定义的所有逻辑节点类型描述如表3所示，扩展的逻辑节点数据描述如表4所示。

表3 逻辑节点类型描述

表4 磁感应传感逻辑节点数据描述

4 安装配置及试验情况

4.1 配置原则

110 kV电压等级的三相共箱GIS隔离开关每台安装1支磁感应传感器；220 kV及以上电压等级的三相分箱GIS隔离开关在尾相上安装1支或每相安装1支磁感应传感器。磁感应智能分析单元按间隔配置，每间隔配置1台。

4.2 现场安装

本文设计的磁感应传感器通过安装夹具固定在GIS隔离开关本体上，具体安装部署示意图如图15、图16所示，磁感应智能分析单元安装在汇控柜内。

图15 传感器与机构输出轴紧固示意图

图16 磁感应传感器实际安装

4.3 试验项目

磁感应传感器系统的隔离开关性能试验项目和试验要求应该满足《GB1985-2014 高压交流隔离开关和接地开关》和《Q/GDW 1535变电设备在线检测装置通用技术规范》的规定。试验包括两部分，一是磁感应传感器自身的型式试验，主要依据国家电网企业标准Q/GDW 1535-2015及企标Q/PG021-2021的规定进行；二是磁感应传感器与GIS隔离开关联合试验，主要试验项目如表5所示。

表5 磁感应传感器与GIS隔离开关联合试验项目

4.4 试验结果

2021年5月，本文所研制的ISM-916C1磁感应传感器在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心(开普实验室)完成了性能检测试验。2020年6月在国家高压电器产品质量监督检验中心(河南)通过了磁感应传感器与隔离开关联合试验，试验中磁感应传感器系统测量数据正确，数据一致性较好，分合闸状态判别准确率100%，试验照片如图17所示，部分试验数据如表6所示。试验表明本文所研制的磁感应传感系统具有良好的性能，可解决隔离开关分合闸位置双确认难题。

图17 样机试验时照片

表6 磁感应传感器200次机械寿命部分试验数据 s

5 结束语

为满足国家电网公司智慧变电站和南方电网公司数字化变电站建设技术要求，支撑变电站一键顺控操作的实施，推进信息技术与电网技术深度融合，本文从工程应用角度出发设计了一套基于隧道磁阻传感器的GIS隔离开关分合闸位置双确认判别系统，实现隔离开关分合闸状态的精确判别与智能分析，满足工程应用需要，同时该系统也是推进电力设备物联网建设的有益探索，能够极大地提高变电站GIS设备的智能运维水平，具有较大的推广意义和应用价值。