GIS内隔离开关故障检测系统的研究

沈阳工程学院 彭少卿

1 引言

随着现代电力科技的进步，各类新型开关装置在电网的建设与运行中得到了越来越多的应用。GIS 设备是一种气体绝缘全密封型的开关装置，在现代电网中有着非常广泛的应用，重量轻、体积小、模块化设计集成诸多功能、可靠性高，是非常大的优势，在多种变电站、输配电线路以及开关柜中使用比较广泛。伴随着停电的时间对电网要求变得越来越高，一方面可以用带电作业加以解决[1]，另一方面应该将对线路和设备的监控力度作为重点。

因为 GIS 设备至关重要，现在对其设备的开发，设计，安装和维护提出了更高的标准和要求，如果其自身出现了故障，对其进行维护就会变得非常困难，并且维护费用也很高，因此，所造成的损失是非常大的，不仅会导致大面积的停电，还会对社会产生许多不稳定的因素。

2 GIS 隔离开关模型及检测方法

2.1 GIS 隔离开关模型简介

GIS 装置通常由隔离开关，断路器，母线，变压器，接地器件，避雷器件，电缆等组成。若依其特点与应用，则通常可分为：电力与控制；能量存储设备和系统；隔离体系；接地设备和其附属设备；一个外部的密封件体系等。

隔离开关分为两类：一类是正常隔离开关，一类是带缓速开关；二是快速开关配电弹簧装置，该装置既可起到断路作用，又可起到母线过流或过流的作用。按安装位置，可将断路器分为角隔离开关和线隔离开关，其中角隔离开关多应用在主电路的直角曲线上，而线隔离开关多应用在主电路的线路上。

2.2 GIS 隔离开关一二次动作原理分析

将所述断开开关的动接点从所述断开位置到所述刚闭合、所述刚断开位置之间的距离称为所述开距；移动触点从刚打开、刚打开到关闭位置之间的距离称为触点冲程。将从脱开位置到刚合，刚分位置的拐臂的转角称为开角；所述的拐臂从刚打开和刚打开到关闭位置的转角就是接触角。研究了断路器不同工作状态下上述冲程和转角之间的相互关系。

当该隔离开关的次级回路收到一个合闸命令后，当一个远端的合闸触点被关闭时，SL2就会开启该触点，CX 就是一个二次合闸回路，远端的合闸触点在正常情况下是开启的，正常情况下是开启的，正常情况下是开启的。而在近侧的断开接触器回路[2]，TX 处于正常闭合状态，在近侧的合闸接触器回路，使用电路支架来维持回路不间断的供电，电机从能量储存控制环节获得能量，电机的能量储存环节开始转动，当电机转动到所需的位置时，SL2被切断，CX 合闸接触器的线圈被切断，其状态从正常打开变为正常关闭，在此情况下，断开器支架被切断，开关的状态发生变化，从而完成了合闸控制。

2.3 GIS 隔离开关检测方法分析

在很长一段时间内，电力系统的检修都是采用常规检修和故障检修两种方式。周期性设备大修是一种基于设备和电网运行的状态统计变化规律为理论基础，能够有效保障系统和设备的安全、稳定运行，防止大量重大设备大修和大停电。但是，随着技术和运营电网的公司经济的快速发展，对电网进行的常规设备检修已经很难再满足技术、电网的发展以及公司经济的持续发展的现实需求。随着科技的进步和电网业务的快速发展与扩张，传统的设备维修工作量不断增大，维修人员日益缺乏，停电调度变得更加困难[3]。另外，目前以断电试验为基础的状态维修工作，还存在断电压力大、断电试验无法反映装置状态变化趋势、断电试验中缺陷检测率偏低等问题。为此，国家电网大力推行并构建了以“实时检测”为基础的检修系统。

3 基于数据挖掘技术的 GIS 隔离开关故障判据分析

3.1 隔离开关分合闸判断基本准则

对于 GIS 中的隔离开关，其分合闸的合闸和分闸状态，以及断路器故障的判定。接触的冲程和转动的角都要测量。该方法采用了一种新型的角位移传感器，并采用 DSP 作为主控制器，实现了对时—角变化的测量，通常采用曲线形式。当拐臂长不变时，将拐臂角速度与拐臂角速度相乘，就可以得到拐臂角速度。GIS 断路器的操作装置，即操作装置，其运动轨迹与接触点的运动轨迹相等，通过对接触点的运动轨迹进行积分，得到接触点的运动轨迹。而动作时间的测定则是通过 DSP 测得的驱动电动机的电流持续时间来进行。

3.2 隔离开关故障诊断基本理论

3.2.1 GIS 隔离开关运动轨迹去燥方法

以 GIS 为代表的拐臂等 GIS 隔离开关为例，在其移动时，其测角传感器（无接触磁感应角位移传感器）在由主控制系统进行数据采集时，常出现数据不正常、数据毛刺等问题。在对资料进行处理前，经常要对资料进行校正与除噪，而最常见的是移动中位数除噪，其除噪效果更具实用性与工程性。

3.2.2 常用的曲线特征提取方法

而曲线形状的特征通常具有诸如：周长，面积，矩形度，圆度，球形度，不变矩，离心度，外接矩形，形状标记等。在 GIS 隔离开关的角位移传感器所测量出的不同时刻下的角度，或在不同时刻下的位移曲线中，矩和偏心率的概念是比较重要的，在此进行简单的分析。

4 GIS 隔离开关机械特性检测智能系统的设计

4.1 常用单片机与 DSP 对比分析

就单片机与 DSP 的性能比较和使用范围而言，可以概括为：在一般的领域，也就是在中低端的领域，单片机被广泛地使用，而 DSP 被广泛地用于中高端的领域，因为 DSP 具有更快的处理速度，更强大的功能。前者通常具有8比特或16比特的处理比特，后者通常具有32比特的处理比特。前者多是针对系统的控制，而后者则多是应用在数字信号处理中。就发展程度而言，后者是前者的一个更高层次的发展，后者可支持 FFT 算法，并具有特定的指令，具有快速的指令处理功能，具有极为强大的逻辑运算和数据处理能力[4]。从硬件层面来看，后者具有高度的集成性、巨大的存储容量以及在硬件中生成的波特率以及 FIFO 缓冲区。在其内部，整合了 A/D转换器与数据保持器，并具有 PWM 输出接口，可以实现对电动机的控制，也可以实现对非接触式角位移传感器的采集。与一般16位微控制器比较，DSP的运算速度约为16位微控制器的10倍，一次乘法运算可提高20倍。

4.2 GIS 隔离开关机械特性系统硬件设计

4.2.1 基于 TMS320F28335的数据采集与处理系统

近年来，随着 GIS 技术的不断发展，人们对GIS 技术的研究也越来越多。通过分析 GIS 隔离开关的结构函数，可以发现，与常规的 GIS 隔离开关的机械性能判定系统相比，本论文所提出的 GIS隔离开关的机械性能判定系统，其主要特征和特征如下。

一是对 GIS 中的拐臂角位移传感器进行了数据的收集和预处理，并可以对异常数据进行了处理，从而可以进一步改善系统的测量准确度，并可以对其进行了工作可靠性的判定，从而增强了电网的工作可靠性，增强了供电可靠性和智能程度；

二是本智能系统具有很强的工作监控和机器的故障诊断功能，能够尽可能地增加其工作的可靠度；

三是GIS 隔离开关的机械性能智能化控制系统，其数据的储存能力和智能化的判定方法，可以通过实时的数据来判定设备的工作状况，在出现故障时，可以很容易地判定出设备当前的工作状况以及故障的种类。

4.2.2 A/D 采样电路与信号处理系统

其中，A/D 转换电路在TMS320F28335中起到了非常关键的作用，其广泛使用适用于各种嵌入式控制系统。如果 A/D 变换的信道数量很多，需要使用多个信道时，可以使用信道扩充。DSP 中经常使用的模数转换信道，其中ADS783就是其中的一个。

在 DSP 中，A/D 采样电路是一个非常重要的功能，因为在实际生活中，经常使用的数据都是模拟的，但是 DSP 所处理的大部分都是数字的，所以为了在 DSP 的运算能力上有很大的优势，就需要利用 A/D 转换功能，把采集到的数据转换成精确的数字信号。由于不需要再进行扩充，因此，GIS 隔离开关的机械特性智能控制系统所需 A/D 转换通道的数量，只需要通过本体控制芯片就可以达到系统的需求。

4.2.3 PWM 原理及电路实现

在 DSP 的全部控制系统中，对于一些对工作周期要求比较苛刻的场合，最关键的就是能使工作周期在整个工作周期内按任意比例进行调整。TMS320x280x 系列的处理器非常灵活，配置资源也非常丰富，完全可以在全范围内进行任何占空比的配置和控制。其内部资源中有电子 PWM 链路和模块，可以以最低的功率消耗，对任何工作循环进行调整和控制，以确保高的可靠性。具有正数、负数、倒数等多种工作方式。

ePWM 链路模块可以分为时基TB 子模块，计数与比较（CC）子模块，动作限制 AQ （动作限制）模块，死区数据产生模块，PWM 斩波子模块，故障断路器模块，事件触发 ET （Equipment Time）模块。PWM 结构如图1所示。在设置 e 型 PWM 模组和节组时，需要对各子模组中的多个寄存器进行初始化。为了在上面提到的方式下 ePWM 模组的工作，必须设定一个控制寄存器。

图1 PWM 结构

4.2.4 SRAM 及 FLASH 电路的设计

本文采用 SRAM 和 FLASH 两种电路实现了对 GIS 断路器机械性能的智能化控制。FLASH 存储器，也被称为 FLASH 存储器，是一种将 ROM和 RAM 的优点融合在一起，既具有 EEPROM 的特性，也具有在不掉电的情况下，可以进行高速的读出（NVRAM 的优点）。在过去的30年中，嵌入式系统一直都是将（ROMEPROM）作为其的存储设置，但是近些年来，FLASH 全面取代了 ROM（EPROM）在嵌入式系统中的位置，将其用作存储Bootloader 以及操作系统或者程序代码，或者将其直接当硬盘使用（U 盘）。英文简称 SRAM，是一种只有静态访问功能的存储器，无须更新电路就可将其内存的资料储存在存储器中。一种 SRAM 是插在 CPU 和主内存之间的一种高速缓存.SRAM 被广泛地应用在二级 Cache 中。其使用三极管存储资料。相对于 DRAM，SRAM 具有更高的速率，但是其存储空间要小于其他种类的存储空间。

5 结语

本文首先对 GIS 中的隔离开关进行了理论研究，并对其模型进行了研究，提出了 GIS 中隔离开关的设计方案。对 GIS 隔离开关两次的工作机理作了简单的分析和介绍。本文在阐述 GIS 隔离开关工作原理的基础上，对隔离开关各个参数的特征进行了详细的分析，并就如何建立起隔离开关的状态参数监控体系进行了初步的参数分析。对 GIS 中的隔离开关进行了性能分析和故障诊断。对 GIS 中的隔离开关机械性能进行了分析。着重对 GIS 隔离开关的机械性能进行了分析。其中主要介绍了以TMS320F28335为核心的数据采集系统的设计，模数变换电路的设计，前处理系统的设计，PWM 电路的设计，电源电路的设计，存储电路的设计等。