西安西电开关电气公司汪海光、张伟 等：一种气体绝缘金属封闭开关设备波纹管监测系统设计与实现

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为了解决高海拔地区变电站气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）波纹管形变超出限值导致筒体破裂、漏气、设备发热、短路等安全事故的问题，西安西电开关电气有限公司的汪海光、张伟、兰浩、唐霖、张永强，在2023年第1期《电气技术》上撰文，结合嵌入式技术及LoRa无线通信技术，设计并实现GIS波纹管状态监测系统。

系统采用LoRa无线通信方式进行数据传输，能够实现对GIS波纹管形变、温度等状态量的在线监测，具有成本低、便于部署实施的优点。通过试验验证，系统功能可以满足需求，能够在一定程度上降低变电站运维人员的工作量，同时也为GIS的长期可靠运行提供了保障。

气体绝缘金属封闭开关设备（gas-insulated metal-enclosed switchgear, GIS）是电网系统的重要设备，GIS间隔之间通过母线分配、传送电能，为满足变电站设计与布置的需求，母线筒单相长度可达百余米。为了抵消设备长期运行期间热胀冷缩、地基沉降等外部应力的影响，在相邻母线或设备间设置波纹管伸缩节以吸收补偿母线形变。

但是，在高海拔地区，由于昼夜温差过大、配置不合理等原因，波纹管形变超出允许补偿量进而导致筒体破裂、漏气、设备发热、短路等安全事故的情况时有发生。因此，波纹管形变监测成为变电站日常运维的重要项目之一。

由于变电站内波纹管位置分散，现有的有线、WiFi、ZigBee等监测组网方式因布线及维护成本高、信号传输距离短且易受干扰等缺点难以满足波纹管在线监测需求。多数变电站通过标尺测量法监测波纹管形变，运维人员定期到现场进行巡检，记录数据并绘制变化曲线，工作效率较低。

与传统无线通信方式相比，LoRa技术具有功耗低、信号传输距离远的优点，其通信距离可达5km，且数据传输的抗干扰能力强。本文将LoRa无线通信技术与ARM嵌入式技术相融合，设计实现波纹管监测系统，能够对波纹管形变数据进行无线监测及故障预警，减少变电站巡检工作量，提高变电站一次设备运维效率及安全性。

1  系统架构设计

波纹管形变监测系统总体架构如图1所示，主要由安装于开关设备本体的数据采集终端、形变传感器、温度传感器及安装于主控室的LoRa网关、监测后台等组成。

图1  波纹管形变监测系统架构

1.1  数据采集终端

安装于需监测的波纹管附近，用于采集波纹管形变、温度等数据。每个采集终端可同时监测4路形变传感器数据，以便采集波纹管不同位置的形变量，它与后台间采用LoRa无线通信进行数据传输。

1.2  波纹管形变传感器

基于滑动变阻器原理，传感器通过结构件安装在波纹管法兰上，波纹管发生形变时带动传感器伸缩，电阻值随之变化。形变传感器安装方式如图2所示。

图2  形变传感器安装方式

数据采集终端在传感器两端施加固定参考电压后，其中间抽头输出电压会随着波纹管伸缩而成比例变化。

式（1）

1.3  温度传感器

选用四线制PT100温度传感器，其应用原理如图3所示。

图3  PT100温度传感器原理

传感器接线端包含两根电源线及两根电压采样线，与二线制及三线制PT100相比具有更高的测量准确度。传感器安装于与波纹管相连的母线筒上，用于获取母线实时温度。

1.4  LoRa网关

安装于主控室，用于实现以太网与LoRa无线网络之间的互联。网关与数据采集终端进行无线通信，接收数据报文，并通过TCP/IP协议传输至监测后台。

1.5  监测后台

主要负责接收、存储波纹管形变及温度数据，以及进行人机交互。后台主机将采集到的数据存储至数据库并通过操作界面中的主接线图将母线各部位波纹管状态信息实时展示给用户。同时，用户可选择查看特定位置波纹管的历史状态数据及变化曲线。

2  数据采集终端设计

数据采集终端硬件架构如图4所示，主要包括主控模块、LoRa无线通信模块、电源模块、模拟量采集模块及温度采集模块等。

图4  数据采集终端硬件架构

2.1  主控模块

采用STM32L475微控制器，该芯片基于Cortex—M4内核，主频可达80MHz，内置128KB静态随机存储器（static random access memory, SRAM）及512KB Flash，可满足终端数据预处理、数据分析等边缘计算功能。

同时，芯片还内置有3个12位逐次逼近型模数转换器（analog to digital converter, ADC），可接入16路外部信号源，各通道可配置为单次、连续、扫描或间断模式进行数据转换，转换结果可选择以左对齐或右对齐方式存储于16位数据存储器中，最高转换速率可达5MHz，各通道采样间隔时间可通过程序设置。通过该模块实现工作逻辑控制、输入输出（input output, IO）控制、传感器模拟量信号采集、数据转换传输等功能。

2.2  无线通信模块

目前，变电站在线监测系统常用的无线组网方式主要包括LoRa、WiFi、ZigBee、NB-IoT、4G等。WiFi及ZigBee技术由于信号传输距离短，难以满足长母线监测需求，NB-IoT及4G技术需采用专有频段通信，授权费用及流量费用高。因此，本系统选用LoRa方式进行组网。几种无线通信方式的性能对比见表1。

表1  无线通信方式性能对比

通信模块采用基于LoRa扩频技术的F8L10D集成芯片进行数据无线传输。该芯片支持数据透传、命令控制、应用程序编程接口（application pro- gramming interface, API）、Modbus等工作模式，可通过软件对其数据传输速率、无线发射功率、无线频段等参数进行配置，本方案采用数据透传模式，LoRa芯片通过通用异步收发传送器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）总线与主控模块连接。

2.3  模拟量采集模块

由于形变传感器直接安装于母线设备上，开关操作、系统运行故障、工频电压等引起的电磁干扰极易通过传感器通信线缆耦合进入终端内部，造成测量不准确、通信中断甚至电路损坏等故障。因此，采样通道选用ISO124隔离放大器，该放大器采用占空比调制-解调技术，模拟量信号以数字量的形式通过差动电容隔离层进行传输，能够有效抑制干扰信号输入。模拟量数据采集通过STM32集成的ADC模块完成。

2.4  温度采集模块

系统采用PT100铂热电阻监测母线温度，与集成测温芯片相比具有安装灵活、抗电磁干扰能力强、测量准确度高的优点。传感器通过接插端子与终端相连，采用TL431设计电流源模块为传感器供电，传感器输出电压信号经AD8226放大后进入ADC模块。

2.5  终端软件设计

数据采集终端软件流程如图5所示。采集终端启动后，首先对各外设模块及IO引脚进行初始化并读取设备ID、配置信息等参数，然后开始监听无线报文，对ID匹配的查询报文进行响应，依次采集各通道传感器数值，转换为相应格式后打包发送至后台。

图5  数据采集终端软件流程

3  监测后台软件设计

3.1  软件架构

监测系统采用星形组网方式，监测后台轮询采集各终端波纹管状态数据，存入数据库并通过人机交互界面展示给用户。软件能够对异常数据进行报警。通过历史数据查看功能，用户可查看过去特定时间段的状态数据变化曲线。监测后台软件架构如图6所示，主要实现用户管理、数据获取、数据解析、数据存储、数据展示等功能。

图6  监测后台软件架构

3.2  报警策略

波纹管引发设备故障的原因主要有：①波纹管形变超出允许补偿量导致自身开裂；②由于安装问题，波纹管不能发挥补偿作用导致母线开裂。因此，系统设计以下两条报警策略：

1）当波纹管形变量超出设定阈值时，触发波纹管形变超限报警。

2）根据波纹管形变量与环境温度关系模型对形变值进行预测，当监测形变值远小于系统预测值时触发报警，提醒运维人员关注。

系统选取时间最近的100个数据点进行拟合，计算a和b，得出波纹管形变量与环境温度的关系函数，即可预测波纹管实时形变值。

4  系统功能测试

为了验证监测系统的可行性，在工厂选取一段800kV母线搭建波纹管在线监测系统，在波纹管外安装形变传感器及温度传感器，并将数据采集终端就近安装于母线上，安装方式如图7所示。通过监测后台对波纹管形变及温度变化情况进行监测，每30min采集一组数据。截取某日00:00～24:00的状态变化曲线如图8所示。

图7  波纹管形变传感器及采集终端安装方式

图8  波纹管形变量与温度变化曲线

从图8可以看出，监测期间温度在2-17℃之间变化，波纹管受母线热胀冷缩影响，温度升高时压缩，温度下降时拉伸，形变长度发生明显变化，与温度成反比例关系。通过该试验，系统功能得到了验证。

5  结论

本文研究设计了基于LoRa的波纹管状态监测系统及基于STM32微控制器的数据采集终端，提出了具体的硬件方案及软件流程，并搭建试验平台对系统功能进行了验证。监测系统采用LoRa无线通信方式进行数据传输，与传统在线监测系统相比，具有成本低、便于部署实施的优点。通过该系统对波纹管形变及温度进行实时监测，不仅可以降低变电站运维人员的工作量，也为GIS长期可靠运行提供了保障。

本文编自2023年第1期《电气技术》，论文标题为“一种气体绝缘金属封闭开关设备波纹管监测系统设计与实现”，作者为汪海光、张伟 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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