智能电网中SF6气体状态监测系统设计
薛冰，赫树开，袁子茹
(河南日立信股份有限公司，河南省郑州市，450001)
摘 要：为了满足智能电网对智能化变电站的要求，本文介绍了一种高压开关设备中SF6气体状态监测的解决方案，该方案将SF6气体的密度和湿度的监测合二为一，对于系统可靠性也给出了切实可行的方案，为智能化变电站的建设建立了坚实的基础。
关键词：智能电网、SF6、密度、湿度、可靠性
0引 言
随着经济的发展、社会的进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临新课题和新挑战。发展智能电网，成为世界各国讨论的热门话题，如何才能发展以“坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化”为主要特征的统一坚强智能电网建设，也成为我国电力行业各界以及专家学者研究的主要目的。
由于SF6气体具有很好的绝缘和灭弧性能，已经在高压设备绝缘的领域得到越来越广泛的应用。开关设备的拉弧放电，会造成SF6气体的分解，其分解产物中含有硫化、氟化物，这些分解组分遇SF6气体中所含水分之后会形成强腐蚀性的酸性物质，会腐蚀高压开关设备。若设备发生泄漏，造成SF6气体密度下降，则会使开关设备耐压强度降低、断路器开端容量下降。因此SF6气体的密度和水分监测，是十分必要的。
1. 密度测量原理
当高压设备的气室中充有SF6气体后，判定其是否以满足绝缘或灭弧的要求时，常常用SF6气体密度这个概念来衡量。因为SF6气室内的绝缘强度取决于SF6气体密度值的大小，即单位体积内SF6气体的分子数。而密度值的大小是通过20℃时的气体压力来体现的。SF6气体的击穿强度与温度的关系，见图1所示。
图1 SF6气体的击穿强度与温度的关系图 2 SF6气体的三态图
1-密度恒定;2-压力恒定
该图显示：(1)气体密度恒定时，SF6气体的击穿强度与温度无关;(2)压力恒定时，SF6气体的击穿强度会随温度上升而降低(因温度上升，SF6气体密度逐渐下降)。
由于密度一定的情况下，温度发生变化时压力也随之改变，不同的密度对应的变化曲线也各不相同，其变化规律如图2所示。
因此为了能够正确反映出压力值的变化是由于漏气还是由温度变化所引起的，必须通过温度补偿或修正的方法，使压力指示仪表的读数无论自然环境中的温度如何变化，指示结果始终是20℃的标准压力值，将这个值等效为气室内SF6气体的密度示值。
对SF6气体密度计算及20℃压力换算，比较准确而实用的SF6气体状态参数计算式可用贝蒂——布里奇曼(Beattie-Bridgman)状态方程：
(1)
(2)
(3)
式中：——SF6气体的压力，单位MPa;
——SF6气体的密度，单位kg/m3;
——SF6气体的绝对温度，单位K;
由(1)、(2)、(3)式可以看出，在确定实测压强P和温度T后，只须通过解一个三次方程即可得到此时SF6气体的密度γ。在进行编程计算时，采用牛顿叠代法进行求解。经多次计算即满足精度。计算得到SF6气体的密度γ后，令T=20+273，再通过(1)式计算出当前SF6气体在20℃时的压强P20。
2. 湿度测量原理
本系统的湿度测量传感器采用的是芬兰VISALA公司生产的DMT142传感器。采用了Vaisala公司自主发明的DRYCAP敏感元件，该元件是专门用在低湿环境的温湿度测量并具有极强的抗结露能力。它包含了一个高分子湿敏薄膜电容和热敏电阻。电容值和相对湿度(RH%)成正比。加入温度信号后就可以由DRYCAP元件直接反映出Pw(水汽压)或露点值了，其推导如下：
由温度传感器的Pt-100可以测出气体的温度值T，根据Go-ff-Gratch和Wexler修正公式可求出温度T下的饱和水汽压：
当T>0时：
(1)
或者T<0时：
(2)式中：
——温度T下的饱和水汽压(10-4Mpa)
——当前的气体环境温度(K);
——水的三相点温度，273.16K;
又因为：
气体的相对湿度
所以气体的水汽分压为：
——气体的水汽分压，单位MPa;
此时露点温度值Td值可以由带入(1)、(2)式求出。但在(1)、(2)中应将由更换，T由Td更换。对于0°C以下的低湿露点值当然也可由上述方法直接求出。但是其精度却很难保证，因为相对湿度越接近于零，其露点精度就越随着零点漂移量的变化而快速下降。由于其零点漂移使得误差就越大，所以为了提高其测量精度必须在测量过程中设法减少相对湿度的零点漂移。
为解决这一精度问题，仪表必须满足在线工作时自动计算偏移量变化并调整这一偏移量，这一过程可由以下公式 来表达：
(3)
其中：
—完全干状态下的输出;
—气体的水汽分压;
—温度T时的饱和水汽压;
很容易求解，所以在同一水汽分压下测量两个温度T值即两个就可以计算出漂移量RH0值了。(假定在这一过程中保持不变)
对于将在压下的SF6露点修正为标况下20℃时的露点，则采用下面的公式计算：
(4)
式中：
——在℃时测得的湿度值，;
——折算到20℃时的湿度值，;
a、b、c——拟合常数，，，。
3. 系统设计
图5 系统框图
传感器送出的电流或者电压信号，经过处理放大单元，进入AD转换器转换成数字信号，然后送入单片机，单片机根据运算的结果来判断是否满足报警条件，是否满足继电器启动条件，通过I/O来控制外围受控器件工作。并将测试所得数据通过RS485总线，实时上传至上位机。系统实现如图5所示。
本系统采用TI公司生产的MSP430F149超低功耗单片机，这款单片机集成了丰富的片内外设，独特的时钟系统设计;采用矢量中断，支持十多个中断源，并且可以任意嵌套;采用了精简指令结构，使用8M晶振工作时，指令速度可达8MIPS，快速强大的运算能力，保证了数据处理的实时性。并且片内集成高精度的A/D转换器，无需外扩，为系统设计的精简提供了极大的方便。
显示采用了128*64点阵高辨率的OLED屏。OLED屏显示亮度高，不需要专门的背光就能够实现夜视功能，寿命长，并且比普通的LCD液晶屏具有更宽广的视角。
存储模块采用的是SST25V16B大容量片外FLASH，并分为两个存储区。第一个存储区每隔十分钟(时间间隔可以用户自由设置)存储一组测量值以及相应的时间和日期;第二个存储区用以保存报警事件发生时的测量值以及时间和日期;这样做的目的在于，即使仪表在不接入上位机的时候，可以通过OLED显示来查看历史记录，并且可以通过RS485总线将历史数据下载下来，用以查看和分析。
为了避免现场使用时，共模干扰对485通讯造成严重影响，采用了ADI公司生产的ADM2587单电源隔离型485芯片。该芯片共模电压抑制能力为25KV/us，并且具有的ESD防护性能，除此之外，系统电源采用了隔离的DC-DC模块，将485地和系统电源地完全隔离开来，这样不仅能够获得很好的电磁兼容性能，而且使得电源线上干扰不会对485传输造成影响。
采用了红外遥控器和备用按键两种操作仪表的方式。除使用遥控器或者按键对仪表进行手动操作外，也可以通过RS485总线实现对仪表属性的设置，例如仪表校准、时钟修改、通讯地址设定等，这样一来，即使仪表被安装在开关上不易接触到的位置，也可以方便的进行操作。
4. 上位机软件设计
上位机软件主要具有以下功能：
1.年泄漏率计算功能：监控软件可根据现场测量的数据信息计算出SF6气体的年泄漏率。
2.遥控功能：用户可根据需要通过监控软件控制过压、预警、闭锁三路继电器的开断状态，使整个系统更具灵活性、可靠性。
3.历史数据记录和查询功能：监控软件可提供历史数据的记录和查询功能。
4.趋势分析和专家预估功能：监控软件可根据测得的数据信息对开关状态做出趋势分析和预估，例如：开关距离下一次补气还有多长时间等。
5.历史曲线绘制功能：监控软件可自动绘制历史曲线，以供用户查询和分析。
5. 继电器可靠性设计
继电器控制是本系统的一个重点和难点，在设计过程中，针对这一问题，做了一系列软件和硬件上的处理。给出了以下可靠性解决方案：
在硬件电路上选用高性能的元器件，以保证硬件电路的可靠性与稳定性; 继电器驱动电压选用隔离电源进行供电，同时使用光耦进行隔离控制，有效防止继电器端的强电干扰损坏控制侧的弱电电路;继电器采用进口欧姆龙继电器，质量可靠。耐电压为线圈和接点间AC3,000V(耐冲击电压6kV)的高绝缘型。机械寿命5,000万次以上(开关频率18,000次/h)，电气寿命10万次以上(额定负载 开关频率1,800次/h)，极大降低了继电器本身损坏的可能性。 仪表本身通过EMC测试，性能可靠。在正常工作状态下不会出现误动作。防止误动作主要考虑以下几种情况。
1.继电器部分控制电路如下图所示：
图4 继电器控制电路 图5 报警动作阈值
控制脚MCLOSE为低电平时继电器断开，控制脚MCLOSE为高电平时继电器吸合，系统MCU复位电平为低电平。由上图所示，在MCU未上电，无法正常运行程序(如某些关键引脚外接电路出现异常)或者损坏的情况下，继电器将保持断开状态。
2.带有看门狗功能，防止程序跑飞引起的继电器异常报警。
3.如图7所示，报警动作阈值分两项。当压力低于“报警开”设定值时，报警信号发生，报警发生后，如果压力恢复到高于“报警关”设定值，报警信号解除。在报警开和报警关之间有0.01MPa的缓冲区域，防止数据在报警临界点摆动时，继电器不停的动作。
4.程序中采用自底层往上层的结构，将继电器报警控制列为最高等级。任何一个子功能的缺失将导致继电器报警失效。例如当压力传感器接线松动，测得压力极小，程序将自动判定压力传感器失效，所有依赖压力传感器信号的功能都将失效。
5.硬件设计中大量采用智能化硬件芯片，在返回数据的同时也返回硬件状态信息。通过程序，不停检测各外围硬件状态，在外围硬件出现异常时丢弃它回传的数据并尝试对其进行复位。确保不会出现因为关键外围器件损坏(如AD)导致误报警。
6. 结论
本系统对应用于智能变电站中的SF6微水密度监测给出了完整的实施方案，通过严谨的软硬件设计，克服了原始的微水和密度测量方式的缺点，真正的实现了在线仪表智能化的要求。充分的考虑了现场环境的影响，对系统可靠性设计采取了一系列行而有效的措施，确保系统在现场应用中可以长期稳定可靠的工作。
图6 继电器控制程序流图
参考文献
1 胡雨龙，陈伟根，孙才新. SF6气体中微水含量模拟在线监测初探[J].高电压技术，2002,28(4)，30-32;
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