文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）11-118-04中圖分類號：TM910.7

★郭華科，肖方勇，祝潔，李學杰，魏寧，李積芳，李佳林（國網西藏電力有限公司超高壓分公司，西藏拉薩850010）

關鍵詞：直流電源系統；機械振動；電壓波動；故障定位；多通道采集

電源系統是變電站非常重要的組成部分，它的主要任務就是給繼電保護裝置、斷路器操作、各類信號回路提供電源。其中，直流系統的正常運行與否，關系到繼電保護及斷路器能否正確動作，影響著變電站乃至整個電網的安全運行。其廣泛應用于電力系統的控制回路、通信基站、工業自動化設備、軌道交通等關鍵領域，是保障這些系統安全穩定運行的“心臟”。在實際運行環境中，電源系統中各回路常受到各種機械振動的影響，例如各種斷路器的分合閘動作、屏柜內的操作開關等各種機械振動誘發的電壓波動已成為直流系統穩定性控制的突出難題。斷路器作為電力輸配電系統中應用最廣泛的開關電器設備，其運行狀態對電力系統的運行穩定性和供電可靠性具有直接影響^[4]。基于其機械特性^[5]，分合閘操作引發的機械振動，可能通過以下方式導致斷路器周圍的饋線電壓波動：（1）接觸不良：機械振動使連接端子可能出現松動，導致接觸電阻增大，引發個別饋線電壓跌落；（2）分布參數變化：機械振動可能會改變線路寄生電感和電容，引發諧振，從而導致個別饋線電壓跌落；（3）共模干擾：機械振動通過地線耦合引入噪聲。在斷路器操作、設備機械振動等場景下，直流母線常出現幅值5%～20%的瞬時電壓波動，傳統方法易將其誤判為接地故障，導致運維資源浪費。據不完全統計，一座500kV變電站因電源抖動導致的誤報，年均觸發不必要接地排查高達28次以上，每次排查平均耗時4～8小時。傳統的監測手段與方法僅關注電壓幅值的變化，難以區分振動引起的波動與正常負載變化。僅僅依靠人工排查，效率低且難以捕獲故障發生的瞬態過程，亟須高精度的、更高效的故障定位手段。本文基于時序關聯分析原理，開發了振動與電壓波動同步的監測裝置^[1]，填補了機械振動引發電源系統饋線電壓波動監測與定位的技術空白。

1　目前的監測現狀

在工業電力系統中，機械振動常常導致系統母線電壓波動，尤其在斷路器、隔離開關操作、大型設備啟停時更為顯著。這種現象常常會被誤判為瞬時接地故障而進行排查，這種偶發性的故障目前的檢測手段難以識別。傳統的監測手段存在三方面根本性局限：故障信號捕捉維度單一，機械振動強度監測與電氣量監測相互獨立，難以建立“機電一體”的耦合關系；導致機械振動引起直流饋線電源波動的故障定位精度不足，阻抗法受分布式電容影響顯著，時頻分析方法存在窗函數選擇依賴性問題；響應實時性差，從電壓波動發生到故障判別常超過100ms，無法滿足快速保護需求。亟需研發能夠同步感知機械振動與電壓波動，并實現擾動源精準定位的智能監測裝置來解決以上問題。

2　裝置設計

2.1　系統設計

系統設計層次分明，包括硬件層、中間件層和應用層。硬件層配備WTVB01-485振動傳感器及串口；中間件層則整合了RS485、RS232驅動，LCD、WTVB01傳感器驅動，以及ADC和LED驅動；應用層為振動傳感器和電壓數據采集處理程序，能夠高頻采集斷路器振動信息和母線電壓波動，避免漏判。

2.2　硬件設計

實際應用環境中，眾多測試設備的運行往往導致母線正負極對地電壓波動。當此類電壓波動與振動異常同時被系統檢測到時，難以準確判斷告警信號是由外部機械振動還是母線電壓波動引起。為了避免外部的設備對系統的電壓采集產生影響，系統采用同時測試母線間的電壓和正負極電壓的電路設計方法，對母線間電壓測量和正負極電壓的測量采用不同的隔離地。這樣既能做到外部設備的使用不影響本設備的電壓測量準確性和正常的斷線極性判斷，又能避免本設備與外部電路直接電氣連接，影響外部電路的使用。系統設計電壓采集電路時增設了保險絲，以防正負反接損壞后級電路。

2.3　軟件設計

（1）建立二級聯動機制

電壓波動閾值：任意回路電壓偏離設定的值；振動傳感器靈敏度：大傳感器靈敏度設置的閾值。當且僅當兩者同時被觸發才會觸發告警機制。

（2）單線性插值法算法

MCU轉換采樣電壓后，采用單線性插值法，根據設備存儲的多個校準點，對實時數據進行電壓計算，數據進入相應的校準點區間。

（3）FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換）算法

傅立葉變換是數字信號處理領域一種很重要的算法。要知道傅立葉變換算法的意義，首先要了解傅立葉原理的意義。傅立葉原理表明：任何連續測量的時序或信號，都可以表示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。而根據該原理創立的傅立葉變換算法利用直接測量到的原始信號，以累加方式來計算該信號中不同正弦波信號的頻率、振幅和相位。

FFT，即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。

根據傅立葉原理，一個竄入交流模擬信號，經過ADC采樣之后就變成了數字信號。采樣得到的數字信號，就可以做FFT變換了。FFT可以將一個信號的頻譜提取出來進行頻譜分析。傅立葉變換計算單次諧波的計算公式如式（1）所示：

式（2）中：n表示希望求取的諧波次數（n＝1即為求取的是基波量），N為每周期采樣點數，k為采樣順序號（即第k個采樣點），是指時刻的采樣值。我們以采樣50Hz交流電壓為例：每隔0.5mS采樣一個點，一個周期20mS內一共采樣40個點。計算其基波信號幅值特征量，n＝1，N＝40，k為1～40，根據上面計算單次諧波的公式(1)計算，其中＝3.1415926；

最終計算的結果和為計算40次的積累和。該信號的基波量為式（3）：

(*)+(*)的均方根值：=sqrt((*)+(*))（3）

綜上所述，我們通過對采樣序列進行傅立葉變換，可以將50Hz交流信號的頻譜提取出來，通過計算該交流信號的幅值特征量，從而實現對竄入交流電壓大小的判斷，同時避開了其他干擾信號的影響。

圖2

2.4　核心功能設計

（1）實時監測

振動監測技術作為一種重要的狀態監測技術，可以實時獲取設備的振動信息^[2]。系統同時配置5路母線采集通道，將采集到的母線電壓信號經過MCU轉換，然后進行數據分析，可還原真實母線電壓結果，達到實時監測目的^[3]。系統通過在屏柜內指定位置放置的一路振動傳感器，可實時監測機械振動傳感器的狀態和周圍多個直流回路的正負極電壓，或者也可以檢測交流電壓的變化情況，再結合振動傳感器與直流回路正負極電壓或者交流電壓的變化特征及規律，可以判斷出是機械振動引起某回路電源正負極電壓波動或者交流電壓波動，并準確定位到具體的回路。系統記錄下振動波動傳感器的狀態與故障回路正負極電壓或者相線電壓的變化情況，然后根據電壓變化趨勢可以判斷出是機械振動導致回路正極、負極或正負極或相線同時發生電壓波動故障，大大節省了這種機械振動導致直流回路正負極電壓變化或者交流電壓波動的人工排查時間和工作量。

（2）智能告警

振動強度與電壓波動雙超閾值時觸發告警。當發生告警時給予聲音和告警燈提醒，并記錄故障發生時間、故障路數，5路回路電壓，觸發告警瞬間5路回路前1秒至后1秒的錄波數據，方便分析正常狀態與異常狀態下的母線電壓波形，對異常回路特征進行提取^[6]。結合振動傳感器與直流回路正負極電壓或者交流相線電壓的變化的特征及規律判斷出由于機械振動引起某回路電源正負極或者交流相線電壓波動，并準確定位到具體的回路。記錄下振動波動傳感器的狀態與故障回路的正負極電壓或者交流相線電壓變化情況，根據電壓變化趨勢判斷出由于機械振動導致回路正極、負極或正負極或交流相線發生電壓波動故障。

（3）歷史追溯

系統內置60條記錄存儲空間，便于日后追溯告警原因，同時支持告警信息的詳細查看，包括5路波形的完整回放功能。系統采用循環覆蓋方式，可保存最近50條告警記錄信息。

（4）參數修改

由于機械振動強度大小不一，系統利用振動傳感器監測環境機械振動狀態，并根據實際情況自行設置檢測靈敏度。系統支持可以通過電壓波動閾值的靈活調整以及振動傳感器靈敏度的個性化設置，雙重定值設置，從而能夠輕松適應各種實際環境需求，優化設備性能。

3　裝置應用

基于多模態感知的定位技術已在多個領域發揮關鍵作用，并展現出差異化的應用價值。

（1）安全可靠性提升

系統通過在屏柜內指定位置放置的一路振動傳感器，可實時監測機械振動傳感器的狀態和周圍多個直流回路的正負極電壓變化情況，然后利用振動與電壓同步分析技術，結合電壓相位分析，可以有效區分機械操作擾動與電網故障擾動，從而實現擾動源頭的精確區分。此外，系統通過實時捕捉振動與電壓波動的時空關聯特征，結合振動傳感器與直流回路正負極電壓或交流相線電壓的變化特征及規律，可以判斷出是機械振動引起的某回路電源正負極電壓或交流相線電壓波動，并限制兩者發生的時間差，可以避免誤判，確保精準故障捕捉。

（2）運營成本優化

在直流系統中，接地故障排查工作往往耗時費力。特別是機械振動引發的母線電壓波動導致的非瞬時接地情況，傳統排查手段難以準確區分振動干擾與瞬時接地，致使絕緣監測裝置頻繁誤報，增加了運營成本。該設備便應運而生，其多參數融合診斷大大節省了設備運營成本，也大大節省了這種機械振動導致直流回路正負極電壓或交流相線電壓變化的人工排查時間和工作量。

（3）應用場景

在變電站中，場景痛點：斷路器分合閘振動→誤觸發絕緣監測告警→值班員盲目排查接地。本項目通過應用機械振動引發的直流電壓波動定位技術，實現了振動與電壓波動的實時關聯，從而能夠精確地對機械振動引起的直流電源回路電壓波動故障進行定位，顯著減少了無效接地排查的次數。

4　結語

綜上所述，機械振動引發的直流電壓波動定位技術正經歷從“單一參數監測”向“多模態感知融合”的范式轉變。在現代工業設備智能化與集成化的背景下，通過復合傳感網絡和電壓采樣協同架構，當前研究實現了響應時間壓縮至50ms級，同時故障判別準確率達到了90%以上。這一成果在機械振動信號處理與故障診斷領域具有顯著的創新性。研究顯示，在變電站等場景中，采用先進的直流系統接地故障快速定位技術，可使無效接地排查減少95%以上，同時運維成本降低40%～50%。

然而，信號分離、實時定位及工程化應用仍面臨嚴峻挑戰。未來需重點突破數字孿生建模、標準體系構建、自供能傳感器等關鍵技術，推動定位裝置從“故障診斷”向“健康預測”躍遷，為高可靠性電源系統建設提供核心技術支撐。只有實現機械振動能量與信息的雙重利用，才能構建具備主動免疫能力的新型電力系統防御體系。

作者簡介：

郭華科（1990-），男，四川宜賓人，本科，工程師，現就職于國網西藏電力有限公司超高壓分公司，研究方向為繼電保護專業。

肖方勇（1975-），男，學士，工程師，現就職于國網西藏電力有限公司超高壓分公司，研究方向為輸變電運檢專業。

祝　潔（1983-），女，學士，工程師，現就職于國網西藏電力有限公司超高壓分公司，研究方向為變電運檢專業。

李學杰（1981-），男，學士，工程師，現就職于國網西藏電力有限公司超高壓分公司，研究方向為輸變電運檢專業。

魏　寧（1992-），男，學士，工程師，現就職于國網西藏電力有限公司超高壓分公司，研究方向為繼電保護專業。

李積芳（1987-），男，學士，工程師，現就職于國網西藏電力有限公司超高壓分公司，研究方向為變電運檢專業。

李佳林（1991-），男，學士，工程師，現就職于國網西藏電力有限公司超高壓分公司，研究方向為變電運檢專業。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2025年11月刊