涂福榮 陳曉捷 朱秀琴

（中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

開關(guān)柜是電網(wǎng)中的重要一次設(shè)備，其可靠性是電網(wǎng)安全的重點保障環(huán)節(jié)［1-2］。開關(guān)柜內(nèi)斷路器、高壓線纜接頭、刀閘開關(guān)等重要設(shè)備在長期運行中可能出現(xiàn)設(shè)備老化、表面氧化、腐蝕、緊固螺栓松動等問題。加上很多電力設(shè)備長期處于高負(fù)荷運行狀態(tài)，容易引發(fā)溫度異常。如不及時發(fā)現(xiàn)處理，可能引起熔融、燃燒甚至爆炸等安全事故［3-5］。因此，研究具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活的開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)，對提高開關(guān)柜設(shè)備可靠性、提高設(shè)備的使用效率、減少斷電停機(jī)時間、降低運營成本具有重要的意義。

1 數(shù)字化開關(guān)柜設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

開關(guān)柜數(shù)字化的關(guān)鍵在于對其設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測和健康診斷，由傳統(tǒng)的被動預(yù)防向主動預(yù)測轉(zhuǎn)變，提前發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷和故障并有計劃的安排維修，從而減少非計劃停電［6］。

數(shù)字化開關(guān)柜設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)包括采集單元、監(jiān)測單元、控制單元、開關(guān)柜IED、資產(chǎn)健康管理平臺五個部分。采集單元通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)，獲取運行設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)；監(jiān)測單元包含母排/觸頭溫度監(jiān)測子單元、斷路器機(jī)械特性監(jiān)測子單元；控制單元包含手車控制子單元、刀閘控制子單元、防誤閉鎖控制子單元；開關(guān)柜IED符合標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議與資產(chǎn)健康管理平臺互聯(lián)；資產(chǎn)健康管理平臺在收集到設(shè)備健康數(shù)據(jù)后，依靠集成在平臺內(nèi)的上述算法模型將數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的分析診斷，結(jié)合出廠數(shù)據(jù)、歷史趨勢有效地發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，建立開關(guān)設(shè)備健康狀況的檔案，為設(shè)備失效預(yù)測提供在線診斷和分析的依據(jù)，最終給用戶提供設(shè)備健康診斷情況，并提供有針對性的設(shè)備維護(hù)建議。從而實現(xiàn)物、服務(wù)與人互聯(lián)的智能物聯(lián)網(wǎng)的完整解決方案，達(dá)到提前預(yù)警、預(yù)防、治理，減少非計劃停電時間降低運營成本，以及節(jié)能減排的目的。其結(jié)構(gòu)原理圖見圖1。

2 數(shù)字化開關(guān)柜設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 監(jiān)測單元

2.1.1 開關(guān)柜無線測溫在線監(jiān)測

無線測溫在線監(jiān)測用于開關(guān)柜內(nèi)關(guān)鍵點運行溫度的在線監(jiān)測，有效解決開關(guān)觸點和母排、電纜連接處等關(guān)鍵部位老化、接觸不良或過載引起過熱導(dǎo)致設(shè)備損毀的問題。在完全不影響電力設(shè)備絕緣和安全性能的前提下，實現(xiàn)電力設(shè)備關(guān)鍵結(jié)點實施溫度監(jiān)控的需求。

動態(tài)溫度監(jiān)測。動態(tài)溫度監(jiān)測子單元主要用于監(jiān)測開關(guān)觸頭的溫度，遵循體積小、絕緣性能好、可靠性高、成本低的原則，采用Zigbee無線測溫技術(shù)［4］和內(nèi)嵌技術(shù)。溫度傳感器與接收單元完全隔離，保障運行安全；將測溫模塊嵌入高壓部件，電場均勻，對絕緣無影響；高可靠的測溫傳感器其工作溫度范圍應(yīng)遠(yuǎn)高于測量部位導(dǎo)體最高溫升，確保監(jiān)測設(shè)備的高可靠性和工作壽命。

溫度監(jiān)測子單元可對關(guān)鍵部件（斷路器觸頭、電纜接頭）進(jìn)行溫度監(jiān)測，超溫報警，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障點。

2.1.2 斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測

斷路器機(jī)械特性監(jiān)測子單元能夠?qū)崟r監(jiān)測與采集斷路器運行狀態(tài)參數(shù)，從而監(jiān)測斷路器從操作指令至動作完成的全過程機(jī)械特性，包括合分閘時間、速度、運動行程等。通過數(shù)學(xué)模型分析，將采集到的斷路器的機(jī)械特性通過機(jī)器算法得出設(shè)備的整體健康狀態(tài)指數(shù)，當(dāng)存在故障風(fēng)險時，自動推送預(yù)警信息和設(shè)備健康常規(guī)年度試驗的機(jī)械特性檢測。

2.1.3 儲能電機(jī)及分合閘線圈電氣特性在線監(jiān)測

儲能電機(jī)及分合閘線圈電氣特性在線監(jiān)測子單元采用非介入式霍爾傳感器對電流曲線進(jìn)行在線監(jiān)測。使得測量回路與控制回路完全物理隔離，不影響開關(guān)柜的操作回路。最后，基于設(shè)備的數(shù)學(xué)模型對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷。

2.2 控制單元

2.2.1 斷路器手車電動操作

斷路器手車的電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)是通過在斷路器車底盤上增設(shè)電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)內(nèi)馬達(dá)帶動整個傳動機(jī)構(gòu)運行完成斷路器手車電動搖進(jìn)/搖出的操作。當(dāng)馬達(dá)停轉(zhuǎn)或失效時，離合機(jī)構(gòu)自動分離，芯軸的運動脫離蝸輪蝸桿傳動，隨時可以采用手動搖進(jìn)/搖出手車。通過控制子單元作為斷路器手車電動操作的控制器，其同電動手車相連接，可根據(jù)指令控制電機(jī)實現(xiàn)斷路器手車的電動搖進(jìn)、搖出。同時，系統(tǒng)可實時監(jiān)測并判斷電機(jī)是否工作正常。當(dāng)電機(jī)運行受阻達(dá)到保護(hù)條件時，立即對電機(jī)制動，隨后逆向驅(qū)動電機(jī)解除卡死。電動手車控制器能監(jiān)測每一次操作斷路器手車過程中，電機(jī)運轉(zhuǎn)的電流平均值和峰值以及搖入、搖出時間，為智能電機(jī)驅(qū)動及保護(hù)提供可靠數(shù)據(jù)。同時可采集如下信號：①斷路器手車電動搖入搖出；②電動操作防堵轉(zhuǎn)保護(hù)；③斷路器手車電動搖入/出操作時間、電流。

在五防閉鎖邏輯上應(yīng)滿足：僅當(dāng)開關(guān)柜斷路器室門處于關(guān)閉狀態(tài)，斷路器方可進(jìn)行搖進(jìn)/搖出操作；僅當(dāng)斷路器處于試驗位置時柜門才可以被打開；斷路器搖進(jìn)/搖進(jìn)操作過程中或斷路器處于工作位置時柜門不能被打開。

2.2.2 接地開關(guān)電動操作

接地開關(guān)電動操作是通過電機(jī)驅(qū)動接地開關(guān)操作桿的傳動，從而實現(xiàn)接地刀閘的合閘和分閘操作。其結(jié)構(gòu)應(yīng)具備以下特點：①利用離合器對傳動系統(tǒng)隨時分離或接合；②當(dāng)馬達(dá)正常工作時，蝸輪蝸桿配合傳動，促使離合機(jī)構(gòu)聯(lián)接，帶動整個傳動機(jī)構(gòu)運行，使操作桿傳動，完成合閘或分閘的操作；③當(dāng)馬達(dá)停轉(zhuǎn)或失效時，操作離合機(jī)構(gòu)分離，芯軸的運動脫離蝸輪蝸桿傳動，隨時可以采用手動合閘或分閘的操作。

在“五防”上，通過電氣聯(lián)鎖實現(xiàn)僅當(dāng)斷路器手車處于隔離/試驗位置時，實現(xiàn)接地刀閘的電動分、合閘操作；且接地刀閘電動操作和手動操作應(yīng)互為閉鎖。通過控制子單元可根據(jù)指令控制電機(jī)實現(xiàn)地刀電動關(guān)合、斷開。同時采集如下信號：①接地開關(guān)電動操作；②電動操作防堵轉(zhuǎn)保護(hù)；③接地開關(guān)電動合/分閘操作時間、電流。

2.2.3 開關(guān)柜柜內(nèi)視頻在線監(jiān)視子系統(tǒng)

視頻在線監(jiān)視子系統(tǒng)主要由視頻服務(wù)器、帶補光的廣角攝像頭、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、視頻監(jiān)視終端組成。在柜內(nèi)的視頻采集攝像頭主要用于斷路器、接地開關(guān)、電纜搭接處的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。視頻服務(wù)器通過以太網(wǎng)通訊將視頻文件發(fā)送至視頻顯示終端。

采用自帶補光LED燈的廣角攝像頭即使在封閉無光的柜內(nèi)環(huán)境也能清晰捕捉開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)遠(yuǎn)程操作開關(guān)設(shè)備時無需派人前往現(xiàn)場確認(rèn)開關(guān)是否動作到位，為一鍵順控操作提供“雙確認(rèn)”輔助依據(jù)，真正實現(xiàn)變電站的無人值守。在提高工作效率的同時也節(jié)省了人員配置，提高了安全性。

視頻在線監(jiān)視系統(tǒng)的工作方式：當(dāng)操作某臺開關(guān)柜之前，可先從視頻監(jiān)視終端調(diào)出該開關(guān)柜所有監(jiān)視的視頻畫面，然后再進(jìn)行斷路器手車或接地刀的操作，在線監(jiān)視開關(guān)的動作情況。視頻調(diào)用一定時間后如無更多操作可延時自動停止攝像頭工作，以延長攝像頭使用壽命。當(dāng)需要遠(yuǎn)程巡檢時，也可以通過調(diào)用視頻對開關(guān)柜進(jìn)行視頻巡檢，視頻畫面的顯示序列和操作監(jiān)視的序列一致。

后臺監(jiān)視主機(jī)可查看開關(guān)柜監(jiān)視視頻并對所有訪問視頻進(jìn)行存儲。同時提供遠(yuǎn)方訪問（RTSP視頻流方式）開關(guān)柜所有監(jiān)視的視頻畫面的功能，并對所有訪問視頻進(jìn)行存儲。

另外，增加開關(guān)柜視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，開關(guān)柜結(jié)構(gòu)方面應(yīng)滿足國標(biāo)的設(shè)計要求，且不能改變開關(guān)柜原有結(jié)構(gòu)和存在對設(shè)備造成傷害的因素；各個探頭的走線布置應(yīng)完全滿足視頻監(jiān)測裝置在中壓開關(guān)設(shè)備的安全運用要求。

2.3 開關(guān)柜IED

開關(guān)柜IED用以接收各監(jiān)測子單元采集到的數(shù)據(jù)，如高壓斷路器母線/觸頭溫度等數(shù)據(jù)、斷路器機(jī)械特性、分合閘線圈電流、視頻監(jiān)控信息等，將這些數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議傳送到資產(chǎn)信息管理平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷功能。另外，開關(guān)柜IED應(yīng)滿足電磁兼容的要求。

2.4 資產(chǎn)健康管理平臺

資產(chǎn)健康管理中心在收集到開關(guān)柜溫度和斷路器機(jī)械特性的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，可以通過就地HMI人機(jī)界面看到溫度、機(jī)械特性參數(shù)信息，通過通信接口實現(xiàn)如下功能：控制中心在收到溫度、機(jī)械特性異常預(yù)警時，可以實時監(jiān)測每個溫度監(jiān)測點的溫升情況和斷路器的機(jī)械工況。

資產(chǎn)健康管理中心依據(jù)開關(guān)設(shè)備的溫升模型分析開關(guān)設(shè)備當(dāng)前的運行溫升情況是否正常；依據(jù)斷路器的運動機(jī)理模型分析斷路器機(jī)械部件的工作狀況。最后，在開關(guān)柜設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫及設(shè)備缺陷、故障案例樣本數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，結(jié)合運行電流、出廠數(shù)據(jù)、歷史趨勢有效地發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，建立設(shè)備健康狀況的檔案，為設(shè)備失效預(yù)測提供在線診斷和分析的依據(jù)，提出設(shè)備維護(hù)建議，降低非預(yù)期性故障停電概率。

3 結(jié)論

本文提出的數(shù)字化開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及配置方案具有開關(guān)設(shè)備狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷等特點。該方案可實現(xiàn)開關(guān)柜溫度、機(jī)械特性、電流等主要參數(shù)的實時在線監(jiān)測；開關(guān)柜一鍵順控及可視化校驗；變電設(shè)備狀態(tài)實時預(yù)警、設(shè)備缺陷自動分析、處理策略主動推送等功能，形成基于多物理量感知的變電設(shè)備狀態(tài)智能研判預(yù)警機(jī)制。達(dá)到延長開關(guān)柜的使用壽命、提高安全性、提升供電水平、提高運維效率、減少人員配置的目的。