深圳供電局有限公司 柴二亮 樊 曄 符湛茹 廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 陳偉琛 深圳帶電科技發(fā)展有限公司 繆寶鋒

能源供給問(wèn)題往往伴隨著城市的快速發(fā)展而逐漸出現(xiàn)，其中以配電網(wǎng)的問(wèn)題尤為突出。其主要問(wèn)題集中在兩個(gè)方面：一是配電線路的移改或者設(shè)備故障；二是線路越來(lái)越復(fù)雜導(dǎo)致的停電檢修次數(shù)增多。這些日益顯現(xiàn)的問(wèn)題給用戶帶來(lái)的影響越來(lái)越大[1]。另外，維修時(shí)間的不確定使得地方區(qū)域難以保持供電的連續(xù)性。這些問(wèn)題會(huì)給用戶造成極大的影響，嚴(yán)重?cái)_亂普通居民的日常生活，發(fā)電和輸電等電力企業(yè)則會(huì)因停電導(dǎo)致潮流波動(dòng)大，電網(wǎng)的穩(wěn)定性下降，同時(shí)也造成能源浪費(fèi)。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，旁路帶電作業(yè)就是指在正常供電線路上旁路并接轉(zhuǎn)供線路，由轉(zhuǎn)供線路臨時(shí)替代正常供電線路供電，從而在對(duì)用戶不間斷供電的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)正常供電線路的斷電檢修[2]。期間可能使用旁路電纜車、移動(dòng)箱變車（或稱供電負(fù)荷轉(zhuǎn)移車）、負(fù)荷開(kāi)關(guān)車、旁路工具車、絕緣工具車、絕緣斗臂車等專用車輛[3]。這種作業(yè)方式和傳統(tǒng)的斷電檢修方式比起來(lái)，不僅完成了故障診斷的任務(wù)，而且在檢修供電線路時(shí)不會(huì)影響到用戶的正常用電，提高了供電的可靠性，是目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的帶電作業(yè)方式之一[4]。

由于許多城市低壓配電房在地下負(fù)層，而且低壓配電室所處環(huán)境周圍障礙多，空間小，需要旁路低壓開(kāi)關(guān)柜時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移車進(jìn)入難、轉(zhuǎn)移鏈接線路施工難，施工影響大，安全性低等問(wèn)題[5]。低壓移動(dòng)便攜式旁路開(kāi)關(guān)柜較好地解決了旁路作業(yè)工作中配電現(xiàn)場(chǎng)施工效率低、難度大、安全性低等問(wèn)題。采用移動(dòng)便攜式旁路開(kāi)關(guān)柜，加上智能化數(shù)據(jù)采集裝置，有效解決低壓柜旁路作業(yè)問(wèn)題，同時(shí)提升應(yīng)急搶修線路工作效率，提升應(yīng)急搶修線路工作服務(wù)自質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急搶修線路工作服務(wù)完成監(jiān)督任務(wù)。配電網(wǎng)中應(yīng)急搶修線路的作業(yè)方法一般分為四種[6]：傳統(tǒng)作業(yè)法、帶電作業(yè)法、移動(dòng)電源作業(yè)法、旁路作業(yè)法。

旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車的出現(xiàn)使得帶電更換或檢修變壓器的操作成為現(xiàn)實(shí)，解決了更換或檢修變壓器的傳統(tǒng)方法只有斷電才能操作的問(wèn)題，從而最大程度地降低了停電對(duì)用戶造成的損失和不便。該功能實(shí)施的原理步驟為：首先把旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車與故障設(shè)備（如變壓器）并列運(yùn)行；接著把故障設(shè)備從電網(wǎng)斷開(kāi)，退出運(yùn)行；這時(shí)，原故障設(shè)備供電的線路就完全依靠旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車來(lái)進(jìn)行供電。當(dāng)故障設(shè)備的故障被排除后，再讓已修復(fù)的正常設(shè)備與旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車再次并列運(yùn)行，隨后旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車則從電網(wǎng)斷開(kāi)，退出運(yùn)行，恢復(fù)故障線路用戶的正常供電。但在低壓側(cè)沒(méi)有單獨(dú)的旁路開(kāi)關(guān)柜來(lái)實(shí)現(xiàn)在城市化中隱蔽在建筑內(nèi)低壓配電房中的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行檢修旁路。

1 低壓便攜式旁路開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)

1.1 開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低壓旁路開(kāi)關(guān)柜是帶電作業(yè)負(fù)荷轉(zhuǎn)移重要組成部分，在帶電作業(yè)工作中，能否實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的供電持續(xù)穩(wěn)定由開(kāi)關(guān)柜的性能來(lái)決定。柜體作為低壓旁路開(kāi)關(guān)柜的機(jī)械骨架，是低壓旁路開(kāi)關(guān)柜制造的基礎(chǔ)，因此開(kāi)關(guān)柜柜體的結(jié)構(gòu)工藝就成了基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。由于低壓旁路開(kāi)關(guān)柜使用的特殊性，需考慮設(shè)備的安全性、耐久性、靈活性、快捷性。綜合考慮其設(shè)計(jì)具體如下：

在軟件CATIA 上設(shè)計(jì)低壓旁路開(kāi)關(guān)柜的柜體結(jié)構(gòu)，旁路開(kāi)關(guān)柜柜體由兩部分構(gòu)成，分別為開(kāi)關(guān)柜外部的柜體骨架和內(nèi)部用于的支撐元件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要滿足便攜移動(dòng)的工作需求。

開(kāi)關(guān)柜的柜體結(jié)構(gòu)主要由六大部分組成，從上到下分別為：安裝吊環(huán)、縱向支架、后擋板、立柱、橫向支架和橫梁，四周配以擋板組合而成開(kāi)關(guān)柜，外地下加上可移動(dòng)滾輪，用鉚釘把開(kāi)關(guān)柜框架的頂部、立柱、底座橫向支架和橫梁連接起來(lái)。這種結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)柜不僅體積較小，而且強(qiáng)度和剛度較強(qiáng)，符合便攜的設(shè)計(jì)要求。

其次對(duì)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。開(kāi)關(guān)柜柜體必須有足夠的強(qiáng)度來(lái)滿足安裝使用的要求，這就需要對(duì)開(kāi)關(guān)柜柜體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行處理，要具體的量化計(jì)算和實(shí)際實(shí)驗(yàn)，最后從計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中找出柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)解作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜體的機(jī)械以及柜體板材等各種指標(biāo)必須符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜柜體骨架結(jié)構(gòu)可以采用低碳鋼與鋁合金材料，這種材料不僅有足夠的強(qiáng)度來(lái)滿足開(kāi)關(guān)柜的使用，而且原料低廉，易于從市場(chǎng)上獲取。

在軟件ANSYS Workbench 上建立低壓旁路開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)有限元模型，以便于進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，由此得到開(kāi)關(guān)柜柜體在不同工作狀態(tài)下的等效應(yīng)力分布情況以判斷柜體是否存在變形的狀況。此外，還要對(duì)開(kāi)關(guān)柜在移動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種震動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，計(jì)算出較常見(jiàn)的幾種應(yīng)用場(chǎng)景的震動(dòng)頻率，提高其抗震性能。

本文運(yùn)用有限元分析法，對(duì)前期設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)柜全面地分析了開(kāi)關(guān)柜的強(qiáng)度等性能指標(biāo)，這樣才能同時(shí)兼顧開(kāi)關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)的可靠性和材料是否不足或冗余的經(jīng)濟(jì)性。

首先是對(duì)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜的柜體進(jìn)行有限元建模，把開(kāi)關(guān)柜的柜體模型離散化為有限元的計(jì)算模型，進(jìn)行有限元分析。所以，對(duì)力學(xué)特性不一樣的開(kāi)關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)，要選擇與之相匹配的有限元單位，再用多次的仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算出開(kāi)關(guān)柜較為真實(shí)的力學(xué)特性。在多次的仿真與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)柜柜體的有限元分析模型。例如：某些連接件的復(fù)雜圓弧可以適當(dāng)?shù)刈優(yōu)楹?jiǎn)單的直線，忽略對(duì)柜體影響微小的因素?？傊?，在滿足分析的精度前提下盡可能地對(duì)開(kāi)關(guān)柜柜體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

其次模型導(dǎo)入。在CATIA 軟件中進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜柜體的幾何實(shí)體建模，然后保存為IGES 格式文件，啟動(dòng)ANSYS Workbench，從菜單File_import_IGES 選擇文件將開(kāi)關(guān)柜柜體的幾何建模導(dǎo)入有限元軟件ANSYS 中，再計(jì)算工況和邊界條件，根據(jù)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜柜體后部上端斷路器、采集器以及柜門，質(zhì)量單元mass21通過(guò)剛性單元連接到開(kāi)關(guān)柜相應(yīng)承載部位，采用線彈性方法進(jìn)行分析計(jì)算，得出其抗震性能。

在響應(yīng)曲面優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)旁路便攜開(kāi)關(guān)柜柜體的板厚參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，基于DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)選取合適的開(kāi)關(guān)柜工作狀態(tài)進(jìn)行分析。低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜柜體主要材質(zhì)為鋁合金折彎件，即把厚度為3mm 或4mm 的鋁合金板用鉚釘連接起來(lái)。選擇開(kāi)關(guān)柜柜體鋁合金板厚度作為優(yōu)化量。這是對(duì)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

對(duì)開(kāi)關(guān)柜的接頭設(shè)計(jì)上，對(duì)于不同的類型需要具體分析、計(jì)算、論證和實(shí)驗(yàn)，確保其電氣性能滿足開(kāi)關(guān)柜的需要。首先，根據(jù)開(kāi)關(guān)柜的類型不同，需要具體分析開(kāi)關(guān)柜的接頭，對(duì)柜體進(jìn)行碰撞試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)以及IP 等級(jí)防護(hù)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)的電氣性能測(cè)試和設(shè)備安全性判斷。其次低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜在實(shí)際存放過(guò)程中，大多數(shù)是暴露在戶外無(wú)保護(hù)的環(huán)境中，這使得終端和接頭部位的電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變。此外，由于旁路低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜需要經(jīng)常使用，接頭與終端的多次快速連接會(huì)使接頭因磨損而產(chǎn)生形狀跟尺寸的變化。因此，根據(jù)開(kāi)關(guān)柜的實(shí)際需要，選擇合適的電纜連接頭也是開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

1.2 開(kāi)關(guān)柜的集成化通訊與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

針對(duì)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜使用情況以及設(shè)備數(shù)據(jù)采集功能，對(duì)開(kāi)關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在功能、監(jiān)測(cè)點(diǎn)范圍、采集內(nèi)容、安全性、實(shí)時(shí)性等提出了更高的要求。低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了分層設(shè)計(jì)、多信道接入、集群技術(shù)。研究以前置通信服務(wù)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)旁路開(kāi)關(guān)柜電現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的采集功能，為現(xiàn)場(chǎng)旁路開(kāi)關(guān)柜電氣情況、全生命周期等管理功能提供數(shù)據(jù)支持。具體如下：

研究可用于低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由時(shí)分割乘法器電路和高性能處理器來(lái)分別測(cè)量供電線路的精確功率和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)具有高精度和高速率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，能夠快速精確地采集瞬時(shí)電壓、電流量、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率、電壓電流的相位、相位差，在線時(shí)間，總能量等重要數(shù)據(jù)。

首先設(shè)計(jì)時(shí)分割乘法器電路，包括壓控占空比電路、正負(fù)開(kāi)關(guān)電路、濾波電路以及運(yùn)算分析，設(shè)計(jì)高精度AD 轉(zhuǎn)換電路以及相位差測(cè)量電路，最后設(shè)計(jì)處理器及其外圍電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以使用小型嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（LwIP），通過(guò)用戶人機(jī)接口界面（GUI）實(shí)現(xiàn)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜的人機(jī)交互。

研究低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜集成化通訊，提供各個(gè)低壓移動(dòng)便攜式旁路開(kāi)關(guān)柜電力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類高層應(yīng)用提供透明的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控服務(wù)。低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜里數(shù)據(jù)采集采用無(wú)線專網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境無(wú)法確定以及信號(hào)覆蓋弱等特點(diǎn)，傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化已經(jīng)成為主要數(shù)據(jù)傳輸主要問(wèn)題。因此，要通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)來(lái)保證傳輸質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)也要兼顧網(wǎng)絡(luò)故障問(wèn)題處理的優(yōu)化。

1.3開(kāi)關(guān)柜的數(shù)字化信息管理系統(tǒng)

低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜數(shù)字化信息集成管理系統(tǒng)通過(guò)在低壓便攜移動(dòng)式低壓旁路開(kāi)關(guān)柜中安裝的數(shù)據(jù)采集單元，完成對(duì)電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、柜內(nèi)溫度、在線時(shí)間、總電能等數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)便攜移動(dòng)低壓旁路開(kāi)關(guān)柜全天候監(jiān)測(cè)以及精益安全管理。便攜移動(dòng)低壓旁路開(kāi)關(guān)柜數(shù)字化信息管理系統(tǒng)基本功能包括：

采集層：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)層主要接受和解析便攜移動(dòng)式低壓旁路開(kāi)關(guān)柜內(nèi)智能數(shù)據(jù)采集裝置上傳的數(shù)據(jù)，主要包括電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、柜內(nèi)溫度、在線時(shí)間、總電能等。

分析層：分析層為該系統(tǒng)的核心，該層主要作用為分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析層與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。表示層：表示層的主要作用為向用戶提供可視化界面，方便用戶操作。該層要分為以下模塊：

（1）可視化監(jiān)測(cè)模塊：以統(tǒng)計(jì)、圖表等形式直觀的向用戶呈現(xiàn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)下的是試運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜的數(shù)字化監(jiān)測(cè)。（2）故障預(yù)警模塊：以圖形化的方式來(lái)為用戶提供預(yù)警內(nèi)容報(bào)告，提醒用戶設(shè)備是否出現(xiàn)故障。（3）設(shè)備管理模塊：通過(guò)設(shè)備管理模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備在線狀態(tài)、使用次數(shù)、工作位置、以及設(shè)備全生命周期等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、管理，用戶可第一時(shí)間了解設(shè)備使用情況，側(cè)面可反映使用設(shè)備工作次數(shù)以及工作時(shí)間，對(duì)帶電作業(yè)工作結(jié)算起到輔助作用。

通過(guò)對(duì)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜電氣性能、結(jié)構(gòu)、以及柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)妊芯抗ぷ鳌Ｑ兄频牡蛪罕銛y移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜樣機(jī)具備靈活移動(dòng)、接入快捷、電氣性能優(yōu)良、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等性能。

2 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜電氣性能、結(jié)構(gòu)、以及柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)妊芯抗ぷ?，完成了低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)研制工作。通過(guò)低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜電氣性能、結(jié)構(gòu)、以及柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)妊芯抗ぷ?，研制低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜樣機(jī)，使得低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜樣機(jī)具備滿足以下條件：靈活移動(dòng)、接入快捷、電氣性能優(yōu)良、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等性能。

低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜實(shí)用化要求高，對(duì)于設(shè)備電氣安全性等要求嚴(yán)格，需要廣泛收集國(guó)內(nèi)外帶電作業(yè)、電源旁路等相關(guān)資料，并結(jié)合典型的場(chǎng)景特點(diǎn)對(duì)相關(guān)應(yīng)用技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)估。在設(shè)備研發(fā)階段、需要充分考慮設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素，以滿足實(shí)用化要求。由于便攜移動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)柜便攜、靈活等特性，需要做到再長(zhǎng)期運(yùn)輸以及移動(dòng)過(guò)程中，不影響設(shè)備的電氣性能。同時(shí)還需要考慮到低壓便攜移動(dòng)式旁路開(kāi)關(guān)柜全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)旁路開(kāi)關(guān)柜實(shí)用化監(jiān)測(cè)。