基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能環(huán)網(wǎng)柜設(shè)計(jì)及應(yīng)用

呂東飛，王 帥，張 永，宋燕山，牛丙震

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255000）

0 引言

環(huán)網(wǎng)柜因其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、進(jìn)出線靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市配電網(wǎng)，其設(shè)備健康狀態(tài)直接影響到用戶供電可靠性［1-2］。環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部空間狹小，大負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，受環(huán)境溫度和接頭發(fā)熱的影響，設(shè)備溫度易升高。此外，對(duì)于北方工業(yè)城市，還存在粉塵污染，環(huán)網(wǎng)柜受環(huán)境污穢影響，可能導(dǎo)致絕緣水平下降，發(fā)生局部放電擊穿等小故障，若不及時(shí)處理極易導(dǎo)致故障擴(kuò)大引發(fā)安全事故［3］。傳統(tǒng)的電力設(shè)備人工定期巡檢模式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且難以及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障隱患，已無(wú)法滿足數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)的環(huán)網(wǎng)柜精益運(yùn)維的需要。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)感知層的延伸［4］，基于狀態(tài)感知和執(zhí)行控制端設(shè)備，通過(guò)邊緣計(jì)算就地評(píng)估設(shè)備狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜故障點(diǎn)快速精準(zhǔn)的鎖定，并與站內(nèi)保護(hù)裝置相配合，實(shí)現(xiàn)就地故障自愈，滿足供電安全和高供電可靠性的需要；同時(shí)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)綜合處理，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜健康狀態(tài)的動(dòng)態(tài)評(píng)估，達(dá)到提前預(yù)警的效果。

近年來(lái)，某供電公司作為配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)試點(diǎn)和示范應(yīng)用單位，積極探索基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能環(huán)網(wǎng)柜、基于邊緣計(jì)算［5］的智能終端等中壓配電物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的效果，有效說(shuō)明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜的可行性和有效性。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用需求

某典型重工業(yè)地區(qū)，轄區(qū)內(nèi)配電線路復(fù)雜，粉塵污染嚴(yán)重，電氣設(shè)備長(zhǎng)期受環(huán)境污穢影響，易造成內(nèi)部絕緣能力下降，存在擊穿放電的風(fēng)險(xiǎn)［6］。經(jīng)研究分析，現(xiàn)有配電線路及設(shè)備問(wèn)題有以下方面。

1）環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)加熱、排氣、除濕等輔助裝置長(zhǎng)期處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，由于缺乏統(tǒng)一的管控，一旦裝置損壞停運(yùn)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，易造成環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)失控，影響設(shè)備安全運(yùn)行，縮短設(shè)備的使用壽命，甚至直接引發(fā)故障。

2）線路發(fā)生短路故障后，通過(guò)出線開(kāi)關(guān)重合閘嘗試恢復(fù)供電，存在對(duì)故障點(diǎn)重復(fù)沖擊的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)故障點(diǎn)起火，導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

3）定期由人工進(jìn)行的環(huán)網(wǎng)柜局部放電帶電檢測(cè)，受人員技術(shù)水平差異、放電信號(hào)不穩(wěn)定、檢測(cè)周期間隔長(zhǎng)等因素的影響，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，一旦情況惡化將直接引發(fā)故障。

4）電纜線路大量應(yīng)用集中式饋線自動(dòng)化模式，自愈過(guò)程依賴于穩(wěn)定的通信通道和二遙動(dòng)作型“看門(mén)狗”開(kāi)關(guān)可靠動(dòng)作，自愈時(shí)間一般為3～5 min，已逐漸無(wú)法滿足高可靠性區(qū)域的供電需求，亟須進(jìn)一步減少故障自愈時(shí)間。

為解決上述問(wèn)題，依托某配電線路，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將原有環(huán)網(wǎng)柜升級(jí)改造為智能環(huán)網(wǎng)柜，通過(guò)設(shè)備狀態(tài)在線感知、就地邊緣計(jì)算分析處理和云邊協(xié)同優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)在線評(píng)估、隱患提前預(yù)警和故障快速處置。

2 物聯(lián)網(wǎng)化環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能環(huán)網(wǎng)柜系統(tǒng)架構(gòu)自下而上分為4 層，分別為終端感知層（端）、邊緣計(jì)算層（邊）、網(wǎng)絡(luò)傳輸層（管）和平臺(tái)應(yīng)用層（云），如圖1所示。

圖1 整體架構(gòu)示意

2.1 終端感知層

終端感知層主要包括二次終端和傳感器，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境量的監(jiān)測(cè)和控制。環(huán)網(wǎng)柜一次設(shè)備、二次設(shè)備采用一體化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)考慮整套設(shè)備一、二次設(shè)備間的接口匹配性，可增強(qiáng)二次終端設(shè)備的兼容性、擴(kuò)展性、互換性，降低現(xiàn)場(chǎng)安裝施工及調(diào)試維護(hù)強(qiáng)度，并可有效避免因一、二側(cè)壽命不匹配所導(dǎo)致的設(shè)備利用率低及資源浪費(fèi)問(wèn)題。

環(huán)網(wǎng)柜中所有的終端感知單元均采用標(biāo)準(zhǔn)化接口和模塊化設(shè)計(jì)，便于安裝和后期更換維護(hù)，滿足一體化、小型化、模塊化、就地互換化的需求。從功能應(yīng)用角度，環(huán)網(wǎng)柜集成多種智能傳感器，如圖2 所示，具備環(huán)網(wǎng)箱外部溫度監(jiān)測(cè)、煙感監(jiān)測(cè)、浸水監(jiān)測(cè)，環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)，各間隔電纜頭溫度、煙霧、濕度、水位、局部放電監(jiān)測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備狀態(tài)的全面感知，滿足設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估、故障快速處置的需要，為環(huán)網(wǎng)柜故障分析預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 終端硬件配置示意

2.2 邊緣計(jì)算層

邊緣計(jì)算層是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜就地處理的核心，由物聯(lián)管理單元實(shí)現(xiàn)，包括物聯(lián)硬件層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層3部分，如圖3所示。

圖3 邊緣計(jì)算架構(gòu)圖

物聯(lián)管理單元的應(yīng)用層微應(yīng)用APP 可根據(jù)需求定制開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算功能，并與平臺(tái)應(yīng)用層交互數(shù)據(jù)處理結(jié)果，避免大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，以獲得更快的響應(yīng)速度，大幅提升處理效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可控在控。例如，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)配置環(huán)境調(diào)節(jié)APP，在數(shù)據(jù)超限時(shí)通過(guò)本地邊緣計(jì)算層啟動(dòng)相應(yīng)的加熱、除濕、排氣等裝置，并向云主站發(fā)送研判及指令執(zhí)行情況，數(shù)據(jù)超限期間持續(xù)向主站推送相應(yīng)環(huán)境量值，直至異常值降至正常范圍內(nèi)。云主站同時(shí)向供電服務(wù)指揮系統(tǒng)推送預(yù)警信息及相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，派發(fā)主動(dòng)運(yùn)檢任務(wù)單，運(yùn)維人員根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可分析出哪個(gè)間隔出現(xiàn)密封不良、絕緣能力下降等問(wèn)題，從而開(kāi)展針對(duì)性的消缺工作。消缺成效以環(huán)網(wǎng)箱間隔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化為評(píng)價(jià)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)根本性的閉環(huán)管控。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

在網(wǎng)絡(luò)傳輸層方面，集成專網(wǎng)/公網(wǎng)通信設(shè)備，云-邊應(yīng)用MQTT 協(xié)議［7］、邊-端應(yīng)用CoAP 協(xié)議［8］，滿足本地和遠(yuǎn)程通信需求，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸層示意

本地通信組網(wǎng)方面，為了滿足終端感知延伸層和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)間暢通、高效、低消耗的通信，環(huán)網(wǎng)柜局放、機(jī)械特性、濕機(jī)等采用RS485 通信交互，電纜頭測(cè)溫采用就地微功率無(wú)線；各單元式數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）采用以太網(wǎng)接入交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)本地快速數(shù)據(jù)交換，并經(jīng)光設(shè)備與相鄰環(huán)網(wǎng)柜單元式DTU 進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換。遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)方面，配電設(shè)備物聯(lián)管理單元串聯(lián)以太網(wǎng)加密盒子，按中壓配電全數(shù)據(jù)加密要求處理后，接入以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）通信設(shè)備系統(tǒng)，通過(guò)光纖網(wǎng)接入配電自動(dòng)化系統(tǒng)；配電設(shè)備物聯(lián)管理單元采用4G LTE［9］，按照國(guó)家電網(wǎng)有限公司網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系進(jìn)行加密后，接入省公司主站。

2.4 平臺(tái)應(yīng)用層

在平臺(tái)應(yīng)用層方面，基于云架構(gòu)［10］，集成IoT 平臺(tái)，滿足微服務(wù)微應(yīng)用需求。通過(guò)算力支撐、數(shù)據(jù)加工完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析管理工作，并綜合利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性分析評(píng)估，電纜頭測(cè)溫與健康評(píng)估，局放監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估，饋線同期線損監(jiān)測(cè)與異常預(yù)警，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供可靠性決策，如圖5所示。

圖5 環(huán)網(wǎng)柜狀態(tài)評(píng)估示意

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)化環(huán)網(wǎng)柜發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)提供故障前狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史故障、缺陷、隱患等信息，拓?fù)鋱D分析的故障范圍，為故障快速定位提供支撐。故障搶修時(shí)，通過(guò)移動(dòng)終端掃描，結(jié)合電網(wǎng)資產(chǎn)中心、資源中心獲取設(shè)備基礎(chǔ)情況，并上傳搶修進(jìn)度至系統(tǒng)。搶修結(jié)束后，搶修人員上傳檢修結(jié)果，各高級(jí)分析應(yīng)用根據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，獲取數(shù)據(jù)，開(kāi)展后續(xù)高級(jí)分析。

3 基于邊緣計(jì)算的分布式饋線自動(dòng)化

為滿足配電網(wǎng)高供電可靠性要求，基于物聯(lián)網(wǎng)化環(huán)網(wǎng)柜，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算就地處理，設(shè)計(jì)分布式饋線自動(dòng)化故障處理模式，選擇相鄰智能終端之間，通過(guò)光纖以太網(wǎng)交換、處理線路區(qū)段兩側(cè)的故障電流的相位信息，識(shí)別故障區(qū)段，應(yīng)用光纖差動(dòng)保護(hù)原理［11］，直接跳開(kāi)故障區(qū)段兩側(cè)斷路器切除故障，使非故障區(qū)段用戶的供電不受影響，實(shí)現(xiàn)故障快速自愈。忽略故障電流傳播時(shí)間，可認(rèn)為故障回路上所有終端同時(shí)檢測(cè)到故障電流，以終端檢測(cè)到故障電流的起始時(shí)刻作為時(shí)間參考點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)分布式終端的同步相量測(cè)量。

3.1 就地分布式故障處理邏輯

如圖6 所示，物聯(lián)網(wǎng)化環(huán)網(wǎng)柜邊緣計(jì)算終端通過(guò)智能感知狀態(tài)傳感器，實(shí)時(shí)采集線路電流數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生線路故障，能及時(shí)采集故障信息，將故障信號(hào)上傳并啟動(dòng)分布式邏輯功能，邊緣計(jì)算終端進(jìn)行故障定位，并啟動(dòng)光纖差動(dòng)分布式策略［12］隔離故障，若隔離失敗則啟動(dòng)站內(nèi)保護(hù)跳閘。故障點(diǎn)相鄰的邊緣計(jì)算終端向主站推送故障研判結(jié)果、動(dòng)作執(zhí)行結(jié)果和故障錄波波形，主站將故障區(qū)間和自愈全過(guò)程信息展示給調(diào)度員和配網(wǎng)搶修人員。

圖6 基于邊緣計(jì)算的分布式饋線自動(dòng)化故障處理邏輯

3.2 就地分布式故障處理示例

以圖7所示線路為例，其典型的故障處理過(guò)程如下。

圖7 線路接線示意

1）F1位置發(fā)生開(kāi)關(guān)站間線路故障時(shí)，CB1跳閘，開(kāi)關(guān)1-1 失壓分閘閉鎖，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)備自投功能，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)3-1自動(dòng)合上，快速恢復(fù)非故障區(qū)域供電。

2）F2 位置發(fā)生開(kāi)關(guān)站間線路故障時(shí)，則CB1 保護(hù)告警，啟動(dòng)光纖縱差保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)1-2 和2-1 同時(shí)跳閘，系統(tǒng)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)備自投功能，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)3-1 自動(dòng)合閘，快速恢復(fù)非故障區(qū)域供電。

3）F3 位置發(fā)生開(kāi)關(guān)站母線故障時(shí)，則CB1 保護(hù)告警，母差保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)2-1和2-2同時(shí)跳閘，系統(tǒng)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)備自投功能，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)3-1 自動(dòng)合上，快速恢復(fù)非故障區(qū)域供電。

4）F4 位置發(fā)生分支用戶故障時(shí)，則開(kāi)關(guān)2-3 過(guò)流/速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘，直接分閘就地切除故障。若發(fā)生拒動(dòng)同3）處理。

4 應(yīng)用情況

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的智能環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，形成在線監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用平臺(tái)如圖8 所示，應(yīng)用效果如下。

圖8 平臺(tái)應(yīng)用示意

1）實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性分析評(píng)估，配電設(shè)備物聯(lián)管理單元預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作特性模型，并通信采集各間隔機(jī)構(gòu)整組動(dòng)作特性數(shù)據(jù)，就地多間隔、多維度、多數(shù)據(jù)對(duì)比分析，評(píng)價(jià)環(huán)網(wǎng)柜動(dòng)作遲滯偏差值、歷史偏差曲線、超限告警，主動(dòng)或突變上送。通過(guò)邊云協(xié)同服務(wù)獲得整條饋線光差保護(hù)間隔動(dòng)作特性數(shù)據(jù)，自舉自身特性指標(biāo)與饋線上其他環(huán)網(wǎng)柜的動(dòng)作偏差曲線、超限告警。

2）實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜電纜頭測(cè)溫與健康評(píng)估，配電設(shè)備物聯(lián)管理單元預(yù)置電纜頭電流-溫差比標(biāo)準(zhǔn)模型，并通信采集電纜頭實(shí)時(shí)溫度、負(fù)荷電流，參比環(huán)境溫度，就地多間隔、多維度、多數(shù)據(jù)分析，設(shè)置偏離告警范圍，定時(shí)或突變上報(bào)評(píng)價(jià)結(jié)果。

3）實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜局放監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估，配電設(shè)備物聯(lián)管理單元通信采集各間隔局放傳感器數(shù)據(jù)，本地存儲(chǔ)各間隔數(shù)據(jù)，就地分析間隔自身局放發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)比其他間隔局部放電發(fā)展趨勢(shì)，形成統(tǒng)計(jì)對(duì)比數(shù)據(jù)、個(gè)體突發(fā)越限記錄，定時(shí)或突變上送（含數(shù)據(jù)、事件）。

4）實(shí)現(xiàn)線路及環(huán)網(wǎng)柜故障就地快速自愈，應(yīng)用物聯(lián)管理單元邊緣計(jì)算技術(shù)，基于光纖差動(dòng)保護(hù)原理，提出分布式饋線自動(dòng)化處理策略，實(shí)現(xiàn)故障就地快速自愈。

5）實(shí)現(xiàn)對(duì)饋線同期線損監(jiān)測(cè)與異常預(yù)警，基于各環(huán)網(wǎng)柜同步對(duì)時(shí)，分析電能凍結(jié)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)電氣量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析饋線各段線損情況，線損異常主動(dòng)告警。

經(jīng)過(guò)試點(diǎn)應(yīng)用，基于多維的數(shù)據(jù)采集與快速處理，在故障發(fā)生前，可對(duì)箱內(nèi)設(shè)備、電纜終端的絕緣水平等進(jìn)行全面評(píng)估，缺陷發(fā)現(xiàn)及時(shí)率可達(dá)到99%以上，形成完全閉環(huán)、評(píng)價(jià)直觀的消缺消隱閉環(huán)管理體系，由被動(dòng)搶修轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)調(diào)節(jié)、主動(dòng)運(yùn)維。故障發(fā)生前狀態(tài)可追溯并可全面分析；故障發(fā)生后，短路與接地故障自動(dòng)隔離成功率大于95%，潛伏性故障檢測(cè)成功率大于95%，故障測(cè)距誤差小于30 m。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著城區(qū)配電化建設(shè)和電纜化率的提升，環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用規(guī)模正快速增長(zhǎng)?，F(xiàn)有環(huán)網(wǎng)柜人工定期巡視和帶電檢測(cè)方式，已無(wú)法滿足配電網(wǎng)精益化運(yùn)維的需要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起為環(huán)網(wǎng)柜的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和運(yùn)維等提供了新的思路，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能環(huán)網(wǎng)柜系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性分析評(píng)估、環(huán)網(wǎng)柜電纜頭測(cè)溫與健康評(píng)估、環(huán)網(wǎng)柜局部放電監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估、故障就地快速處置、饋線同期線損監(jiān)測(cè)與異常預(yù)警等功能，提高了環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)維效率和供電可靠性，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)資源配置優(yōu)化與效率效益的提升。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能環(huán)網(wǎng)柜具有廣闊的應(yīng)用前景，提出的設(shè)計(jì)方案和工程應(yīng)用情況具有借鑒意義。