基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化中置柜的設(shè)計

張靜　李題印　胡翔

摘 要：為了滿足智能電網(wǎng)對中置柜發(fā)展提出的要求，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用于智能化變電站的新型智能化中置柜。首先對斷路器手車、接地開關(guān)進行機械結(jié)構(gòu)的改造，實現(xiàn)全電動操作；其次通過應(yīng)用現(xiàn)代控制理論、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)等先進科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)對中置柜運行電氣參數(shù)及運行環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，并通過物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)將各獨立運行的中置柜組網(wǎng)，實現(xiàn)中置柜運行狀態(tài)的集中遠程監(jiān)測與控制；最后開發(fā)了數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)和基于“五防”聯(lián)鎖的便攜式控制與數(shù)據(jù)采集終端，實現(xiàn)了中置柜的遠程集中監(jiān)測和現(xiàn)場控制運行、數(shù)據(jù)采集。該智能化設(shè)計可實現(xiàn)中置柜的在線監(jiān)測，有效提高中置柜運行安全性和工作效率，對實現(xiàn)中置柜的智能化具有一定的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：中置柜；物聯(lián)網(wǎng)；智能；在線監(jiān)測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.104

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，智能電網(wǎng)的發(fā)展在技術(shù)上對中置柜提出了新的要求，如減少故障停電次數(shù)和時間、縮小停電范圍；減少、縮短設(shè)備檢修停電時間；系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備共享系統(tǒng)信息資源等。傳統(tǒng)的開關(guān)[1-2]設(shè)備越來越不能滿足這些要求。輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3-4]可實現(xiàn)輸變電設(shè)備的在線監(jiān)測、故障診斷和狀態(tài)評估等功能。因此，綜合利用輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究制造具有狀態(tài)檢測、故障診斷處理等智能化功能的中置柜是必要的。

現(xiàn)有的開關(guān)設(shè)備[5]智能化應(yīng)用方案主要考慮斷路器的機械特性和提高設(shè)備的安全性等方面，如通過監(jiān)測設(shè)備運行時的各種電氣量參數(shù)、運行環(huán)境參數(shù)等，提高設(shè)備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷能力，減少設(shè)備檢修，提高供電的可靠性等。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中置柜智能化改造方案

參照《高壓設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則》，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能中置柜改造方案，改造方案涉及3個部分，即：智能綜合狀態(tài)監(jiān)測裝置、中置柜數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中置柜智能化改造基于四級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對中置柜的智能化管理。首先研發(fā)智能綜合狀態(tài)監(jiān)測裝置，安裝于中置柜本體，采用無人值守的方式，通過控制單元、監(jiān)測單元和識別單元、保護單元實現(xiàn)對中置柜運行狀態(tài)監(jiān)測、診斷、控制與保護，并對中置柜的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行存貯和通過RS485總線上傳；其次研發(fā)便攜式數(shù)據(jù)采集終端，巡檢人員通過掃描二維碼（粘貼到每臺中置柜的唯一二維識別碼）建立與綜合狀態(tài)監(jiān)測裝置通訊，完成對中置柜內(nèi)部電動手車、接地開關(guān)等裝置的非接觸式控制和運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集及簡單分析功能，實現(xiàn)了中置柜的不定期巡檢；某一局部區(qū)域內(nèi)所有的中置柜智能綜合狀態(tài)監(jiān)測裝置將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到近端主站的數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)，數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)通過對上傳的數(shù)據(jù)進行分析和處理，提供故障預(yù)警和故障預(yù)測功能，實現(xiàn)了中置柜的定期巡檢。

2 中置柜本體智能化改造設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化中置柜本體改造包括電動控制裝置、智能測控裝置、模擬顯示裝置和保護裝置四個部分，該四個部分屬于模塊化設(shè)計，只需保留預(yù)留接口即可以實現(xiàn)多模塊化設(shè)計。四個模塊通過物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)與綜合狀態(tài)監(jiān)測裝置實現(xiàn)四級監(jiān)測與管理網(wǎng)絡(luò)。

2.1 電動控制裝置改造

2.1.1 電動底盤車電動操作機構(gòu)設(shè)計

斷路器電動底盤車三維設(shè)計簡圖如圖1所示。1為直流電動機，2為二級變速機構(gòu)，3為鏈傳動機構(gòu)，4為普通直齒傳動齒輪，5為絲杠螺母，6為有凹槽的滾珠絲杠，7為手車固定端，8為內(nèi)圈有凸緣的直齒齒輪，9為擋板。具體實現(xiàn)電動操作的方式為：直流電機1通過變速機構(gòu)2獲得較大的扭矩，驅(qū)動鏈輪，鏈傳動帶動齒輪4與鏈輪做同步轉(zhuǎn)動。直齒齒輪內(nèi)圈的凸緣與絲杠的凹槽相嚙合，使齒輪8與絲杠做同步轉(zhuǎn)動。由于絲杠末端與手車固定端連接，轉(zhuǎn)動的絲杠使固定在手車上的絲杠螺母5做直線運動。在擋板（擋板9固定在小車底板上）的作用下，凸緣齒輪8同時通過凸緣在絲杠上直線滑動。絲杠螺母4帶動斷路器手車推進和后退，實現(xiàn)斷路器手車的電動操作。圖2為改進后斷路器底盤車增加的電動傳動機構(gòu)實物圖，該部分實現(xiàn)了斷路器手車的電動操作。

2.1.2 接地開關(guān)機構(gòu)電動操作的智能化改造

圖3為接地開關(guān)操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖。1為主軸驅(qū)動件，2為驅(qū)動齒輪，3為無油軸承，4為接地開關(guān)主軸，5為電機軸。電機通過二級齒輪傳動帶動驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動齒輪依靠無油軸承和軸套支撐在接地開關(guān)操作主軸上。驅(qū)動齒輪的相對轉(zhuǎn)動與接地開關(guān)操作主軸的相對運動無直接的傳動關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動齒輪運行一定角度時，驅(qū)動齒輪的上凸緣部位與主軸驅(qū)動部件接觸而使驅(qū)動件轉(zhuǎn)動，驅(qū)動件帶動接地開關(guān)操作主軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度時，接地開關(guān)開始動作。此時，接地開關(guān)轉(zhuǎn)動角速度較驅(qū)動齒輪快，驅(qū)動齒輪與操作主軸存在一定的相對轉(zhuǎn)動，由于為驅(qū)動齒輪凸臺留有足夠的空間而使操作主軸與驅(qū)動齒輪相對轉(zhuǎn)動。當(dāng)接收到接地開關(guān)信號時，驅(qū)動齒輪歸位，使得手動操作時不影響主軸驅(qū)動部件與驅(qū)動齒輪的運動不發(fā)生相互影響。

2.2 智能測控裝置

智能測控裝置實時采集傳感器、開關(guān)接觸點等信號，直接或經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到所測點的開關(guān)狀態(tài)量，為中置柜故障診斷和預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本智能測控裝置可以對斷路器、接地開關(guān)、斷路器手車進行位置狀態(tài)和電氣控制回路狀態(tài)進行監(jiān)測。智能測控裝置具有以下功能：

（1）具有對泄露電流傳感器信號、溫濕度傳感器信號、交流電壓電流傳感器信號、局部放電高頻信號、彈簧儲能時間信號、斷路器分合閘線圈電流等信號的采集，分別實現(xiàn)對柜內(nèi)避雷器的動作次數(shù)及泄露電流的監(jiān)測，TA/TV斷線故障監(jiān)測、柜內(nèi)發(fā)熱點處的溫度監(jiān)測以及柜內(nèi)基本電氣量的監(jiān)測，中置柜母排、開關(guān)刀閘、線纜接頭處的局部放電高頻信號的監(jiān)測，開關(guān)柜斷路器基本的儲能電機、分合閘線圈電流的監(jiān)測，動作時間與動作次數(shù)記錄等。（2）具有“五防”聯(lián)鎖監(jiān)測功能；當(dāng)進行就地或遠方巡檢時，該裝置可以通過監(jiān)測開關(guān)接觸點的信息，得到所測點的開關(guān)量狀態(tài)，綜合各開關(guān)量狀態(tài)判斷中置柜所處狀態(tài)是否滿足“五防”聯(lián)鎖條件。（3）具有人體感應(yīng)功能；當(dāng)人體靠近時，LED彩色顯示屏自動點亮，操作完成后30秒后顯示屏關(guān)閉。這種動態(tài)的顯示方式可以是顯示屏的壽命增加到20年。

2.3 模擬顯示及保護裝置

將斷路器、接地開關(guān)、隔離開關(guān)、柜體等設(shè)備的本體信息以電子標簽的形式預(yù)埋在設(shè)備中，通過物聯(lián)網(wǎng)通訊RFID、WIFI等將設(shè)備信息傳遞給智能綜合狀態(tài)監(jiān)測裝置或手持終端，對開關(guān)量進行準確跟蹤、定位，了解開關(guān)量的動態(tài)信息，并用圖形界面動態(tài)模擬顯示一次回路的手車位置、斷路器分、合閘、接地開關(guān)和隔離開關(guān)等各種開關(guān)量的動作位置和電氣回路的組合狀態(tài)。保護裝置可以實現(xiàn)無方向或有方向的過電流和接地故障保護；零序電壓、過電壓和低電壓保護；低周減載保護；斷路器失靈保護；電流速斷及反時限過電流保護。

3 智能化中置柜數(shù)據(jù)采集終端

智能數(shù)據(jù)采集終端中，控制軟件強大的邏輯判斷能力可以很好地判斷中置柜“五防”聯(lián)鎖條件是否滿足，進而根據(jù)判斷結(jié)果實現(xiàn)中置柜遠方電動控制。智能測控裝置與智能數(shù)據(jù)采集終端結(jié)合可以實現(xiàn)智能化中置柜的“雙重”控制，現(xiàn)場操作運行時，既可以通過智能綜合狀態(tài)監(jiān)測裝置近距離控制，也可以通過智能化數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)中置柜遠程程序化操作。

4 結(jié)束語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對中置柜智能化問題進行了研究，提出基于中置柜本體、智能數(shù)據(jù)采集終端和近端主站、遠端主站的四級物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與管理平臺。智能綜合監(jiān)測裝置是智能化開關(guān)柜的“大腦”，實現(xiàn)了中置柜的集成監(jiān)測管理與控制；數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)現(xiàn)場的中置柜安全控制運行和常用參數(shù)數(shù)據(jù)采集，為中置柜的智能化提供了堅實的基礎(chǔ)；近、遠端主站中的數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)為實現(xiàn)遠程監(jiān)測和診斷提供了強有力的保障。伴隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展智能化中置柜會逐漸普及，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化中置柜將會實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用和推廣。

參 考 文 獻：

[1]段建東，葉兵，張青山等.基于翅片散熱和ZigBee的開關(guān)柜觸頭溫度測控系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備，2014，34（07）：157-162.

[2]童本羽，楊冠魯.中壓中置柜的智能化改造與研究[J].科技傳播，2013（06）：32-33.

本文系吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項資金項目（2016C074）和吉林市科技局科技發(fā)展規(guī)劃項目（20156406）成果之一。