基于邊緣計(jì)算的柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究

畢昊林 王加友 黃良棟 劉崢嶸

（1．煙臺(tái)東方威思頓電力設(shè)備有限公司，山東 煙臺(tái) 264003；2．煙臺(tái)東方威思頓電氣有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

柱上開關(guān)是架空線路配電自動(dòng)化的核心設(shè)備，安裝數(shù)量多、分布廣、運(yùn)行環(huán)境惡劣，其可靠性直接影響了電網(wǎng)安全。近年來(lái)，電網(wǎng)公司聯(lián)合設(shè)備廠商分階段開展了柱上開關(guān)一二次融合的研究設(shè)計(jì)工作，取得的關(guān)鍵技術(shù)成果包括使用電子式傳感器代替電磁式互感器，增加單相接地故障判別功能和支撐同期線損采集等。柱上開關(guān)已實(shí)現(xiàn)了集成化、小型化，但在智能化方面還不足，特別是設(shè)備狀態(tài)感知、自診斷等方面。

目前，一二次融合開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是基于電氣量和饋線自動(dòng)化終端本身的報(bào)警信息，通過評(píng)估算法進(jìn)行間接監(jiān)測(cè)。王東方等提出采用組合加權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重并結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)一二次融合柱上開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[1]。侯慧等分析了目前配電開關(guān)及其控制器的可靠性，提出迫切需要采用智能化的方法對(duì)開關(guān)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的快速建設(shè)，迫切需要運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算技術(shù)提升設(shè)備狀態(tài)的感知水平，為配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)造基礎(chǔ)[3-5]，實(shí)現(xiàn)柱上開關(guān)“一體化、小型化、通用化、智能化、經(jīng)濟(jì)性”，從定期檢修提升為狀態(tài)檢修的目標(biāo)，降低開關(guān)設(shè)備的維護(hù)成本。

該文在數(shù)字式一二次融合開關(guān)的基礎(chǔ)上，研究了利用邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)一二次融合開關(guān)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)總體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，為柱上開關(guān)的智能化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 總體架構(gòu)

柱上開關(guān)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過各類傳感器采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行邊緣計(jì)算就地處理。

選取與一次設(shè)備同壽命、低成本、高效能的傳感器，傳感器和匯集單元實(shí)現(xiàn)與一次設(shè)備本體的融合設(shè)計(jì)制造，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感信息與線路電氣量信息融合。全面掌握設(shè)備的健康狀況，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修。邊緣物聯(lián)代理匯集了各類傳感數(shù)據(jù)，通過邊緣計(jì)算分析各類業(yè)務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)柱上開關(guān)的動(dòng)態(tài)評(píng)估。這些業(yè)務(wù)模型將包括機(jī)械特性分析模型、發(fā)熱特性分析模型、絕緣特性分析模型、滅弧室電壽命分析模型以及綜合分析模型等。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 多源異構(gòu)傳感器選型

2.1.1 霍爾型電壓/電流傳感器

霍爾型電壓/電流傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)分合閘線圈波形、儲(chǔ)能電機(jī)波形和時(shí)間，安裝在斷路器操作機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的導(dǎo)軌上，分合閘回路和儲(chǔ)能電機(jī)回路的電流線分別穿過霍爾元件孔，通過通信電纜將實(shí)時(shí)采集的信號(hào)經(jīng)過抗混疊濾波、幅值調(diào)整后，接入傳感器匯集單元。

2.1.2 振動(dòng)傳感器

操作機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)通過壓電式加速度傳感器進(jìn)行采集，內(nèi)置微型IC集成電路放大器，將斷路器分/合時(shí)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

2.1.3 無(wú)線測(cè)溫傳感器

無(wú)線測(cè)溫傳感器使用螺栓固定并安裝在斷路器進(jìn)出線銅排上。無(wú)線測(cè)溫收發(fā)器接收無(wú)線溫度傳感器溫度信號(hào)，并通過RS-485接口轉(zhuǎn)發(fā)至傳感器匯集單元。

2.1.4 組合式電壓/電流傳感器

組合式電壓/電流傳感器采用高阻抗高溫度穩(wěn)定性分壓器核心技術(shù)，解決溫度穩(wěn)定性和抗干擾問題。同時(shí)滿足計(jì)量和保護(hù)的精度要求，無(wú)鐵磁諧振風(fēng)險(xiǎn)，二次側(cè)輸出安全的低壓信號(hào)，無(wú)開路或短路故障。

2.1.5 S F 6氣體壓力和溫度傳感器

SF6氣體壓力和溫度傳感器通過先進(jìn)的溫度補(bǔ)償算法，實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算SF6氣體的壓力、溫度和密度。具備RS-485接口，氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸至傳感器匯集單元。

2.2 傳感器匯集單元設(shè)計(jì)

為了避免各相關(guān)系統(tǒng)間互相切換的情況發(fā)生，對(duì)不同數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、接口和數(shù)據(jù)格式不一的監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行整合，解決一二次融合的柱上開關(guān)智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多源化和異構(gòu)化。將傳感器采集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成至該單元。

傳感器匯集單元包括轉(zhuǎn)換編碼模塊，該轉(zhuǎn)換編碼模塊主要由電流信號(hào)調(diào)理電路、測(cè)量電流信號(hào)調(diào)理電路、多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器、傳輸報(bào)文編碼器、曼徹斯特編碼器、隔離發(fā)送器、阻抗變換器以及電壓信號(hào)調(diào)理電路等部件構(gòu)成。

傳輸報(bào)文編碼器按照IEC60870-5-1規(guī)定的FT3幀格式標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通道，映射確定的順序，將來(lái)自多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)組成串行通信報(bào)文，按5 Mbit/s的速率傳送至隔離發(fā)送器。

傳感器匯集單元與邊緣物聯(lián)代理（FTU）之間的通信信息建模遵循IEC 61850第二版狀態(tài)監(jiān)測(cè)邏輯節(jié)點(diǎn)[6]。

2.3 邊緣物理代理設(shè)計(jì)

在滿足饋線自動(dòng)化終端標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)化、智能化、模塊化設(shè)計(jì)。采用符合國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)的加密設(shè)置，確保通信安全。

按照配電物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)框架，將其分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、軟件即服務(wù)、平臺(tái)即服務(wù)3層架構(gòu)，邊緣側(cè)管理和安全貫穿始終。通過軟件定義的方式，實(shí)現(xiàn)終端硬件和軟件功能的解耦。

從功耗和行業(yè)的特性考慮，邊緣計(jì)算硬件平臺(tái)采用ARM-based+AI多核計(jì)算架構(gòu)，對(duì)主頻規(guī)格結(jié)合業(yè)務(wù)需求進(jìn)行綜合平衡設(shè)計(jì)。

軟件平臺(tái)抽象為雙系統(tǒng)，即網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和開放平臺(tái)容器操作系統(tǒng)。雙系統(tǒng)間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)管理所有的網(wǎng)絡(luò)通信接口，容器操作系統(tǒng)接入存儲(chǔ)設(shè)備，并運(yùn)行第三方客戶應(yīng)用。

邊緣計(jì)算的核心是業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層，由多個(gè)獨(dú)立業(yè)務(wù)應(yīng)用App構(gòu)成，App采用統(tǒng)一規(guī)范的解耦設(shè)計(jì)，可任意組合部署。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字化傳輸

根據(jù)前期一二次融合的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，由于傳感器輸出的信號(hào)為模擬小信號(hào)，10 kV組合式電子傳感器額定狀態(tài)下的電壓輸出為3.25 V，電流為1 V，其余傳感器多數(shù)為4 mA～20 mA信號(hào)，在10 m以上的電纜上傳輸時(shí)，極易受到電纜分布電容、空間雜散電容等干擾。典型表現(xiàn)為電纜長(zhǎng)度變化、溫度變化、抱箍松緊程度均會(huì)影響信號(hào)的準(zhǔn)確度。

傳感器匯集單元與傳感器就近安裝，在信號(hào)輸入端進(jìn)行阻抗緩沖處理，相當(dāng)于負(fù)載阻抗無(wú)窮大，將傳感器輸出的模擬小信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在長(zhǎng)線傳輸過程中不引入附加誤差。采用帶電插拔的設(shè)計(jì)，可通過絕緣操作桿方便進(jìn)行帶電更換，便于設(shè)備的運(yùn)維管理。

3.2 智能分析模型

根據(jù)柱上開關(guān)狀態(tài)研判需求，選擇5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化智能分析模型，由邊緣物聯(lián)代理裝置以微應(yīng)用方式搭載，對(duì)柱上開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估和主動(dòng)預(yù)警。

3.2.1 機(jī)械特性模型

機(jī)械特性模型用于柱上開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)的故障預(yù)判，采用霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)合/分閘線圈和儲(chǔ)能電機(jī)電流，振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵位置的振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)與正常模式下的電流、振動(dòng)信號(hào)波形進(jìn)行比較，判斷柱上開關(guān)的機(jī)械部件是否出現(xiàn)異常情況。與控制/保護(hù)系統(tǒng)完全隔離，即便是在故障情況下也不會(huì)對(duì)開關(guān)的正常運(yùn)行操作產(chǎn)生任何影響。

3.2.2 發(fā)熱特性模型

基于負(fù)載變化的發(fā)熱特性模型用于分析柱上開關(guān)及隔離開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，采用無(wú)線傳輸模式的溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)核心部位的運(yùn)行狀態(tài)，例如環(huán)境溫度以及斷路器進(jìn)出線觸臂、隔離開關(guān)的關(guān)合位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基于負(fù)載的溫升動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而綜合判斷一次側(cè)的連接是否可靠，有效避免發(fā)生故障和出現(xiàn)測(cè)溫報(bào)警盲區(qū)。

3.2.3 絕緣特性模型

絕緣特性模型用于分析柱上開關(guān)的絕緣狀態(tài)，采用溫度和壓力傳感器，通過先進(jìn)的溫度補(bǔ)償算法，實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算SF6絕緣氣體的壓力、溫度、密度情況，進(jìn)而及時(shí)反饋，做好主動(dòng)預(yù)警。

3.2.4 滅弧室電壽命模型

在真空斷路器使用數(shù)量迅速增長(zhǎng)的同時(shí)， 由于其維護(hù)量小、檢修周期長(zhǎng)等特點(diǎn)， 工作人員容易忽略真空斷路器的電壽命問題，而影響真空斷路器電壽命的主要因素是觸頭的電磨損，其取決于開斷時(shí)的燃弧能量，燃弧能量的大小由燃弧電流和時(shí)間決定。滅弧室電壽命模型用于分析真空滅弧室的壽命預(yù)估，主要采用等效方法，通過測(cè)量開斷電流與時(shí)間，采用特定的算法計(jì)算開斷電流加權(quán)值和電流時(shí)間累計(jì)值，進(jìn)而推算出滅弧室的電器壽命。

3.2.5 綜合評(píng)估模型

綜合評(píng)估模型用于分析一二次融合的柱上開關(guān)的整體運(yùn)行狀態(tài)。該模型包括相電流、相電壓、零序電流、零序電壓等基本數(shù)據(jù)的采集分析，結(jié)合機(jī)械特性模型、發(fā)熱特性模型、絕緣特性模型（適用于SF6絕緣）、滅弧室電壽命模型數(shù)據(jù)，綜合實(shí)現(xiàn)柱上開關(guān)的狀態(tài)自感知、自診斷等綜合研判功能。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化、智能化是智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。依靠傳感器、邊緣計(jì)算，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修已逐步成為電力設(shè)備運(yùn)維管理的核心理念。

采用邊緣計(jì)算智能終端及時(shí)進(jìn)行在線診斷，發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和故障，進(jìn)行故障預(yù)警，可以進(jìn)一步提高配電設(shè)備的運(yùn)行可靠性，縮短維修時(shí)間，減少人力物力的投入，是一二次融合的柱上開關(guān)智能化的重要方向。