基于物聯(lián)網(wǎng)的10kV真空斷路器分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

安曉華

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)10kV真空斷路器分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。感知層通過(guò)多個(gè)傳感器及分布式采集終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集斷路器的動(dòng)觸頭行程曲線(xiàn)、主回路電流、分合閘線(xiàn)圈電流、觸頭溫度和輔助接點(diǎn)信息。網(wǎng)絡(luò)層綜合運(yùn)用高效的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)進(jìn)行信息傳遞和交互。應(yīng)用層運(yùn)用先進(jìn)的多源信息數(shù)據(jù)融合算法，評(píng)估斷路器的健康狀態(tài)，并預(yù)測(cè)斷路器運(yùn)行發(fā)展趨勢(shì)，為運(yùn)維人員合理的維護(hù)和檢修決策。

Abstract： The authors designed a distributed monitoring system for 10kV vacuum circuit breakers based on the Internet of Things. The sensor layer uses multiple sensors and distributed acquisition terminals to monitor and collect the circuit breaker's moving contact travel curve， main circuit current， coil current， contact temperature and auxiliary contact information in real time. The network layer comprehensively utilizes efficient Internet of Things communication technology for information transmission and interaction. The application layer uses the advanced multi-source information data fusion algorithm to evaluate the health state of circuit breakers and predict the operation development trend of circuit breakers， so as to make reasonable maintenance and overhaul decisions for operation and maintenance personnel.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);真空斷路器;在線(xiàn)監(jiān)測(cè);狀態(tài)評(píng)估

Key words： Internet of Things;vacuum circuit breakers;on-line monitoring;state evaluation

中圖分類(lèi)號(hào)：TM561.2;TP277 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）08-0261-04

0 ?引言

真空斷路器在供配電系統(tǒng)中數(shù)量多、分布廣，其大多置于電氣箱柜中用于保護(hù)和控制高壓電氣設(shè)備。同時(shí)，作為變電站內(nèi)需經(jīng)常頻繁操作的開(kāi)關(guān)器件之一，能否安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。當(dāng)斷路器發(fā)生故障時(shí)，不僅對(duì)其保護(hù)的電氣設(shè)備造成危害，影響正常的生產(chǎn)生活，還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在供配電系統(tǒng)中，超過(guò)六成以上的停電事故、時(shí)間及維修是由斷路器故障引起的。因此，及時(shí)獲知斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，綜合監(jiān)測(cè)各項(xiàng)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，有利于及時(shí)解決潛在的故障隱患，防止停電事故的發(fā)生及進(jìn)一步擴(kuò)大，降低維護(hù)成本[2-3]。

斷路器傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式以離線(xiàn)檢測(cè)和定期檢測(cè)為主，運(yùn)維人員通過(guò)使用試驗(yàn)儀器或檢測(cè)設(shè)備對(duì)斷路器進(jìn)行檢測(cè)，但這些儀器存在體積大、接線(xiàn)復(fù)雜、測(cè)量誤差大等諸多弊端。直到上世紀(jì)90年代，斷路器的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)才開(kāi)始逐步發(fā)展，并隨著不斷深入研究和成果的取得，國(guó)內(nèi)外的電力行業(yè)已開(kāi)始愈來(lái)愈重視斷路器監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，如法國(guó)阿爾斯通公司首次研制成功的用于Grizzly變電站的高壓斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，美國(guó)哈撒威公司生產(chǎn)的BCM200型系統(tǒng)，清華大學(xué)研制了用于監(jiān)測(cè)分、合閘電流、行程曲線(xiàn)及振動(dòng)信號(hào)的CBA-1系統(tǒng)，國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院研制KZC-1型在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀等[4-5]。雖然針對(duì)斷路器的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置層出不窮，但幾乎都只對(duì)其單一或少數(shù)特征參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，存在部分項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)方法和結(jié)果適用性不理想及缺乏綜合性監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

基于斷路器復(fù)雜的故障原因和多樣的特征信號(hào)，本文設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的10kV真空斷路器分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集斷路器的動(dòng)觸頭行程曲線(xiàn)、主回路電流、分合閘線(xiàn)圈電流、觸頭溫度和輔助接點(diǎn)信息，運(yùn)用分布式采集終端獲取斷路器的綜合特征參量，并運(yùn)用先進(jìn)的多源信息數(shù)據(jù)分析算法，對(duì)斷路器的狀態(tài)進(jìn)行診斷并進(jìn)行評(píng)估，為運(yùn)維人員合理的維護(hù)和檢修決策。

1 ?泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是利用傳感器或特定的采集裝置將各種物體接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與設(shè)備信息的連接，通過(guò)通訊設(shè)備將采集的信息數(shù)據(jù)上傳至控制主站或遠(yuǎn)方控制平臺(tái)，對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人與物之間的連接[6]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)際是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上延拓的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動(dòng)實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別、監(jiān)控、定位、追蹤并觸發(fā)相應(yīng)事件，其中最重要的是對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)、監(jiān)控指令進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和管理[7]。2019年3月，國(guó)家電網(wǎng)頒布了《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱》，此大綱的頒布預(yù)示著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)上的應(yīng)用將更加廣泛，包括電力設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估將進(jìn)入快速發(fā)展的階段。

2 ?真空斷路器監(jiān)測(cè)內(nèi)容及特征量提取

通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)可知，拒動(dòng)和誤動(dòng)是真空斷路器發(fā)生最為嚴(yán)重的故障。通過(guò)對(duì)故障原因、機(jī)理及斷路器性能與特征參量的關(guān)系分析，并考慮到目前實(shí)際技術(shù)水平及成本因素，本文選擇以下特征量作為監(jiān)測(cè)內(nèi)容，這些監(jiān)測(cè)內(nèi)容完全能夠?qū)嗦菲髡w性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 斷路器動(dòng)觸頭行程的監(jiān)測(cè)[8] ?斷路器分、合閘行程-時(shí)間特性是反映其機(jī)械特性的重要參數(shù)，既可以對(duì)斷路器的生銹、變形、機(jī)構(gòu)磨損等機(jī)械故障進(jìn)行診斷評(píng)價(jià)，也可以通過(guò)其得到的分合閘速度、剛分、剛合速度等參數(shù)對(duì)斷路器的電壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于斷路器動(dòng)觸頭位于密封的滅弧室內(nèi)，而真空斷路器又置于空間狹窄的電氣箱柜中，所以位移傳感器的安裝位置是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。本文選用一種導(dǎo)電塑料角位移傳感器，通過(guò)固定件將其與斷路器側(cè)面的主軸連接，由于主軸遠(yuǎn)離高壓部分，則角位移傳感器與斷路器一次部分非直接接觸，對(duì)斷路器絕緣特性和機(jī)械特性都不會(huì)造成影響，并且主軸附近有較大的利用空間，可方便安裝角位移傳感器。因此，通過(guò)觸頭行程位移與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到分合閘角位移曲線(xiàn)，進(jìn)而得到直線(xiàn)位移曲線(xiàn)。

2.2 分合閘線(xiàn)圈直流信號(hào)的監(jiān)測(cè) ?根據(jù)電流波形可以掌握斷路器機(jī)械操作系統(tǒng)的情況。本文選用霍爾電流傳感器采集整個(gè)分合閘過(guò)程中的線(xiàn)圈回路直流電流。該電流傳感器利用半導(dǎo)體材料的磁敏特性，通過(guò)測(cè)量其磁感應(yīng)強(qiáng)度，推算待測(cè)的電流值。由于磁通相互補(bǔ)償，鐵芯體積可以做的很小，既可做成鐵芯固定的貫穿式結(jié)構(gòu)，也可做成鉗式結(jié)構(gòu)，且分、合閘線(xiàn)圈回路引線(xiàn)穿芯而過(guò)，對(duì)斷路器正常運(yùn)行不會(huì)造成影響[9]。

2.3 觸頭溫度特性的監(jiān)測(cè) ?斷路器觸頭發(fā)熱嚴(yán)重，將嚴(yán)重影響其機(jī)械特性，進(jìn)而造成設(shè)備損壞及停電事故。但直接測(cè)量觸頭溫度存在高壓絕緣、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾等問(wèn)題[10]。本文采用無(wú)源無(wú)線(xiàn)測(cè)溫傳感器可有效解決直接接觸式測(cè)溫存在的問(wèn)題，該傳感器通過(guò)收集斷路器周?chē)S富的電磁能，并將其轉(zhuǎn)化為自身所需的電能，擺脫了傳統(tǒng)電池供電和CT取電的弊端。無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器將采集的溫升信號(hào)采用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行傳輸，實(shí)時(shí)獲知真空斷路器觸頭發(fā)熱情況。

2.4 主回路電流信號(hào)的監(jiān)測(cè) ?通過(guò)電流互感器得到主回路電流的換位點(diǎn)，確定時(shí)間參量[11]，再根據(jù)角位移傳感器得到的位移參量可確定行程-時(shí)間曲線(xiàn)，從而提取合分閘時(shí)間、速度、開(kāi)距以及超程等機(jī)械參量。

2.5 輔助節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè) ?真空斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)與輔助接點(diǎn)相連接，輔助節(jié)點(diǎn)隨著斷路器的動(dòng)作而發(fā)生動(dòng)作變位，從而有效地指示合分狀態(tài)。本文為準(zhǔn)確獲取輔助接點(diǎn)的狀態(tài)，將輔助觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量接入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)軟件界面直觀判斷斷路器合分閘狀態(tài)。

3 ?分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的層次架構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的10kV斷路器分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中感知層由多個(gè)傳感器及分布式采集終端構(gòu)成，負(fù)責(zé)信號(hào)采集及上傳;網(wǎng)絡(luò)層綜合運(yùn)用多種通訊方式，并可以通過(guò)包括61850在內(nèi)的規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交互，包括傳統(tǒng)的有線(xiàn)通訊以及目前最新的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）及4G通訊方式;應(yīng)用層為站內(nèi)主站與遠(yuǎn)端主站，站內(nèi)主站負(fù)責(zé)對(duì)分布式采集終端的信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存、計(jì)算、分析，并利用其內(nèi)部相關(guān)算法對(duì)斷路器狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，遠(yuǎn)端主站負(fù)責(zé)接收顯示斷路器狀態(tài)并對(duì)運(yùn)維人員進(jìn)行分發(fā)。

4 ?分布式采集終端硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分布式采集終端硬件平臺(tái)采用集成Intel J1900/2.0G主頻四核核心處理單元，擴(kuò)展外圍功能電路，主要包括：模擬量輸入調(diào)理電路、電源模塊、存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊、通信接口。（圖2）

4.1 模擬量輸入調(diào)理電路

模擬量輸入調(diào)理模塊采用AD7606芯片，16位、8通道，最大200kHz同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系（DAS）。器件內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、采樣保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、靈活的數(shù)字濾波器、2.5V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口，如圖3所示。

AD7606采用5V單電源供電，可以處理±10V和±5V真雙極性輸入信號(hào)，同時(shí)所有通道均能以高達(dá)200kSPS的吞吐速率采樣。輸入箝位保護(hù)電路可以耐受高達(dá)±16.5V的電壓。無(wú)論以何種采樣頻率工作，AD7606的模擬輸入阻抗均為1MΩ。它采用單電源工作方式，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，因此無(wú)需驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器和外部雙極性電源。AD7606抗混疊濾波器的3dB截止頻率為22kHz;當(dāng)采樣速率為200kSPS時(shí)，它具有40dB抗混疊抑制特性。靈活的數(shù)字濾波器采用引腳驅(qū)動(dòng)，可以改善信噪比（SNR），并降低3dB帶寬。

4.2 通訊接口

通訊接口包括常用的485/232等串口外，還有網(wǎng)口、USB接口以及兼容泛在物聯(lián)網(wǎng)的4G通訊接口等。

5 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的描述，該系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

①數(shù)據(jù)采樣和處理，即對(duì)斷路器分合閘線(xiàn)圈電流信號(hào)、動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)行程信號(hào)、觸頭溫度信號(hào)、主回路電流信號(hào)、輔助節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行采集，并實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式采集終端所采集獲得的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)算法處理;

②實(shí)現(xiàn)站端主站對(duì)各類(lèi)監(jiān)測(cè)參量的顯示;

③報(bào)警處理，包括報(bào)警記錄和顯示;

④波形記錄，包括處理前后的各種特性參數(shù)數(shù)據(jù)的記錄及斷路器動(dòng)作參數(shù)的記錄;

⑤數(shù)據(jù)通信，包括各種信號(hào)采集數(shù)據(jù)的上傳及站短主站和遠(yuǎn)方主站的信息交互等。

基于以上功能要求，所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形記錄、故障判別及分析、數(shù)據(jù)通信等組成。通過(guò)上述軟件系統(tǒng)，利用多源信息數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在故障發(fā)生之前對(duì)斷路器進(jìn)行積極、主動(dòng)維護(hù)。軟件系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

在斷路器健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將確保遠(yuǎn)方運(yùn)維人員及時(shí)掌握其運(yùn)行健康狀態(tài)，進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)和故障診斷，對(duì)延長(zhǎng)斷路器檢修間隔、縮短檢修時(shí)間、提高可靠性、延長(zhǎng)使用壽命、減少運(yùn)行檢修維護(hù)費(fèi)用等都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的10kV真空斷路器分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)的分布式采集終端采集斷路器的觸頭行程、主回路電流、分合閘線(xiàn)圈電流、觸頭溫度和輔助觸點(diǎn)信息，利用綜合性的監(jiān)測(cè)技術(shù)和高效的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，準(zhǔn)確地掌握斷路器運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用先進(jìn)的多源信息數(shù)據(jù)融合算法，評(píng)估斷路器的健康狀態(tài)，并預(yù)測(cè)斷路器運(yùn)行發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)維人員可義此制定合理的維護(hù)計(jì)劃和檢修決策并可在最短時(shí)間內(nèi)做出調(diào)整。

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