高壓開關設備本體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究

曾星宏，程延遠，李海濤，鄧勁東，劉東超，須 雷

（1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧530004；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

電網(wǎng)主設備必須要保持良好的健康狀態(tài)和設備完好率，實現(xiàn)安全可靠運行，才能保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行和提高供電可靠率［1］。狀態(tài)檢修是根據(jù)電力設備的真實狀態(tài)而進行的預防性作業(yè)，隨著微電子技術、嵌入式技術、網(wǎng)絡通信技術及計算機控制技術的不斷發(fā)展，數(shù)字化、智能化的測量和監(jiān)測裝置在電網(wǎng)控制領域得到了廣泛應用，為狀態(tài)檢修的實現(xiàn)提供了前提條件。在電網(wǎng)不斷擴大、用戶對電網(wǎng)可靠性的要求越來越高的今天，狀態(tài)檢修更加顯現(xiàn)出不可替代的作用［2-9］。

一次智能組件的開發(fā)與應用將一、二次設備一體化變?yōu)榱爽F(xiàn)實，國內(nèi)一、二次設備制造廠商也在近十年開展了相關技術和產(chǎn)品的研發(fā)工作［10-16］。一次設備智能組件集成了模擬量采集設備、開關控制設備、狀態(tài)在線監(jiān)測設備等，集成了傳感器技術、通信技術、計算機技術、監(jiān)測技術等多項新技術，促進了一次設備的智能化［17-19］。當前，在線監(jiān)測技術特別是高壓開關設備本體的狀態(tài)信息監(jiān)測，在變電站中的應用仍存在有如下突出問題，監(jiān)測功能單一且相對獨立、配置的設備分散，監(jiān)測裝置和傳感器接口不統(tǒng)一，制約了數(shù)據(jù)融合，并沒有實現(xiàn)各種在線監(jiān)測信息的融合貫通，對變電站一次設備運行狀態(tài)相關信息的采集、檢測和分析均相對欠缺［20］。

本文在調(diào)研各種電壓等級交流變電站中開關設備狀態(tài)監(jiān)測需求的基礎上，提出一種高集成度、準確度高、實時性強的高壓開關設備本體狀態(tài)信息監(jiān)測方案，監(jiān)測對象涵蓋高壓斷路器和隔離開關設備，通過一臺高集成度的信息采集及智能分析單元實現(xiàn)了各種分散布置的傳感器的信息接入、數(shù)據(jù)分析，并將分析后的數(shù)據(jù)以標準規(guī)約上送至物聯(lián)管理平臺，為準確掌握設備的工作狀態(tài)提供了有效技術手段，文中介紹了開關設備本體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案的設計思路，以全數(shù)字智能監(jiān)測單元為基礎，能精確、全面地監(jiān)測高壓設備運行過程中的狀態(tài)指標，并通過不同的分析策略指導狀態(tài)檢修。

1 高壓開關設備智能監(jiān)測現(xiàn)狀

近幾年，國家電網(wǎng)有限公司通過一鍵順控改造、機器人巡檢、帶電檢測和在線監(jiān)測新技術應用等工作，開關設備狀態(tài)感知能力已有很大程度的提高［21-30］。而現(xiàn)有一次設備與二次設備在設備互聯(lián)、信息采集與傳送等方面技術發(fā)展的不協(xié)調(diào)、不同步的問題越來越顯著。為實現(xiàn)開關設備狀態(tài)自動分析、缺陷早期預警、故障智能研判和運檢輔助決策，亟需利用數(shù)字化、智能傳感、狀態(tài)監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)等技術，提高開關設備的自檢、自測、自校能力，強化設備狀態(tài)管控，提升設備運檢質(zhì)效，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2 本體狀態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)架構

2.1 整體思路

通過在開關設備本體植入智能傳感器，對斷路器的各類運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，在安全、可靠、方便運維、一體化設計前提下，建立以主設備、傳感器、采集及智能分析單元構成的智能開關設備，并與物聯(lián)管理和高級應用形成高效的云邊協(xié)同體系，采用一二次融合、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術使其具備狀態(tài)自我感知、實時診斷、主動預警和主輔聯(lián)動等功能，真正實現(xiàn)開關設備的智能化，豐富的狀態(tài)信息，為斷路器的健康狀況分析和狀態(tài)檢修提供基礎，將原始信息轉化為可用的設備健康狀態(tài)信息，為建立斷路器狀態(tài)的綜合診斷模型提供基礎。

2.2 總體架構設計

高壓開關設備本體狀態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1所示，分為四個層級：感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層。

圖1 高壓開關設備本體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of switching equipment on-line monitoring system

1）感知層

感知層實現(xiàn)開關設備狀態(tài)信息的采集與匯聚，具備邊緣計算能力，包含傳感層和匯聚層，分別由各類智能傳感器設備、匯聚節(jié)點、邊緣物聯(lián)代理構成，實現(xiàn)開關設備運行環(huán)境信息、狀態(tài)信息的采集及就地預處理。

2）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層由無線網(wǎng)（公網(wǎng)和電力專網(wǎng)）、有線電力光纖網(wǎng)和相關網(wǎng)絡設備組成，提供高可靠、高安全、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸通道。

3）平臺層

平臺層將變電業(yè)務、數(shù)據(jù)、物聯(lián)等共性需求沉淀封裝成共享服務，支撐前端應用創(chuàng)新，包括電網(wǎng)資源業(yè)務中臺、數(shù)據(jù)中臺和物聯(lián)管理平臺。

4）應用層

應用層基于企業(yè)中臺提供的各類微服務，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、技術標準和框架下，部署開關設備運行狀態(tài)精準評價、缺陷異常智能研判、遠程智能巡檢等高級應用，實現(xiàn)開關設備運行狀態(tài)的綜合評估和預警決策。

其中，感知層的傳感器可通過無線、有線的方式將數(shù)據(jù)上送匯聚層設備。匯聚層由匯聚節(jié)點、邊緣物聯(lián)代理等網(wǎng)絡節(jié)點設備組成，滿足傳感層和節(jié)點設備單點接入、鏈式分布多態(tài)組網(wǎng)需求。同時，匯聚節(jié)點、邊緣物聯(lián)代理搭載邊緣計算框架，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)的匯聚、邊緣計算，滿足數(shù)據(jù)實時采集、即時處理、就地分析。開關設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)通過反向隔離裝置接入主、輔設備集中監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 狀態(tài)信息監(jiān)測分析策略

1）絕緣特性分析策略

通過氣體傳感器實現(xiàn)斷路器氣室內(nèi)的SF6氣體微水、密度（壓力）、溫度等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，并周期性上送監(jiān)測數(shù)據(jù)，輔助分析充氣設備的絕緣介質(zhì)強度，同時結合局部放電監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合判斷絕緣特性，提前發(fā)現(xiàn)氣室密封不良、濕度、異物、異常局部放電等運行隱患。

2）機械特性分析策略

通過位移傳感器、電流傳感器、彈簧壓力傳感器、伸縮節(jié)位移傳感器，采集斷路器行程位移、分合閘線圈電流、儲能電機電流、分合閘彈簧壓力數(shù)據(jù)，結合開關分合位置信號，計算獲得開關分合閘行程曲線、分合閘時間、分合閘速度等特性，分析斷路器是否存在機構卡澀、分合閘異常、彈簧疲勞、儲能異常、GIS伸縮節(jié)形變超標等缺陷。

3）環(huán)境輔助信息分析策略

通過溫濕度傳感器，監(jiān)控開關設備機構箱、控制柜內(nèi)部環(huán)境。測量不同外部環(huán)境氣候下，機構箱、控制柜內(nèi)部溫度、濕度參數(shù)，為溫濕度控制器及時提供準確的控制信號。

4）局部放電分析策略

結合特高頻全頻段采集的局部放電傳感器，集成PRPD 和PRPS 等特征圖譜和智能模式識別技術，并結合負載、歷史數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，綜合分析設備內(nèi)部是否存在局部放電，同時判斷局部放電的位置、性質(zhì)和嚴重程度。

5）位置確認分析策略

通過姿態(tài)傳感技術對隔離開關姿態(tài)角度進行監(jiān)測，姿態(tài)傳感器安裝在隔離開關地電位的傳動部位，輸出三維姿態(tài)角俯仰、滾轉、偏航等數(shù)據(jù)，用于分析隔離開關是否存在操作卡澀、分合不到位等缺陷。

3 本體狀態(tài)信息監(jiān)測實施方案

3.1 總體方案

以安全為前提，有效實用為原則，綜合考慮開關設備的重要性、經(jīng)濟性以及各種在線監(jiān)測技術的成熟度和運行經(jīng)驗，選取斷路器絕緣特性監(jiān)測、機械特性監(jiān)測、環(huán)境輔助信息監(jiān)測、局部放電監(jiān)測以及隔離開關位置確認分析共5項主體功能模塊，如圖2所示。各種功能模塊也可以按工程應用需求進行靈活配置和擴展。

圖2 本體狀態(tài)監(jiān)測功能模塊Fig.2 Function module of switching equipment on-line monitoring system

3.2 傳感器布置

以組合電器為例進行一二次融合設計，打破一次設備及二次裝置設計間的壁壘，通過預先植入在線監(jiān)測傳感器實現(xiàn)開關設備本體智能化改造升級，提高斷路器的智能化程度，實現(xiàn)設備的可觀、可測、可控，各種典型傳感器的布置見圖3。

圖3 開關設備傳感器布置示意Fig.3 Sensor layout of switching equipment

斷路器關鍵氣室安裝SF6氣體傳感器，如圖4，具備SF6微水、密度、溫度自動采集、信號調(diào)理、模數(shù)轉換和數(shù)據(jù)的預處理功能，在保留原有密度繼電器的基礎上，通過獨立安裝傳感器對數(shù)字信號采集及通訊，并支持有線或無線通訊方式。局部放電采用內(nèi)置式特高頻傳感器，利用特高頻傳感器對其特高頻電磁波（300 MHz～3 GHz）信號進行檢測，獲得局部放電的相關信息，實現(xiàn)局部放電監(jiān)測以掌握開關設備的絕緣狀態(tài)，傳感器通過法蘭連接安裝于GIS設備的手孔處，內(nèi)置傳感器應與主設備使用壽命一致。

圖4 SF6氣體傳感器Fig.4 SF6 gas sensor

斷路器行程傳感器采用光柵旋轉編碼器，按相配置。如圖5，將位移傳感器和開關本體進行專門的結構設計，以固定位移傳感器。電流傳感器采用霍爾元件，每個電流傳感器模塊包含4個電流傳感器，分別采集主分線圈電流、副分線圈電流、合閘線圈電流、儲能電機電流，穿心式設計不破壞原有回路的接線。

圖5 旋轉編碼位移傳感器Fig.5 Rotation-coded sensor

對斷路器機構彈簧受力狀態(tài)進行監(jiān)測，如圖6。在機構彈簧處安裝壓力傳感器。與數(shù)據(jù)采集轉換模塊之間采用單端預制航插或線纜直接連接，分別對斷路器機構彈簧的合閘、分閘閉合瞬間、儲能狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，并把彈簧狀態(tài)數(shù)據(jù)信息上送至信息采集及智能分析單元。

圖6 彈簧壓力傳感器Fig.6 Spring pressure sensor

目前絕大部分伸縮節(jié)處于無監(jiān)測使用狀態(tài)，存在不少安全隱患。安裝伸縮節(jié)傳感器如圖7，每個伸縮節(jié)推薦配置3～4 個傳感器，對斷路器GIS 伸縮節(jié)形變監(jiān)測，準確測量伸縮節(jié)的工作狀態(tài)。防止GIS 伸縮節(jié)因安裝或制造工藝問題，起不到伸縮量調(diào)節(jié)補償?shù)淖饔茫蛞蛏炜s應力作用，造成連接部位變形漏氣等問題。

圖7 伸縮節(jié)形變傳感器Fig.7 Expansion joint sensor

環(huán)境溫濕度傳感器安裝在匯控柜、機構箱、伴熱帶等位置，測量不同外部環(huán)境氣候下，機構箱、控制柜內(nèi)部溫度、濕度參數(shù)，為溫濕度控制器及時提供準確的控制信號。

姿態(tài)傳感器安裝在隔離開關地電位的傳動部位，如圖8，可以真實反應隔離開關觸頭的轉動，輸出三維姿態(tài)角俯仰、滾轉、偏航等數(shù)據(jù)，用于分析隔離開關是否存在操作卡澀、分合不到位等缺陷。

3.3 信息采集及智能分析單元

針對目前高壓開關設備本體的狀態(tài)信息監(jiān)測單元功能單一、配置的設備分散，監(jiān)測裝置和傳感器接口不統(tǒng)一等問題，設計了一種高集成度、準確度高、實時性強的高壓開關設備本體狀態(tài)采集及智能分析單元。采集及智能分析單元采用多核處理器，采用“可重用、可選配”的設計思路，支持無線低功率傳感器接入，支持4G 無線通訊、藍牙調(diào)試等功能，也可根據(jù)需求接入不同類型的傳感器。其中ARM核用于實現(xiàn)操作系統(tǒng)、人機界面管理、以太網(wǎng)通訊等功能，DSP核用于實現(xiàn)在線監(jiān)測及分析功能，系統(tǒng)功能模塊如圖9所示。

圖9 采集及智能分析單元功能模塊Fig.9 Function module of acquisition and analysis unit

3.4 物聯(lián)管理平臺

物聯(lián)管理平臺部署在云端，實現(xiàn)各類型邊緣物聯(lián)代理和智能終端的在線管理和遠程運維，對各類型采集終端進行統(tǒng)一管理，并按照統(tǒng)一物聯(lián)信息模型，匯聚各類型采集感知數(shù)據(jù)，進行模型轉換和數(shù)據(jù)預處理，并分發(fā)至企業(yè)中臺或相關專業(yè)系統(tǒng)，不長期存儲采集感知數(shù)據(jù)。

4 結語

本文提出了高壓開關設備本體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計框架，通過一種高集成度的信息采集及智能分析單元，匯集不同種類在線監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)，減少了設備數(shù)量和安裝空間，實現(xiàn)了開關設備本體狀態(tài)信息的綜合監(jiān)測和分析，解決了傳統(tǒng)在線監(jiān)測功能單一且獨立、配置設備分散、監(jiān)測裝置和傳感器接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)融合程度差等缺點，為高集成度在線監(jiān)測的方案實施提供了技術路線。