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)
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。
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。
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。
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)。
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。
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
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。
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
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)。
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。