高壓開關(guān)設(shè)備本體狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

曾星宏，程延遠(yuǎn)，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(shè)備必須要保持良好的健康狀態(tài)和設(shè)備完好率，實(shí)現(xiàn)安全可靠運(yùn)行，才能保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和提高供電可靠率［1］。狀態(tài)檢修是根據(jù)電力設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)而進(jìn)行的預(yù)防性作業(yè)，隨著微電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化、智能化的測(cè)量和監(jiān)測(cè)裝置在電網(wǎng)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為狀態(tài)檢修的實(shí)現(xiàn)提供了前提條件。在電網(wǎng)不斷擴(kuò)大、用戶對(duì)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(yīng)用將一、二次設(shè)備一體化變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，國內(nèi)一、二次設(shè)備制造廠商也在近十年開展了相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)工作［10-16］。一次設(shè)備智能組件集成了模擬量采集設(shè)備、開關(guān)控制設(shè)備、狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備等，集成了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)等多項(xiàng)新技術(shù)，促進(jìn)了一次設(shè)備的智能化［17-19］。當(dāng)前，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)特別是高壓開關(guān)設(shè)備本體的狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)，在變電站中的應(yīng)用仍存在有如下突出問題，監(jiān)測(cè)功能單一且相對(duì)獨(dú)立、配置的設(shè)備分散，監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)各種在線監(jiān)測(cè)信息的融合貫通，對(duì)變電站一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)信息的采集、檢測(cè)和分析均相對(duì)欠缺［20］。

本文在調(diào)研各種電壓等級(jí)交流變電站中開關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求的基礎(chǔ)上，提出一種高集成度、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的高壓開關(guān)設(shè)備本體狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)對(duì)象涵蓋高壓斷路器和隔離開關(guān)設(shè)備，通過一臺(tái)高集成度的信息采集及智能分析單元實(shí)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)約上送至物聯(lián)管理平臺(tái)，為準(zhǔn)確掌握設(shè)備的工作狀態(tài)提供了有效技術(shù)手段，文中介紹了開關(guān)設(shè)備本體狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思路，以全數(shù)字智能監(jiān)測(cè)單元為基礎(chǔ)，能精確、全面地監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備運(yùn)行過程中的狀態(tài)指標(biāo)，并通過不同的分析策略指導(dǎo)狀態(tài)檢修。

1 高壓開關(guān)設(shè)備智能監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

近幾年，國家電網(wǎng)有限公司通過一鍵順控改造、機(jī)器人巡檢、帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)新技術(shù)應(yīng)用等工作，開關(guān)設(shè)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(shè)備與二次設(shè)備在設(shè)備互聯(lián)、信息采集與傳送等方面技術(shù)發(fā)展的不協(xié)調(diào)、不同步的問題越來越顯著。為實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)分析、缺陷早期預(yù)警、故障智能研判和運(yùn)檢輔助決策，亟需利用數(shù)字化、智能傳感、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，提高開關(guān)設(shè)備的自檢、自測(cè)、自校能力，強(qiáng)化設(shè)備狀態(tài)管控，提升設(shè)備運(yùn)檢質(zhì)效，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 本體狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 整體思路

通過在開關(guān)設(shè)備本體植入智能傳感器，對(duì)斷路器的各類運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在安全、可靠、方便運(yùn)維、一體化設(shè)計(jì)前提下，建立以主設(shè)備、傳感器、采集及智能分析單元構(gòu)成的智能開關(guān)設(shè)備，并與物聯(lián)管理和高級(jí)應(yīng)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(shù)使其具備狀態(tài)自我感知、實(shí)時(shí)診斷、主動(dòng)預(yù)警和主輔聯(lián)動(dòng)等功能，真正實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)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(chǔ)，將原始信息轉(zhuǎn)化為可用的設(shè)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(chǔ)。

2.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)設(shè)備本體狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，分為四個(gè)層級(jí)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層。

圖1 高壓開關(guān)設(shè)備本體狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of switching equipment on-line monitoring system

1）感知層

感知層實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備狀態(tài)信息的采集與匯聚，具備邊緣計(jì)算能力，包含傳感層和匯聚層，分別由各類智能傳感器設(shè)備、匯聚節(jié)點(diǎn)、邊緣物聯(lián)代理構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境信息、狀態(tài)信息的采集及就地預(yù)處理。

2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)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(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(tái)層

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

4）應(yīng)用層

應(yīng)用層基于企業(yè)中臺(tái)提供的各類微服務(wù)，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和框架下，部署開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)精準(zhǔn)評(píng)價(jià)、缺陷異常智能研判、遠(yuǎn)程智能巡檢等高級(jí)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)估和預(yù)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(shè)備。匯聚層由匯聚節(jié)點(diǎn)、邊緣物聯(lián)代理等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成，滿足傳感層和節(jié)點(diǎn)設(shè)備單點(diǎn)接入、鏈?zhǔn)椒植级鄳B(tài)組網(wǎng)需求。同時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)、邊緣物聯(lián)代理搭載邊緣計(jì)算框架，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)的匯聚、邊緣計(jì)算，滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、即時(shí)處理、就地分析。開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過反向隔離裝置接入主、輔設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)分析策略

1）絕緣特性分析策略

通過氣體傳感器實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并周期性上送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，輔助分析充氣設(shè)備的絕緣介質(zhì)強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合局部放電監(jiān)測(cè)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(yùn)行隱患。

2）機(jī)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(chǔ)能電機(jī)電流、分合閘彈簧壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合開關(guān)分合位置信號(hào)，計(jì)算獲得開關(guān)分合閘行程曲線、分合閘時(shí)間、分合閘速度等特性，分析斷路器是否存在機(jī)構(gòu)卡澀、分合閘異常、彈簧疲勞、儲(chǔ)能異常、GIS伸縮節(jié)形變超標(biāo)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(guān)設(shè)備機(jī)構(gòu)箱、控制柜內(nèi)部環(huán)境。測(cè)量不同外部環(huán)境氣候下，機(jī)構(gòu)箱、控制柜內(nèi)部溫度、濕度參數(shù)，為溫濕度控制器及時(shí)提供準(zhǔn)確的控制信號(hào)。

4）局部放電分析策略

結(jié)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(shí)別技術(shù)，并結(jié)合負(fù)載、歷史數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，綜合分析設(shè)備內(nèi)部是否存在局部放電，同時(shí)判斷局部放電的位置、性質(zhì)和嚴(yán)重程度。

5）位置確認(rèn)分析策略

通過姿態(tài)傳感技術(shù)對(duì)隔離開關(guān)姿態(tài)角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，姿態(tài)傳感器安裝在隔離開關(guān)地電位的傳動(dòng)部位，輸出三維姿態(tài)角俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航等數(shù)據(jù)，用于分析隔離開關(guān)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(cè)實(shí)施方案

3.1 總體方案

以安全為前提，有效實(shí)用為原則，綜合考慮開關(guān)設(shè)備的重要性、經(jīng)濟(jì)性以及各種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟度和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選取斷路器絕緣特性監(jiān)測(cè)、機(jī)械特性監(jiān)測(cè)、環(huán)境輔助信息監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)以及隔離開關(guān)位置確認(rèn)分析共5項(xiàng)主體功能模塊，如圖2所示。各種功能模塊也可以按工程應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展。

圖2 本體狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jìn)行一二次融合設(shè)計(jì)，打破一次設(shè)備及二次裝置設(shè)計(jì)間的壁壘，通過預(yù)先植入在線監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備本體智能化改造升級(jí)，提高斷路器的智能化程度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可觀、可測(cè)、可控，各種典型傳感器的布置見圖3。

圖3 開關(guān)設(shè)備傳感器布置示意Fig.3 Sensor layout of switching equipment

斷路器關(guān)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(dòng)采集、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能，在保留原有密度繼電器的基礎(chǔ)上，通過獨(dú)立安裝傳感器對(duì)數(shù)字信號(hào)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(duì)其特高頻電磁波（300 MHz～3 GHz）信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲得局部放電的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)局部放電監(jiān)測(cè)以掌握開關(guān)設(shè)備的絕緣狀態(tài)，傳感器通過法蘭連接安裝于GIS設(shè)備的手孔處，內(nèi)置傳感器應(yīng)與主設(shè)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(zhuǎn)編碼器，按相配置。如圖5，將位移傳感器和開關(guān)本體進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以固定位移傳感器。電流傳感器采用霍爾元件，每個(gè)電流傳感器模塊包含4個(gè)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(chǔ)能電機(jī)電流，穿心式設(shè)計(jì)不破壞原有回路的接線。

圖5 旋轉(zhuǎn)編碼位移傳感器Fig.5 Rotation-coded sensor

對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)彈簧受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖6。在機(jī)構(gòu)彈簧處安裝壓力傳感器。與數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊之間采用單端預(yù)制航插或線纜直接連接，分別對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)彈簧的合閘、分閘閉合瞬間、儲(chǔ)能狀態(tài)進(jìn)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(cè)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(gè)伸縮節(jié)推薦配置3～4 個(gè)傳感器，對(duì)斷路器GIS 伸縮節(jié)形變監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確測(cè)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(bǔ)償?shù)淖饔茫蛞蛏炜s應(yīng)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(jī)構(gòu)箱、伴熱帶等位置，測(cè)量不同外部環(huán)境氣候下，機(jī)構(gòu)箱、控制柜內(nèi)部溫度、濕度參數(shù)，為溫濕度控制器及時(shí)提供準(zhǔn)確的控制信號(hào)。

姿態(tài)傳感器安裝在隔離開關(guān)地電位的傳動(dòng)部位，如圖8，可以真實(shí)反應(yīng)隔離開關(guān)觸頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出三維姿態(tài)角俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航等數(shù)據(jù)，用于分析隔離開關(guān)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(duì)目前高壓開關(guān)設(shè)備本體的狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)單元功能單一、配置的設(shè)備分散，監(jiān)測(cè)裝置和傳感器接口不統(tǒng)一等問題，設(shè)計(jì)了一種高集成度、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的高壓開關(guān)設(shè)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(shè)計(jì)思路，支持無線低功率傳感器接入，支持4G 無線通訊、藍(lán)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(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)、人機(jī)界面管理、以太網(wǎng)通訊等功能，DSP核用于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)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(tái)

物聯(lián)管理平臺(tái)部署在云端，實(shí)現(xiàn)各類型邊緣物聯(lián)代理和智能終端的在線管理和遠(yuǎn)程運(yùn)維，對(duì)各類型采集終端進(jìn)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(jìn)行模型轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理，并分發(fā)至企業(yè)中臺(tái)或相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)，不長期存儲(chǔ)采集感知數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文提出了高壓開關(guān)設(shè)備本體狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)傳感器的數(shù)據(jù)，減少了設(shè)備數(shù)量和安裝空間，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)設(shè)備本體狀態(tài)信息的綜合監(jiān)測(cè)和分析，解決了傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)功能單一且獨(dú)立、配置設(shè)備分散、監(jiān)測(cè)裝置和傳感器接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)融合程度差等缺點(diǎn)，為高集成度在線監(jiān)測(cè)的方案實(shí)施提供了技術(shù)路線。