KYN28-12高壓配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)集成設(shè)計與應(yīng)用

徐 志

(寧夏力成電氣集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750001)

隨著重點(diǎn)工程項目建設(shè)對電力配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備要求的不斷提升，傳統(tǒng)配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備在工況環(huán)境變化中的運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性的指標(biāo)需要逐步提升，尤其是如何通過物聯(lián)網(wǎng)的手段監(jiān)測、評估、預(yù)測其長期運(yùn)行中的異常隱患、巡檢盲區(qū)、運(yùn)維管理資源缺乏的問題，如何使配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備制造商更直接地了解到自己的設(shè)備在全生命周期內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)及故障頻發(fā)點(diǎn)，便于為用戶提供及時有效的服務(wù)，成為電力裝備制造商和終端用戶的需求。

1 傳統(tǒng)設(shè)備設(shè)計方案及其不足

傳統(tǒng)KYN28-12高壓配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用技術(shù)方面還沒有形成具體產(chǎn)品應(yīng)用方案[1]，市場現(xiàn)有存量設(shè)備一部分是通過配電室內(nèi)設(shè)置局域網(wǎng)的集中監(jiān)控后臺監(jiān)測來自微機(jī)綜合保護(hù)裝置或者電力儀表等元器件采集的實時電量指標(biāo)；另一部分設(shè)備沒有集中監(jiān)控，采用人工定期巡檢的方式對分布式的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視。這2種方式都需要在配電室人工值守，且監(jiān)控或監(jiān)視的指標(biāo)只涉及到電量參數(shù)，沒有對影響設(shè)備本身健康的表象特征、機(jī)械特征等進(jìn)行關(guān)注，而電量參數(shù)又不能完全表征設(shè)備健康運(yùn)行的因素，因此造成兩方面不利影響：一是配電室管理陷入被動運(yùn)維。運(yùn)行值守人員不能離崗，且不能有效及時掌握關(guān)乎設(shè)備安全健康運(yùn)行的參數(shù)，比如：柜內(nèi)灰塵、柜內(nèi)異常噪音、振動等，工作重心集中在事故發(fā)生后排故上，達(dá)不到“不治已病治未病”的效果；二是設(shè)備制造商不能獲取自己投入市場的設(shè)備的運(yùn)行缺陷，對產(chǎn)品的改進(jìn)缺乏一手信息。

2 物聯(lián)網(wǎng)集成設(shè)計

2.1 物聯(lián)網(wǎng)集成設(shè)計方案

對涉及KYN28-12高壓配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備健康運(yùn)行的共計指標(biāo)34項進(jìn)行監(jiān)測，如表1所示。主要考慮設(shè)備運(yùn)行過程中表象特征、電量特征、機(jī)械特征、開關(guān)量特征4個方面[2]，表象特征方面如采集噪音的強(qiáng)度和聲頻變化、開關(guān)柜柜體振動、柜內(nèi)異?；」?、柜內(nèi)灰塵含量、高壓導(dǎo)體電接點(diǎn)的溫度、柜內(nèi)的晝夜溫、濕度方面的變化，對開關(guān)柜外絕緣、溫升、動熱穩(wěn)定性方面的直接表象等。

考慮到應(yīng)用的性價比，本設(shè)計中采集的方式有3種：(1)通過設(shè)置各種傳感器、元器件及網(wǎng)關(guān)裝置，由網(wǎng)關(guān)匹配元器件及傳感器相應(yīng)的通信方式實時在線采集(共27項)；(2)通過每月定期專業(yè)巡檢，利用與云平臺互聯(lián)互通的手機(jī)APP軟件人工采集錄入(1項)；(3)通過每年的預(yù)防性試驗，人工錄入系統(tǒng)(6項)。采集的關(guān)鍵指標(biāo)及參數(shù)，見表1。其中，機(jī)械特征和電量特征中的局放監(jiān)測指標(biāo)，考慮在設(shè)備上應(yīng)用在線傳感器的性價比問題，采用人工巡檢測量、預(yù)防性試驗采集錄入。

表1 物聯(lián)網(wǎng)集成設(shè)計采集的指標(biāo)

為了實現(xiàn)上述在線采集的目的，且現(xiàn)場改造和安裝施工方便，特別研發(fā)了1種雙通道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，可以提供多路串口連接柜內(nèi)的傳感器和元器件，體積更小，可方便地集成到開關(guān)柜儀表室的二次回路中。

2.2 雙通道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研制

雙通道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)由主控模塊、通信模塊、多串口通信電路、電源系統(tǒng)等組成。主控系統(tǒng)采用32位單片機(jī)實現(xiàn)，滿足系統(tǒng)外設(shè)接口需求的同時，以實現(xiàn)對各種模塊的協(xié)調(diào)管理。

通信模塊部分設(shè)置2路全網(wǎng)通通信模塊，可獨(dú)立工作，運(yùn)行時4G通信模塊做為主模塊與云平臺交互數(shù)據(jù)，且采用移動通信網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)移動4G通信模塊信號弱或中斷時，啟用備用NB通信模塊(采用電信或聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò))與平臺交互數(shù)據(jù)，做數(shù)據(jù)斷點(diǎn)補(bǔ)充，網(wǎng)關(guān)上行與平臺通信執(zhí)行MQQT協(xié)議；另外的RS232口和TCP/IP接口主要用與開關(guān)內(nèi)常見電力儀表或綜合保護(hù)產(chǎn)品之間的通信。

多串口通信電路設(shè)計有3路以上物理接口[3]，用輪詢的方式與RS485總線上所掛載的所有噪音/振動/溫、濕度(環(huán)境溫、濕度、導(dǎo)體搭接點(diǎn)溫度)/灰塵傳感器，和開關(guān)柜常用智能操控裝置、電力儀表進(jìn)行通信,串口執(zhí)行Modbus等常規(guī)通信協(xié)議。

電源部分采用集成型高頻開關(guān)電源模塊，3.3 V～5 V多路輸出為主控及其它模塊供電，且內(nèi)置小容量鋰電池組，可在開關(guān)柜控制電源消失3 h內(nèi)提供應(yīng)急電源保障。

網(wǎng)關(guān)終端系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙通道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

由圖1可見，網(wǎng)關(guān)多串口通信物理端口上，采用屏蔽雙絞線鏈接多個與開關(guān)柜健康運(yùn)行直接相關(guān)的非電量、電量傳感器或裝置，不同廠家的傳感器及裝置采用的通信協(xié)議、方式(波特率、字節(jié)傳輸順序、校驗方式等)不盡相同，鑒于此網(wǎng)關(guān)設(shè)計有內(nèi)置的基本協(xié)議庫，以及可以遠(yuǎn)程更新的平臺側(cè)協(xié)議庫，同時設(shè)計有上位機(jī)軟件，方便現(xiàn)場針對不同傳感器、裝置的應(yīng)用，對串口通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.3 集成設(shè)計方案

KYN28-12高壓配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)集成設(shè)計見圖2[4]，涉及開關(guān)設(shè)備柜體，以及設(shè)置在開關(guān)設(shè)備柜體內(nèi)的高壓真空斷路器、電力儀表、智能操控裝置、PT/CT、接地開關(guān)、母排、高壓傳感器、雙通道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、溫度傳感器、弧光傳感器、噪音傳感器以及震動傳感器、可折疊增益天線組。可折疊天線組設(shè)置在配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備柜體外，雙通道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)安裝在儀表室內(nèi)，其一端分別與微機(jī)綜合保護(hù)、電力儀表、智能操控裝置、弧光傳感器、噪音傳感器、震動傳感器以及溫度傳感器電連接，另一端的2個信道分別與可折疊天線組電連接；斷路器、PT/CT、接地開關(guān)以及高壓傳感器由母排依次串聯(lián)，斷路器靜觸頭上下端、電纜室電纜連接點(diǎn)設(shè)計9點(diǎn)電接點(diǎn)測溫傳感器，通過433M無線通信方式與網(wǎng)關(guān)串口上的溫度采集終端通信；母線室、電纜室內(nèi)分別設(shè)置有噪音傳感器、灰塵傳感器、弧光傳感器及振動傳感器各1組，通過屏蔽雙絞線與網(wǎng)關(guān)串口連接[5]。在開關(guān)柜內(nèi)，在原有的二次回路線束通道內(nèi)，分隔設(shè)計有弱點(diǎn)布線通道，減少傳輸中的信號干擾。

3 應(yīng)用及效果

3.1 應(yīng) 用

上述設(shè)計方案在研發(fā)的新一代KYN28-12系列產(chǎn)品上進(jìn)行了實際應(yīng)用驗證，設(shè)備通電運(yùn)行1年多時間，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及傳感器運(yùn)行正常、穩(wěn)定，大大減輕了運(yùn)行管理人員的日常運(yùn)維工作量，運(yùn)行值班人員從2人減少到1人，巡檢頻次從每周1次降低到每月1次，設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)變化和數(shù)據(jù)累計相比人工記錄更清晰、準(zhǔn)確；另一方面，作為開關(guān)設(shè)備制造商，通過物聯(lián)網(wǎng)集成設(shè)計，獲得成套開關(guān)設(shè)備在不同工況環(huán)境下的運(yùn)行表現(xiàn)及局部的缺陷、異常數(shù)據(jù)，特別是大電流(≥2.5 kA)開關(guān)設(shè)備在新材料生產(chǎn)領(lǐng)域，如單晶硅、藍(lán)寶石晶體生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在電流上升到一定閾值開關(guān)設(shè)備的噪音和振動變化顯著，通過物聯(lián)網(wǎng)獲取并累計到這方面的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，從對開關(guān)設(shè)備的鈑金件加強(qiáng)設(shè)計、不銹鋼和覆鋁鋅板材料的組合選擇及組裝形式進(jìn)行了優(yōu)化，收到了有益效果，現(xiàn)場應(yīng)用情況如圖3所示。

圖2 KYN28高壓配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)集成設(shè)計方案

圖3 KYN28-12物聯(lián)網(wǎng)集成設(shè)計在配電室內(nèi)的實際應(yīng)用

在應(yīng)用中，對表1設(shè)計采集的指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)采集，形成了歷史數(shù)據(jù)的趨勢曲線，可以通過配置把關(guān)聯(lián)關(guān)系的指標(biāo)分布在同一曲線窗口內(nèi)，如把電流、噪音、振動、溫度放在同一時間窗口期內(nèi)進(jìn)行分析，直觀地觀察相關(guān)規(guī)律及因素。

對采集錄入方式的采集指標(biāo)，借助云平臺廣域的互聯(lián)互通優(yōu)勢，提供手機(jī)端APP錄入，最終一并進(jìn)入數(shù)據(jù)庫與其它采集方式獲取的指標(biāo)融合，也可通過進(jìn)行趨勢曲線查看。

3.2 效 果

在KYN28-12配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備內(nèi)設(shè)置基于雙通道的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和可折疊天線，將分布在柜內(nèi)的振動、弧光、溫度、噪音等多種智能傳感器和電力儀表、智能操控等元器件采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時傳遞、數(shù)據(jù)存儲、簡單分析，同時與遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)配合實現(xiàn)配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比：

(1)解決了用戶電力配電設(shè)備大面積分布運(yùn)行不易集中管理、不易隨時評估分析、不易提前預(yù)防事故的局面，提升了終端電力配電室運(yùn)行的安全性和可靠性，特別是巡檢時間從1個月4次縮減為1個月1次，巡檢時間及運(yùn)維值班管理工作量明顯下降。

(2)有效地連續(xù)獲取影響開關(guān)柜健康運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)而對超標(biāo)特征進(jìn)行提前干預(yù)和消缺，有效預(yù)防高壓開關(guān)柜引起的電力事故，提升配電可靠性。

(3)解決了制造商對自己生產(chǎn)的設(shè)備在全生命周期內(nèi)的關(guān)注問題，可以有效地獲取產(chǎn)品在各種工況下運(yùn)行的指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)而提供研發(fā)層面的改進(jìn)，特別是大電流開關(guān)設(shè)備，進(jìn)而針對性改進(jìn)開關(guān)柜鈑金結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

本設(shè)計有別于傳統(tǒng)配電室局域網(wǎng)信息化管理，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)配網(wǎng)成套開關(guān)設(shè)備KYN28產(chǎn)品中的設(shè)計與應(yīng)用，將設(shè)備重要的運(yùn)行工況、指標(biāo)實時主動采集，結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、評估和預(yù)警等，能隨時隨地對開關(guān)設(shè)備健康狀況可視化，幫助終端用戶電力設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理；更可以幫助開關(guān)設(shè)備制造商獲取更多設(shè)備異常信息，改進(jìn)設(shè)備缺陷，從設(shè)計方面提升產(chǎn)品可靠性；更為重要得是提供了1種開關(guān)設(shè)備全生命周期管理的實現(xiàn)方法，尤其是對數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的PHM設(shè)備健康管理體的有效支撐，催生了基于數(shù)據(jù)的電力配電站精準(zhǔn)運(yùn)維服務(wù)新業(yè)態(tài)。