邊緣物聯(lián)終端在智能化開關柜中的應用

毋炳鑫，黃利軍，王坤，魏勇，李俊剛

（許繼集團研發(fā)中心，河南 許昌 461000）

0 引言

近年來，開關柜在長期運行中由于柜內(nèi)開關的機械特性可能存在一定的偏移，開關的觸頭，母線連接和電纜連接處等部位因制造、運輸、安裝不良、接觸面氧化、老化等原因?qū)е陆佑|面電阻過大而發(fā)熱［1-5］。這些性能特征及溫度如果沒有監(jiān)測，得不到及時檢修及維護，則常常會引起開關柜拒動誤動，使得開關柜故障擴大，甚至導致開關柜爆炸及大面積停電；溫升過高也會導致設備燒毀甚至引發(fā)火災，造成極大的損失［6-12］。有關統(tǒng)計表明，變電站維護費用的一半以上是用在高壓斷路器上，而其中60%用于斷路器的小修和例行檢修［13-16］。另外，傳統(tǒng)的開關柜每增加一項功能，就會增加相應的傳感器以及采集單元，并且所有信息都要上傳到后臺進行分析控制，既增加了開關柜的成本，造成開關柜設備室空間狹小及布線困難，也存在傳感器采集信息的多維重疊問題。一條信息可能由兩個或多個傳感器同時上報，但由于不同廠家，不同算法做出來的分析結果可能存在差異，給后臺處理分析帶來一定的難度，同時對網(wǎng)絡通信造成很大的壓力，一旦出現(xiàn)通信網(wǎng)絡問題，就有可能無法進行快速故障處理及薄弱點分析［17-22］。因此，當下亟需采用多維度傳感器及具有軟件定義終端功能的物聯(lián)（Internet of Things，IoT）［23-27］終端對開關柜內(nèi)部斷路器動靜觸頭的溫度、母線連接狀態(tài)、柜內(nèi)溫度、刀閘運行狀態(tài)、設備絕緣老化程度、操動機構機械特性等進行監(jiān)測分析，配合云端技術，實現(xiàn)云邊協(xié)同，在滿足當下開關柜監(jiān)測分析需要的情況下，同時又能靈活配置增加新的業(yè)務功能，可有效提升開關柜的智能運維水平，提高設備運行壽命。

1 基于物聯(lián)終端的智能開關柜應用架構

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在電力行業(yè)的快速發(fā)展，物聯(lián)終端及云平臺技術逐步成熟，邊緣物聯(lián)終端支持開關柜感知數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集與管理，能夠兼容多種感知終端，實現(xiàn)感知終端快速接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，同時屏蔽不同廠家通信協(xié)議、通信接口、操作系統(tǒng)等接入的差異性，與開關設備協(xié)同工作，實時監(jiān)測開關設備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)開關設備電氣量采集、環(huán)境溫濕度監(jiān)測、重要節(jié)點溫度監(jiān)控、局部放電監(jiān)測、視頻識別等智能化功能。物聯(lián)網(wǎng)終端運用智能分析技術對設備的運行狀態(tài)進行實時評估，監(jiān)測、預警，實現(xiàn)由定期檢修到狀態(tài)預警檢修的轉變，提高了運維的質(zhì)量和效率。

智能化開關柜物聯(lián)終端應用架構如圖1所示。

圖1 智能化開關柜物聯(lián)終端應用架構Fig.1 Application architecture of IoT terminal of intelligent switchgear

開關柜物聯(lián)終端應用架構分為感知層、邊緣層、網(wǎng)絡層以及應用層。其中“感知層”設備采用技術成熟且經(jīng)濟性較好的傳感器單元（溫度監(jiān)測、濕度檢測、視頻監(jiān)視等），為開關設備智能化提供不間斷監(jiān)視控制，達到多維監(jiān)管智能化?！斑吘墝印眲t是邊緣物聯(lián)終端設備，其具備信息采集、物聯(lián)代理及邊緣計算功能，對下可實現(xiàn)不同通信接口和通信協(xié)議的傳感器數(shù)據(jù)接入，統(tǒng)一轉換為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，上送物聯(lián)網(wǎng)平臺?！熬W(wǎng)絡層”設備主要是邊緣物聯(lián)終端對上通信到云主站的方式，采用有線或者4G、5G無線通信方式。“平臺層”則是智能運維云平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)整個接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入處理以及云端服務等。

2 開關柜物聯(lián)終端軟件體系架構

邊緣物聯(lián)終端基于物聯(lián)網(wǎng)型通用的軟件定義終端體系架構，采用硬件平臺化和軟件APP化設計理念，融合應用了物聯(lián)感知、通信、邊緣計算、人工智能、信息安全及芯片國產(chǎn)化等技術。開關柜智能化建設采用傳感技術、多通道通信與組網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)庫技術和服務器技術等，形成一套基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)，邊緣物聯(lián)終端的邊緣計算協(xié)同云平臺計算、分析和預警，實現(xiàn)對開關柜無間斷、全覆蓋、全數(shù)字自動化的實時記錄、分析，將實時監(jiān)測的開關設備運行狀態(tài)上送給物聯(lián)管理系統(tǒng)平臺，同時，由于采用了軟件定義終端的架構，可以靈活擴展業(yè)務應用，只需在云平臺上增加相應的業(yè)務應用APP，然后下裝到物聯(lián)終端里，終端就增加了相應的邏輯分析功能，大大減少了工程配置，同時多維監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行采集，在特定時間段，進行數(shù)據(jù)采集對時，保證本地收集數(shù)據(jù)及上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一時標進行數(shù)據(jù)分析整合及一致性管理。邊緣物聯(lián)終端軟件應用架構如圖2所示。

圖2 邊緣物聯(lián)終端軟件應用架構Fig.2 Edge IoT terminal software application architecture

邊緣物聯(lián)終端采用雙核系統(tǒng)，將實時操作和非實時操作進行分塊存儲分析處理，含控制保護及運行狀態(tài)分析功能的在實時操作系統(tǒng)里進行，含統(tǒng)計、預測以及綜合診斷功能的在非實時操作系統(tǒng)里進行處理，既滿足了運行控制要求，又滿足了運維分析要求，同時邊緣物聯(lián)終端由于采用了軟件定義終端架構，可以靈活擴展業(yè)務，實現(xiàn)功能模塊的即插即用。

邊緣物聯(lián)終端軟件分為操作系統(tǒng)層、系統(tǒng)平臺層及應用軟件層。操作系統(tǒng)層采用安全加固的Linux嵌入式操作系統(tǒng)，集成selinux核心功能，屏蔽了硬件差異，支撐上層云平臺應用APP的獨立開發(fā)及運行，業(yè)務數(shù)據(jù)流和管理數(shù)據(jù)流分離，提供了統(tǒng)一標準的外部及內(nèi)部資源調(diào)用接口，實現(xiàn)了上層應用于底層硬件的解耦；系統(tǒng)平臺層主要實現(xiàn)終端硬件資源的封裝，提供ESDK服務，以mqtt方式與宿主機及容器內(nèi)的應用進行數(shù)據(jù)交互；提供物聯(lián)管理代理IotProxy服務，實現(xiàn)與物管平臺的對接，包括設備連接、認證、容器、應用管理等功能；提供SecProxy安全代理服務，實現(xiàn)管理通道及業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸通道的加密認證服務，應用層無需關注安全相關細節(jié)，容器采用LXC容器技術，并行運行數(shù)不小于4，以各個應用APP（例如：開關柜環(huán)境采集APP、母線測溫APP、斷路器測溫APP、電纜測溫APP、局放監(jiān)測APP、視頻采集APP、環(huán)境溫濕度調(diào)節(jié)APP、斷路器機械特性分析APP、局放分析監(jiān)測APP、設備溫升預估APP）等來實現(xiàn)業(yè)務功能，通過模塊化的軟件功能組合，提高功能APP間的獨立性，可實現(xiàn)業(yè)務橫向隔離。應用平臺層主要負責基于容器、滿足微應用開發(fā)規(guī)范的App開發(fā)，封裝，虛擬鏡像生成等功能。邊緣物聯(lián)終端支持多種遠程和本地通信，支持MQTT、HTTP等多類通信協(xié)議，為開關柜物聯(lián)傳感設備的接入提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。

3 開關柜傳感布局分析

開關柜邊緣物聯(lián)終端監(jiān)測的信息目前包含開關柜母線觸頭溫度、電纜溫升、開關柜局放、能電機電流、脫扣器電流、環(huán)境溫濕度及地刀閘視頻圖像信息等，同時進行傳感信息的邊緣計算分析，并評估開關柜健康狀況以及對早期故障進行及時分析、評估、預警，并靈活支持未來功能的擴展布置，開關柜邊緣物聯(lián)終端傳感信息采集模型如圖3所示。

圖3 開關柜邊緣物聯(lián)終端傳感信息采集模型Fig.3 Sensing information acquisition model of edge IoT terminal

開關柜內(nèi)部一般采用9點或12點關鍵部位測溫方案，分別安裝于母排，斷路器上、下觸頭銅排連接處，電纜接頭位置（如圖3中的①、②和③位置），邊緣物聯(lián)終端通過邊緣計算方式結合三相CT電流采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三相溫度不平衡、溫度與負荷關系曲線、溫升等判別，進行預警、告警及未來發(fā)展趨勢的預測；在電纜室安裝一個測溫天線，在斷路器室兩個側壁安裝兩個測溫天線，溫度讀取器安裝在儀表室，與電源模塊一起通過導軌固定，實現(xiàn)開關柜各室溫的監(jiān)測管理；局放傳感器安裝在電纜室后柜門，通過銅軸線接到采集終端，局放采集終端安裝在儀表室，通過導軌固定；接地斷路器和底盤車的控制器安裝在儀表室；溫濕度傳感器分別安裝在電纜室和斷路器室，通過導軌固定在柜體側壁，而加熱器固定在柜體隔室內(nèi)的對面?zhèn)缺?；攝像頭需自帶補光，分別安裝在斷路器室上封板處和接地斷路器下面的底板處，激光傳感器安裝在斷路器室的底板上，接地斷路器上的激光傳感器通過固定板安裝在柜體側壁，觸發(fā)擋板安裝在接地斷路器的旋轉主軸上。

4 開關柜物聯(lián)終端典型微應用分析

邊緣物聯(lián)終端具備信息采集、物聯(lián)代理及邊緣計算功能，完成開關柜感知數(shù)據(jù)采集處理、邊緣計算，實現(xiàn)對設備的全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應用，同時建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力設備的狀態(tài)感知、狀態(tài)可視、狀態(tài)運維和安全可控，從而達到“智能裝備、智慧運行”，并將數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一上傳至主站、云平臺。目前，邊緣物聯(lián)終端針對開關柜的典型微應用分析評估包含開關柜絕緣狀態(tài)分析評估、溫升狀態(tài)分析評估、機械特性壽命預測、環(huán)境溫濕度分析評估、電氣量測量分析等功能，如圖4所示。

圖4 開關柜微應用服務框架Fig.4 Switchgear micro-application service framework

4.1 開關柜物聯(lián)終端微應用云-邊協(xié)同

邊緣物聯(lián)終端采用軟件定義終端的架構模式，與物聯(lián)終端管理云平臺進行云邊協(xié)同工作，物聯(lián)終端管理云平臺如圖5所示。

由圖5可知，開關柜物聯(lián)終端管理云平臺包含終端管理、容器管理、應用管理、I/O設備管理等功能，其中應用管理中包含更新、下載以及業(yè)務配置的各種應用APP，業(yè)務應用人員只需將物聯(lián)終端所需要的APP下載到特定的物聯(lián)終端中，那么該終端就具備了相應的功能，可靈活實現(xiàn)功能模塊的即插即用，更能滿足未來開關柜智能化建設中不斷更新變化的需求。

圖5 開關柜物聯(lián)終端管理云平臺Fig.5 IoT terminal management cloud platform of Switchgear

4.2 開關柜溫濕度控制微應用

開關柜溫濕度控制APP微應用實現(xiàn)對開關柜斷路器室環(huán)境溫濕度傳感采集及數(shù)據(jù)分析，當斷路器室溫度大于柜頂風機設定溫度定值，同時溫度自動控制字投入情況下，邊緣物聯(lián)終端就啟動柜頂散熱風機進行降溫處理，當溫度下降到設定的低溫時則聯(lián)動停止風機，開關柜濕度控制邏輯與溫度控制類似，溫濕度邏輯控制如圖6所示。

圖6 溫濕度控制微應用邏輯示意Fig.6 Temperature and humidity control micro application logic schematic

4.3 開關柜機械特性及壽命評估微應用

開關柜機械特性在線監(jiān)測通過斷路器分合閘以及儲能電機監(jiān)測單元直接對分合閘線圈動作時以及儲能電機的電流進行檢測，同時利用行程/振動監(jiān)測單元的振動信息圖譜進行開關動作特性的比較分析，通過對電流波形的分析診斷判斷斷路器是否存在內(nèi)部潛在缺陷。斷路器分、合閘線圈的電流是其機械特性的反應之一，斷路器使用壽命與分、合閘操作次數(shù)有關，尤其是開斷電流的大小造成的影響，是其壽命的一個重要參數(shù)，智能物聯(lián)終端通過對斷路器分閘次數(shù)的統(tǒng)計，區(qū)分故障分閘和操作分閘，通過繪制其電流曲線，可以判定其基本狀態(tài)，建立分合閘線圈電流波形（線圈匝間短路、機械動作速度、輔助開關切換不良、分合閘鐵心啟動卡澀、脫口位置一致性差、分閘速度衰退、控制回路端子虛接、脫扣器卡澀、電磁鐵運動距離過小、電磁鐵閥芯卡澀、輔助開關切除過早、彈簧疲軟、分合閘行程不到位、開關拉?。┑葘＜覉D庫，為運維檢修提供數(shù)據(jù)參考。圖7為開關柜機械特性及壽命評估微應用分析圖。

圖7 開關柜機械特性及壽命評估微應用分析圖Fig.7 Micro-application analysis diagram of mechanical characteristics and life assessment of switchgear

《10 kV 智能化金屬鎧裝移開式開關柜技術需求（試行）》［28］對開關柜機械壽命要求如下：電動手車機械操作壽命，3 000 次；電動接地斷路器機械操作壽命，3 000 次。邊緣物聯(lián)終端通過對電動手車斷路器以及接地斷路器斷路器的分合閘次數(shù)進行分別操作統(tǒng)計，然后與規(guī)定的機械壽命次數(shù)進行對比分析，當占比達到95%時，進行斷路器機械壽命預警，支撐設備運行服務。邊緣物聯(lián)終端機械壽命預測分析邏輯如圖8所示。

圖8 斷路器機械壽命分析微應用邏輯示意圖Fig.8 Micro-application analysis diagram of mechanical life evaluation of breaker

4.3.1 開關柜局放監(jiān)測評估微應用

圖9為開關柜局放微應用邏輯示意圖。

圖9 開關柜局放微應用邏輯示意圖Fig.9 Logic diagram of switchgear partial discharge micro application

開關柜局部放電是指當高壓電氣設備外加高電壓時，絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但還未形成固定放電通道的放電現(xiàn)象。造成局部放電的原因有很多，主要包括制造缺陷，如絕緣材料中的氣泡和雜質(zhì)；維修工作造成的機械損傷；污穢；絕緣系統(tǒng)設計缺陷；磨損與老化等。其中絕緣故障是導致高壓電纜，開關柜損壞和安全事故的首要原因，局放監(jiān)測是發(fā)現(xiàn)早期絕緣故障的主要手段。局部檢測系統(tǒng)可分為局放傳感器（空間局放傳感器、柜體局放傳感器）、局放采集裝置兩部分組成。局放采集裝置通過銅軸電纜接收空間特高頻信號，并通過LORA等通信方式與地電波等局放傳感器數(shù)據(jù)通信，收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣計算匯總后傳送到邊緣物聯(lián)終端進行局放分析評估給出注意態(tài)、異常態(tài)、嚴重態(tài)、正常態(tài)，支撐開關柜智能運維工作。

4.3.2 溫升評估微應用

開關柜溫升過高帶來的氧化腐蝕，會加速導致接觸電阻增加，進而加速溫升，形成惡性循環(huán)，從而導致設備損壞，發(fā)生爆炸等嚴重情況。使用溫升差正常值、溫升差注意值、溫升異常值將相間的溫升差劃分為4個檔位：［0 K ～溫升差正常值］為正常；定義［溫升差正常值～溫升差注意值］為注意；定義［溫升差注意值 ～溫升異常值］為異常；定義［溫升異常值 ～∞ K］為嚴重。各相間溫升差值均判別、顯示各點和各相溫升評估狀態(tài)。一般情況下，溫升差正常值、溫升差注意值、溫升異常值這3個定值的整定值分別取為4 K、8 K、12 K。開關柜溫升評估微應用邏輯如圖10所示。

圖10 開關柜溫升評估微應用邏輯示意Fig.10 Schematic diagram of micro-application logic for temperature rise evaluation of switchgear

4.3.3 斷路器及接地斷路器視頻狀態(tài)分析微應用

開關柜物聯(lián)終端通過采集柜內(nèi)斷路器室及電纜室視頻數(shù)據(jù)進行視頻圖像處理分析，如表1和圖11所示。判斷手車斷路器以及接地斷路器當前分、合狀態(tài)，按照雙點遙信方式實時顯示當前位置狀態(tài)，從而支撐運維人員的精準運維。

表1 開關柜狀態(tài)識別Tab.1 Switchgear status identification

圖11 物聯(lián)終端視頻微應用分析圖Fig.11 IoT terminal video micro-application analysis diagram

5 結語

在開關柜智能化、物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展趨勢下，本文以邊緣物聯(lián)終端為核心，給出了開關柜邊緣物聯(lián)終端軟件定義終端體系架構，該體系架構可實現(xiàn)邊緣物聯(lián)終端與云平臺的云-邊協(xié)同，靈活實現(xiàn)開關柜新增功能需求。文章針對開關柜傳感信息布局采用多種傳感器進行了詳細的分析描述，構成了以邊緣物聯(lián)終端為核心的開關柜感知數(shù)據(jù)采集、分析、預判和處理體系架構，構建了面向開關柜各類應用場景下邊緣計算微應用，開展并設計了開關柜環(huán)境溫濕度監(jiān)控微應用、局放監(jiān)測分析微應用，接地斷路器視頻分析確認微應用、設備關鍵點溫升評估微應用等功能服務，可為開關柜智能化建設提供支撐。方案推廣應用后，不但能夠使開關柜智能化得到有效提高，助力精益運維，同時可以提高設備精益化管理水平。