智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備研制應(yīng)用

寧夏力成電氣集團(tuán)有限公司 丁立科 馬立軍 申曉兵 曹建華

近年來(lái)隨著能源電力、“云大物移智”等技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用，電力系統(tǒng)逐步向以橫向多能源互補(bǔ)、縱向源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)為主要特征的能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)發(fā)展，同時(shí)電網(wǎng)公司提出向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略部署，提出打造樞紐型、平臺(tái)型、共享型企業(yè)、建設(shè)運(yùn)營(yíng)好堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。

各配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備制造企業(yè)在時(shí)代的發(fā)展方向下也積極推進(jìn)產(chǎn)品升級(jí)換代和智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的研制工作，大家都在積極地探索中不斷前進(jìn)，不斷完善著各自的傳統(tǒng)產(chǎn)品，使其能夠智能化，應(yīng)用安全可靠性性提高，配合國(guó)家電網(wǎng)做好、做實(shí)電力系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的配網(wǎng)產(chǎn)品，也是在為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)打定堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，“萬(wàn)物互聯(lián)”成為技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段將配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，將傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化，可進(jìn)一步地提高電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。尤其是以數(shù)據(jù)分析為目的，以可測(cè)、可控、可視、協(xié)同自愈為方向的智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備，逐步成為行業(yè)內(nèi)部對(duì)智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備重要的考評(píng)依據(jù)。

10kV 配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備KYN28-12金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備不僅廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各類(lèi)變電所以及發(fā)電廠、工礦企事業(yè)高壓配電當(dāng)中，占據(jù)著電力系統(tǒng)的半壁江山，而且其自身產(chǎn)品整體構(gòu)架特征、工作運(yùn)行環(huán)境和電壓等級(jí)在配網(wǎng)開(kāi)關(guān)行業(yè)極具代表性，這也就使其成為各開(kāi)關(guān)設(shè)備制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的首選產(chǎn)品。

寧夏力成電氣集團(tuán)有限公司研制的10kV 智能配網(wǎng)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備，采用雙通道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（4G 和NB-Iot）[1]，在開(kāi)關(guān)設(shè)備的相應(yīng)各項(xiàng)功能隔室內(nèi)配置在線導(dǎo)體溫度、弧光、噪音、灰塵傳感器，以及通過(guò)RS485方式將上述傳感器和網(wǎng)絡(luò)儀表、智能操控交互，自動(dòng)采集設(shè)備運(yùn)行工況（環(huán)境特征、機(jī)械特性、表象特征、電量特征）上傳到云平臺(tái)，利用平臺(tái)PHM（設(shè)備健康管理模型）對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)，從而使設(shè)備具備了運(yùn)行全生命周期內(nèi)（≤20年）的可測(cè)、可視，進(jìn)而使得產(chǎn)品智能化、管理科學(xué)化、運(yùn)行可靠性程度顯著提高。

1 研制過(guò)程

1.1 工業(yè)設(shè)計(jì)

智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)之初，通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)把傳統(tǒng)鈑金工藝與新材料、新技術(shù)融合應(yīng)用形成了智能配網(wǎng)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備。在原有成套開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)強(qiáng)化了五防閉鎖、電氣傳動(dòng)路徑防護(hù)，并在全系列產(chǎn)品中統(tǒng)一工業(yè)設(shè)計(jì)元素風(fēng)格。

工業(yè)設(shè)計(jì)中力求產(chǎn)品外觀造型簡(jiǎn)潔、大氣、莊重，在企業(yè)VI 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提煉并融入了“斜45度”一致性語(yǔ)言元素，特別是在產(chǎn)品整體形象設(shè)計(jì)、門(mén)板與上下坎部件設(shè)計(jì)、門(mén)鎖與拉手設(shè)計(jì)、絲印與LOGO 設(shè)計(jì)、銘牌與標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)、涂層材質(zhì)與工藝設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)計(jì)，形成配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備工業(yè)產(chǎn)品穩(wěn)重、大方的效果，充分體現(xiàn)出高端產(chǎn)品的科技感和強(qiáng)烈的企業(yè)特色，為產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)等提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架和基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)，為產(chǎn)品具備安全可靠、便捷維護(hù)、智能化的獨(dú)有技術(shù)特色起到重要的支撐作用，對(duì)產(chǎn)品的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.2 安全設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)尤為重要，產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的布局會(huì)影響到產(chǎn)品運(yùn)行性能。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備的功能單元檢修門(mén)相互獨(dú)立，各隔室門(mén)鎖相互獨(dú)立，若開(kāi)關(guān)設(shè)備任意隔室內(nèi)出現(xiàn)短路、電器元件漏電、線路接觸不良等，此時(shí)作業(yè)維修人員檢修時(shí)因無(wú)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)導(dǎo)致誤入帶電間隔，輕者損壞電器設(shè)備、重者發(fā)生觸電事故乃至使作業(yè)維修人員死亡。

此類(lèi)問(wèn)題歸根到底是產(chǎn)品安全性問(wèn)題，寧夏力成電氣集團(tuán)有限公司研制的10kV 智能配網(wǎng)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面安全性方面設(shè)計(jì)了后門(mén)聯(lián)鎖裝置U 型鎖扣和斜槽鎖扣實(shí)現(xiàn)反向閉鎖功能。提供了更為可靠的電纜室內(nèi)接地開(kāi)關(guān)連鎖機(jī)構(gòu)，使得其與后門(mén)、操作孔操作具備先后順序，即必須先接地開(kāi)關(guān)合閘、開(kāi)后門(mén)和必須先關(guān)閉后門(mén)、再接地開(kāi)關(guān)分閘的防誤閉鎖強(qiáng)制性手段，強(qiáng)化了成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的五防聯(lián)鎖，提高了產(chǎn)品安全性能。

圖1 智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備及連鎖機(jī)構(gòu)

10kV 智能配網(wǎng)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備通過(guò)機(jī)械電氣傳動(dòng)方式提升設(shè)備安全可靠性。主要是在設(shè)備斷路器室門(mén)板本體的內(nèi)側(cè)面的邊緣周增設(shè)一圈氣流泄壓式U 形槽，經(jīng)過(guò)U 形槽的緩沖使得噴射出的氣流壓力明顯低于斷路器室內(nèi)氣壓，高壓高熱氣體經(jīng)由門(mén)板與柜體邊框縫隙時(shí)的噴射速度顯著降低，可有效避免爆炸產(chǎn)生的高壓高熱氣體直接經(jīng)由門(mén)板與柜體邊框的縫隙噴射而出時(shí)對(duì)人體造成危害，提高產(chǎn)品安全性。

1.3 智能化集成應(yīng)用

在產(chǎn)品電氣和智能化設(shè)計(jì)中，10kV 智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備以RAM 為主控核心的雙通道物聯(lián)網(wǎng)模塊，借助4G 和NB 通訊技術(shù)，集保護(hù)、操控、測(cè)量、通信、顯示等功能一體化的綜合集成裝置，有利于開(kāi)關(guān)柜精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和接線、提升自組網(wǎng)、且兼容工業(yè)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)各類(lèi)技術(shù)協(xié)議集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能配電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

智能型成套開(kāi)關(guān)設(shè)備與工業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組合應(yīng)用，在為用戶開(kāi)放本地集中監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)外，更突出的特點(diǎn)是：通過(guò)本技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，可形成對(duì)遠(yuǎn)方配電系統(tǒng)上的智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備，在制造廠內(nèi)部的云數(shù)據(jù)平臺(tái)上，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、協(xié)調(diào)和運(yùn)維集成系統(tǒng)，可為缺少配電系統(tǒng)管理和運(yùn)維技術(shù)資源的用戶提供遠(yuǎn)程技術(shù)托管服務(wù)。

10kV 智能配網(wǎng)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)電力儀表具備電量采集通訊，符合Modbus-RTU 協(xié)議要求，在柜內(nèi)應(yīng)用振動(dòng)、弧光、噪音、污穢傳感器，電力儀表和傳感器最終通過(guò)RS485方式與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接，網(wǎng)關(guān)上行協(xié)議執(zhí)行MQTT。整體與基本的電力應(yīng)用、高電壓、電氣傳動(dòng)等的融合，形成了一種強(qiáng)電與弱電相匹配的智能技術(shù)成果。

通過(guò)設(shè)計(jì)研制工作，最終形成了10kV 智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備標(biāo)志性產(chǎn)品KYN28-12智能高壓交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備。此產(chǎn)品通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)把傳統(tǒng)鈑金工藝與新材料、新技術(shù)融合應(yīng)用形成的智能型配網(wǎng)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備，在產(chǎn)品電氣方面研制了配網(wǎng)設(shè)備用雙通道（4G/NB-iot）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，各功能隔室內(nèi)配置的導(dǎo)體溫度、弧光、噪音、灰塵等多種傳感器，以及電力儀表、智能操控裝置在線數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)品，形成了更為安全、美觀、新穎、智能的配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)品。

10kV 智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備使原有KYN28A-12高壓交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備基本的電氣性能、機(jī)械性能得到提升的同時(shí)，更創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)設(shè)備廣泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用，形成了一種弱電與強(qiáng)電相匹配的技術(shù)成果，達(dá)到高端化、智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目標(biāo)，為電力產(chǎn)品的智能遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)提供了強(qiáng)有力的底層數(shù)據(jù)采集支撐，并且融合PHM 設(shè)備預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)，使產(chǎn)品具備了故障預(yù)測(cè)、預(yù)警等功能。

一是實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備全壽命周期內(nèi)的可測(cè)、可預(yù)、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的智能化技術(shù)；二是實(shí)現(xiàn)了配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分析與診斷，及配電設(shè)備全生命周期預(yù)測(cè)性管理、維修、保養(yǎng)。做到在設(shè)備故障發(fā)生前，依據(jù)當(dāng)前設(shè)備需要維修狀態(tài)進(jìn)一步判斷是由于何種故障模式引起的設(shè)備健康水平的下降，從而對(duì)故障模塊或部件盡早進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別。

平臺(tái)能夠依據(jù)獲取的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，判斷當(dāng)前設(shè)備處于其性能退化過(guò)程中哪一種健康狀況，是正常態(tài)、性能下降態(tài)或某一功能失效態(tài)，估計(jì)當(dāng)前的狀態(tài)偏離正常態(tài)程度的大小；依據(jù)當(dāng)前裝備系統(tǒng)的健康狀況，監(jiān)測(cè)裝備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并故障預(yù)測(cè)，確定未來(lái)時(shí)間設(shè)備系統(tǒng)是否能正常完成其功能，并根據(jù)過(guò)去和現(xiàn)有的狀態(tài)預(yù)測(cè)出未來(lái)某時(shí)間的狀態(tài)，從而可做到故障的提前預(yù)警。

圖2 智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備采集、分析與預(yù)判研究

10kV 智能配網(wǎng)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)上的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)，提高配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和效率，是積極主動(dòng)響應(yīng)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的重要措施。在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備賦能該技術(shù)，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度和充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)用戶和電網(wǎng)均帶來(lái)有益效果。

2 產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

10kV 智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)品是企業(yè)根據(jù)市場(chǎng)需求，圍繞智能化、數(shù)字化、信息化、高端化、品牌化配網(wǎng)成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略方向而設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品，較原有產(chǎn)品從外觀上更具有現(xiàn)代性、科技感、時(shí)尚性，在性能上更為可靠、安全、智能。工藝上更符合高端電力裝備要求，更能為智能電力配網(wǎng)產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)支撐。目前該產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但產(chǎn)品后期的持續(xù)改進(jìn)和產(chǎn)品智能化程度的提高將還是我們制造企業(yè)持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。

同時(shí)企業(yè)智能配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)大大推動(dòng)了電力配電站遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)新業(yè)態(tài)的進(jìn)步和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備的異常預(yù)測(cè)、及時(shí)維保，提升了設(shè)備供電可靠性、使用壽命和產(chǎn)品在市場(chǎng)上核心競(jìng)爭(zhēng)力，也為制造企業(yè)向“制造+服務(wù)”型轉(zhuǎn)變奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

制造業(yè)智能化、互聯(lián)網(wǎng)化是新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的大趨勢(shì)，配電產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)工藝及加工手段體現(xiàn)出工業(yè)4.0的兩大特點(diǎn)：一是智能化；二是多批次小批量，定制生產(chǎn)滿足個(gè)性化需求。因此設(shè)計(jì)適合機(jī)器人流水化生產(chǎn)的組件式配網(wǎng)設(shè)備生產(chǎn)單元，并重新規(guī)劃產(chǎn)業(yè)鏈，將是配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。通過(guò)加工制造高度的可視化、自動(dòng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出產(chǎn)品的高效率、低成本目的。

3 結(jié)語(yǔ)

基于新一代信息技術(shù)（人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、傳感、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈）的迭代發(fā)展和國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)的要求[2]，配網(wǎng)成套設(shè)備行業(yè)開(kāi)展智能化和提升產(chǎn)品智能化技術(shù)的研究，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量是在市場(chǎng)中獨(dú)占鰲頭的必由之路，所以還有以下幾個(gè)方面需要企業(yè)去取長(zhǎng)補(bǔ)短。

配網(wǎng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域在智能方面的探索有了新的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用。配網(wǎng)開(kāi)關(guān)行業(yè)在變電所、樓宇及民用住宅等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用電腦、手機(jī)、電視等電子設(shè)備對(duì)配電站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全天候現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而降低配網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)投資成本。

產(chǎn)品組件模塊化、結(jié)構(gòu)組合化。研發(fā)適于配網(wǎng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用的模塊化配電成套產(chǎn)品組件，模塊化設(shè)計(jì)將使成套產(chǎn)品的制造過(guò)程大大簡(jiǎn)便，通過(guò)不同模塊積木式的組合，使各功能單元獲得不同的附加功能，從而形成有機(jī)結(jié)合的整體。組合化的成套產(chǎn)品使得不同功能的單元組合在一起，有利于外形結(jié)構(gòu)更緊湊，提高空間利用率，減少線路中所需的元件品種，并使“強(qiáng)電”和“弱電”保護(hù)特性及應(yīng)用功能得到良好的配合。

零部件通用化。不同產(chǎn)品單元或不同功能組件實(shí)現(xiàn)零部件通用化，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，對(duì)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)將大大減小產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本并減少零部件的庫(kù)存量，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)也便于維修和互換。

配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維。通過(guò)配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維可實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)終端用戶用電維護(hù)難、專(zhuān)業(yè)人員不足、故障排除不及時(shí)等問(wèn)題，充分發(fā)揮配網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備設(shè)備智能化應(yīng)用與電力大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的用電體驗(yàn)，符合人們對(duì)高可靠、安全、綠色、經(jīng)濟(jì)電力能源的需求。