涂福榮 陳曉捷 朱秀琴

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

開關柜是電網(wǎng)中的重要一次設備，其可靠性是電網(wǎng)安全的重點保障環(huán)節(jié)［1-2］。開關柜內(nèi)斷路器、高壓線纜接頭、刀閘開關等重要設備在長期運行中可能出現(xiàn)設備老化、表面氧化、腐蝕、緊固螺栓松動等問題。加上很多電力設備長期處于高負荷運行狀態(tài)，容易引發(fā)溫度異常。如不及時發(fā)現(xiàn)處理，可能引起熔融、燃燒甚至爆炸等安全事故［3-5］。因此，研究具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的開關柜在線監(jiān)測系統(tǒng)，對提高開關柜設備可靠性、提高設備的使用效率、減少斷電停機時間、降低運營成本具有重要的意義。

1 數(shù)字化開關柜設備在線監(jiān)測系統(tǒng)的結構和原理

開關柜數(shù)字化的關鍵在于對其設備狀態(tài)進行在線監(jiān)測和健康診斷，由傳統(tǒng)的被動預防向主動預測轉(zhuǎn)變，提前發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷和故障并有計劃的安排維修，從而減少非計劃停電［6］。

數(shù)字化開關柜設備在線監(jiān)測系統(tǒng)包括采集單元、監(jiān)測單元、控制單元、開關柜IED、資產(chǎn)健康管理平臺五個部分。采集單元通過先進的傳感器技術，獲取運行設備的關鍵參數(shù)；監(jiān)測單元包含母排/觸頭溫度監(jiān)測子單元、斷路器機械特性監(jiān)測子單元；控制單元包含手車控制子單元、刀閘控制子單元、防誤閉鎖控制子單元；開關柜IED符合標準Modbus通信協(xié)議與資產(chǎn)健康管理平臺互聯(lián)；資產(chǎn)健康管理平臺在收集到設備健康數(shù)據(jù)后，依靠集成在平臺內(nèi)的上述算法模型將數(shù)據(jù)進行實時的分析診斷，結合出廠數(shù)據(jù)、歷史趨勢有效地發(fā)現(xiàn)潛在風險，建立開關設備健康狀況的檔案，為設備失效預測提供在線診斷和分析的依據(jù)，最終給用戶提供設備健康診斷情況，并提供有針對性的設備維護建議。從而實現(xiàn)物、服務與人互聯(lián)的智能物聯(lián)網(wǎng)的完整解決方案，達到提前預警、預防、治理，減少非計劃停電時間降低運營成本，以及節(jié)能減排的目的。其結構原理圖見圖1。

2 數(shù)字化開關柜設備在線監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

2.1 監(jiān)測單元

2.1.1 開關柜無線測溫在線監(jiān)測

無線測溫在線監(jiān)測用于開關柜內(nèi)關鍵點運行溫度的在線監(jiān)測，有效解決開關觸點和母排、電纜連接處等關鍵部位老化、接觸不良或過載引起過熱導致設備損毀的問題。在完全不影響電力設備絕緣和安全性能的前提下，實現(xiàn)電力設備關鍵結點實施溫度監(jiān)控的需求。

動態(tài)溫度監(jiān)測。動態(tài)溫度監(jiān)測子單元主要用于監(jiān)測開關觸頭的溫度，遵循體積小、絕緣性能好、可靠性高、成本低的原則，采用Zigbee無線測溫技術［4］和內(nèi)嵌技術。溫度傳感器與接收單元完全隔離，保障運行安全；將測溫模塊嵌入高壓部件，電場均勻，對絕緣無影響；高可靠的測溫傳感器其工作溫度范圍應遠高于測量部位導體最高溫升，確保監(jiān)測設備的高可靠性和工作壽命。

溫度監(jiān)測子單元可對關鍵部件（斷路器觸頭、電纜接頭）進行溫度監(jiān)測，超溫報警，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障點。

2.1.2 斷路器機械特性在線監(jiān)測

斷路器機械特性監(jiān)測子單元能夠?qū)崟r監(jiān)測與采集斷路器運行狀態(tài)參數(shù)，從而監(jiān)測斷路器從操作指令至動作完成的全過程機械特性，包括合分閘時間、速度、運動行程等。通過數(shù)學模型分析，將采集到的斷路器的機械特性通過機器算法得出設備的整體健康狀態(tài)指數(shù)，當存在故障風險時，自動推送預警信息和設備健康常規(guī)年度試驗的機械特性檢測。

2.1.3 儲能電機及分合閘線圈電氣特性在線監(jiān)測

儲能電機及分合閘線圈電氣特性在線監(jiān)測子單元采用非介入式霍爾傳感器對電流曲線進行在線監(jiān)測。使得測量回路與控制回路完全物理隔離，不影響開關柜的操作回路。最后，基于設備的數(shù)學模型對所采集的數(shù)據(jù)進行分析診斷。

2.2 控制單元

2.2.1 斷路器手車電動操作

斷路器手車的電機驅(qū)動機構是通過在斷路器車底盤上增設電機驅(qū)動機構，驅(qū)動機構內(nèi)馬達帶動整個傳動機構運行完成斷路器手車電動搖進/搖出的操作。當馬達停轉(zhuǎn)或失效時，離合機構自動分離，芯軸的運動脫離蝸輪蝸桿傳動，隨時可以采用手動搖進/搖出手車。通過控制子單元作為斷路器手車電動操作的控制器，其同電動手車相連接，可根據(jù)指令控制電機實現(xiàn)斷路器手車的電動搖進、搖出。同時，系統(tǒng)可實時監(jiān)測并判斷電機是否工作正常。當電機運行受阻達到保護條件時，立即對電機制動，隨后逆向驅(qū)動電機解除卡死。電動手車控制器能監(jiān)測每一次操作斷路器手車過程中，電機運轉(zhuǎn)的電流平均值和峰值以及搖入、搖出時間，為智能電機驅(qū)動及保護提供可靠數(shù)據(jù)。同時可采集如下信號：①斷路器手車電動搖入搖出；②電動操作防堵轉(zhuǎn)保護；③斷路器手車電動搖入/出操作時間、電流。

在五防閉鎖邏輯上應滿足：僅當開關柜斷路器室門處于關閉狀態(tài)，斷路器方可進行搖進/搖出操作；僅當斷路器處于試驗位置時柜門才可以被打開；斷路器搖進/搖進操作過程中或斷路器處于工作位置時柜門不能被打開。

2.2.2 接地開關電動操作

接地開關電動操作是通過電機驅(qū)動接地開關操作桿的傳動，從而實現(xiàn)接地刀閘的合閘和分閘操作。其結構應具備以下特點：①利用離合器對傳動系統(tǒng)隨時分離或接合；②當馬達正常工作時，蝸輪蝸桿配合傳動，促使離合機構聯(lián)接，帶動整個傳動機構運行，使操作桿傳動，完成合閘或分閘的操作；③當馬達停轉(zhuǎn)或失效時，操作離合機構分離，芯軸的運動脫離蝸輪蝸桿傳動，隨時可以采用手動合閘或分閘的操作。

在“五防”上，通過電氣聯(lián)鎖實現(xiàn)僅當斷路器手車處于隔離/試驗位置時，實現(xiàn)接地刀閘的電動分、合閘操作；且接地刀閘電動操作和手動操作應互為閉鎖。通過控制子單元可根據(jù)指令控制電機實現(xiàn)地刀電動關合、斷開。同時采集如下信號：①接地開關電動操作；②電動操作防堵轉(zhuǎn)保護；③接地開關電動合/分閘操作時間、電流。

2.2.3 開關柜柜內(nèi)視頻在線監(jiān)視子系統(tǒng)

視頻在線監(jiān)視子系統(tǒng)主要由視頻服務器、帶補光的廣角攝像頭、網(wǎng)絡交換機、視頻監(jiān)視終端組成。在柜內(nèi)的視頻采集攝像頭主要用于斷路器、接地開關、電纜搭接處的狀態(tài)進行監(jiān)視。視頻服務器通過以太網(wǎng)通訊將視頻文件發(fā)送至視頻顯示終端。

采用自帶補光LED燈的廣角攝像頭即使在封閉無光的柜內(nèi)環(huán)境也能清晰捕捉開關狀態(tài)。當遠程操作開關設備時無需派人前往現(xiàn)場確認開關是否動作到位，為一鍵順控操作提供“雙確認”輔助依據(jù)，真正實現(xiàn)變電站的無人值守。在提高工作效率的同時也節(jié)省了人員配置，提高了安全性。

視頻在線監(jiān)視系統(tǒng)的工作方式：當操作某臺開關柜之前，可先從視頻監(jiān)視終端調(diào)出該開關柜所有監(jiān)視的視頻畫面，然后再進行斷路器手車或接地刀的操作，在線監(jiān)視開關的動作情況。視頻調(diào)用一定時間后如無更多操作可延時自動停止攝像頭工作，以延長攝像頭使用壽命。當需要遠程巡檢時，也可以通過調(diào)用視頻對開關柜進行視頻巡檢，視頻畫面的顯示序列和操作監(jiān)視的序列一致。

后臺監(jiān)視主機可查看開關柜監(jiān)視視頻并對所有訪問視頻進行存儲。同時提供遠方訪問（RTSP視頻流方式）開關柜所有監(jiān)視的視頻畫面的功能，并對所有訪問視頻進行存儲。

另外，增加開關柜視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，開關柜結構方面應滿足國標的設計要求，且不能改變開關柜原有結構和存在對設備造成傷害的因素；各個探頭的走線布置應完全滿足視頻監(jiān)測裝置在中壓開關設備的安全運用要求。

2.3 開關柜IED

開關柜IED用以接收各監(jiān)測子單元采集到的數(shù)據(jù)，如高壓斷路器母線/觸頭溫度等數(shù)據(jù)、斷路器機械特性、分合閘線圈電流、視頻監(jiān)控信息等，將這些數(shù)據(jù)通過標準Modbus通信協(xié)議傳送到資產(chǎn)信息管理平臺，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和診斷功能。另外，開關柜IED應滿足電磁兼容的要求。

2.4 資產(chǎn)健康管理平臺

資產(chǎn)健康管理中心在收集到開關柜溫度和斷路器機械特性的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，可以通過就地HMI人機界面看到溫度、機械特性參數(shù)信息，通過通信接口實現(xiàn)如下功能：控制中心在收到溫度、機械特性異常預警時，可以實時監(jiān)測每個溫度監(jiān)測點的溫升情況和斷路器的機械工況。

資產(chǎn)健康管理中心依據(jù)開關設備的溫升模型分析開關設備當前的運行溫升情況是否正常；依據(jù)斷路器的運動機理模型分析斷路器機械部件的工作狀況。最后，在開關柜設備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫及設備缺陷、故障案例樣本數(shù)據(jù)庫的基礎上，結合運行電流、出廠數(shù)據(jù)、歷史趨勢有效地發(fā)現(xiàn)潛在風險，建立設備健康狀況的檔案，為設備失效預測提供在線診斷和分析的依據(jù)，提出設備維護建議，降低非預期性故障停電概率。

3 結論

本文提出的數(shù)字化開關柜在線監(jiān)測系統(tǒng)設計及配置方案具有開關設備狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷等特點。該方案可實現(xiàn)開關柜溫度、機械特性、電流等主要參數(shù)的實時在線監(jiān)測；開關柜一鍵順控及可視化校驗；變電設備狀態(tài)實時預警、設備缺陷自動分析、處理策略主動推送等功能，形成基于多物理量感知的變電設備狀態(tài)智能研判預警機制。達到延長開關柜的使用壽命、提高安全性、提升供電水平、提高運維效率、減少人員配置的目的。