毋炳鑫，黃利軍，王坤，魏勇，李俊剛

（許繼集團(tuán)研發(fā)中心，河南 許昌 461000）

0 引言

近年來，開關(guān)柜在長期運(yùn)行中由于柜內(nèi)開關(guān)的機(jī)械特性可能存在一定的偏移，開關(guān)的觸頭，母線連接和電纜連接處等部位因制造、運(yùn)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(shí)檢修及維護(hù)，則常常會引起開關(guān)柜拒動誤動，使得開關(guān)柜故障擴(kuò)大，甚至導(dǎo)致開關(guān)柜爆炸及大面積停電；溫升過高也會導(dǎo)致設(shè)備燒毀甚至引發(fā)火災(zāi)，造成極大的損失［6-12］。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，變電站維護(hù)費(fèi)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(guān)柜每增加一項(xiàng)功能，就會增加相應(yīng)的傳感器以及采集單元，并且所有信息都要上傳到后臺進(jìn)行分析控制，既增加了開關(guān)柜的成本，造成開關(guān)柜設(shè)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(shí)上報(bào)，但由于不同廠家，不同算法做出來的分析結(jié)果可能存在差異，給后臺處理分析帶來一定的難度，同時(shí)對網(wǎng)絡(luò)通信造成很大的壓力，一旦出現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)問題，就有可能無法進(jìn)行快速故障處理及薄弱點(diǎn)分析［17-22］。因此，當(dāng)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(guān)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(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備絕緣老化程度、操動機(jī)構(gòu)機(jī)械特性等進(jìn)行監(jiān)測分析，配合云端技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同，在滿足當(dāng)下開關(guān)柜監(jiān)測分析需要的情況下，同時(shí)又能靈活配置增加新的業(yè)務(wù)功能，可有效提升開關(guān)柜的智能運(yùn)維水平，提高設(shè)備運(yùn)行壽命。

1 基于物聯(lián)終端的智能開關(guān)柜應(yīng)用架構(gòu)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力行業(yè)的快速發(fā)展，物聯(lián)終端及云平臺技術(shù)逐步成熟，邊緣物聯(lián)終端支持開關(guān)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(shí)現(xiàn)感知終端快速接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，同時(shí)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(guān)設(shè)備協(xié)同工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備電氣量采集、環(huán)境溫濕度監(jiān)測、重要節(jié)點(diǎn)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(yùn)用智能分析技術(shù)對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評估，監(jiān)測、預(yù)警，實(shí)現(xiàn)由定期檢修到狀態(tài)預(yù)警檢修的轉(zhuǎn)變，提高了運(yùn)維的質(zhì)量和效率。

智能化開關(guān)柜物聯(lián)終端應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

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

開關(guān)柜物聯(lián)終端應(yīng)用架構(gòu)分為感知層、邊緣層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。其中“感知層”設(shè)備采用技術(shù)成熟且經(jīng)濟(jì)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(guān)設(shè)備智能化提供不間斷監(jiān)視控制，達(dá)到多維監(jiān)管智能化?！斑吘墝印眲t是邊緣物聯(lián)終端設(shè)備，其具備信息采集、物聯(lián)代理及邊緣計(jì)算功能，對下可實(shí)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(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，上送物聯(lián)網(wǎng)平臺?！熬W(wǎng)絡(luò)層”設(shè)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(yùn)維云平臺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入處理以及云端服務(wù)等。

2 開關(guān)柜物聯(lián)終端軟件體系架構(gòu)

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(gòu)，采用硬件平臺化和軟件APP化設(shè)計(jì)理念，融合應(yīng)用了物聯(lián)感知、通信、邊緣計(jì)算、人工智能、信息安全及芯片國產(chǎn)化等技術(shù)。開關(guān)柜智能化建設(shè)采用傳感技術(shù)、多通道通信與組網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和服務(wù)器技術(shù)等，形成一套基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，邊緣物聯(lián)終端的邊緣計(jì)算協(xié)同云平臺計(jì)算、分析和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜無間斷、全覆蓋、全數(shù)字自動化的實(shí)時(shí)記錄、分析，將實(shí)時(shí)監(jiān)測的開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)上送給物聯(lián)管理系統(tǒng)平臺，同時(shí)，由于采用了軟件定義終端的架構(gòu)，可以靈活擴(kuò)展業(yè)務(wù)應(yīng)用，只需在云平臺上增加相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用APP，然后下裝到物聯(lián)終端里，終端就增加了相應(yīng)的邏輯分析功能，大大減少了工程配置，同時(shí)多維監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行采集，在特定時(shí)間段，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集對時(shí)，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(shí)標(biāo)進(jìn)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(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。

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

邊緣物聯(lián)終端采用雙核系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)操作和非實(shí)時(shí)操作進(jìn)行分塊存儲分析處理，含控制保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)分析功能的在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)里進(jìn)行，含統(tǒng)計(jì)、預(yù)測以及綜合診斷功能的在非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)里進(jìn)行處理，既滿足了運(yùn)行控制要求，又滿足了運(yùn)維分析要求，同時(shí)邊緣物聯(lián)終端由于采用了軟件定義終端架構(gòu)，可以靈活擴(kuò)展業(yè)務(wù)，實(shí)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(yīng)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(yīng)用APP的獨(dú)立開發(fā)及運(yùn)行，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流和管理數(shù)據(jù)流分離，提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的外部及內(nèi)部資源調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)了上層應(yīng)用于底層硬件的解耦；系統(tǒng)平臺層主要實(shí)現(xiàn)終端硬件資源的封裝，提供ESDK服務(wù)，以mqtt方式與宿主機(jī)及容器內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；提供物聯(lián)管理代理IotProxy服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與物管平臺的對接，包括設(shè)備連接、認(rèn)證、容器、應(yīng)用管理等功能；提供SecProxy安全代理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)管理通道及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸通道的加密認(rèn)證服務(wù)，應(yīng)用層無需關(guān)注安全相關(guān)細(xì)節(jié)，容器采用LXC容器技術(shù)，并行運(yùn)行數(shù)不小于4，以各個應(yīng)用APP（例如：開關(guān)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(jī)械特性分析APP、局放分析監(jiān)測APP、設(shè)備溫升預(yù)估APP）等來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，通過模塊化的軟件功能組合，提高功能APP間的獨(dú)立性，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)橫向隔離。應(yīng)用平臺層主要負(fù)責(zé)基于容器、滿足微應(yīng)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(yuǎn)程和本地通信，支持MQTT、HTTP等多類通信協(xié)議，為開關(guān)柜物聯(lián)傳感設(shè)備的接入提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。

3 開關(guān)柜傳感布局分析

開關(guān)柜邊緣物聯(lián)終端監(jiān)測的信息目前包含開關(guān)柜母線觸頭溫度、電纜溫升、開關(guān)柜局放、能電機(jī)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(shí)進(jìn)行傳感信息的邊緣計(jì)算分析，并評估開關(guān)柜健康狀況以及對早期故障進(jìn)行及時(shí)分析、評估、預(yù)警，并靈活支持未來功能的擴(kuò)展布置，開關(guān)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(guān)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(guān)柜內(nèi)部一般采用9點(diǎn)或12點(diǎn)關(guān)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(jì)算方式結(jié)合三相CT電流采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三相溫度不平衡、溫度與負(fù)荷關(guān)系曲線、溫升等判別，進(jìn)行預(yù)警、告警及未來發(fā)展趨勢的預(yù)測；在電纜室安裝一個測溫天線，在斷路器室兩個側(cè)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(dǎo)軌固定，實(shí)現(xiàn)開關(guān)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(dǎo)軌固定；接地?cái)嗦菲骱偷妆P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(dǎo)軌固定在柜體側(cè)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(bǔ)光，分別安裝在斷路器室上封板處和接地?cái)嗦菲飨旅娴牡装逄?，激光傳感器安裝在斷路器室的底板上，接地?cái)嗦菲魃系募す鈧鞲衅魍ㄟ^固定板安裝在柜體側(cè)壁，觸發(fā)擋板安裝在接地?cái)嗦菲鞯男D(zhuǎn)主軸上。

4 開關(guān)柜物聯(lián)終端典型微應(yīng)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(jì)算功能，完成開關(guān)柜感知數(shù)據(jù)采集處理、邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用，同時(shí)建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力設(shè)備的狀態(tài)感知、狀態(tài)可視、狀態(tài)運(yùn)維和安全可控，從而達(dá)到“智能裝備、智慧運(yùn)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(guān)柜的典型微應(yīng)用分析評估包含開關(guān)柜絕緣狀態(tài)分析評估、溫升狀態(tài)分析評估、機(jī)械特性壽命預(yù)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(guān)柜微應(yīng)用服務(wù)框架Fig.4 Switchgear micro-application service framework

4.1 開關(guān)柜物聯(lián)終端微應(yīng)用云-邊協(xié)同

邊緣物聯(lián)終端采用軟件定義終端的架構(gòu)模式，與物聯(lián)終端管理云平臺進(jìn)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(guān)柜物聯(lián)終端管理云平臺包含終端管理、容器管理、應(yīng)用管理、I/O設(shè)備管理等功能，其中應(yīng)用管理中包含更新、下載以及業(yè)務(wù)配置的各種應(yīng)用APP，業(yè)務(wù)應(yīng)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(yīng)的功能，可靈活實(shí)現(xiàn)功能模塊的即插即用，更能滿足未來開關(guān)柜智能化建設(shè)中不斷更新變化的需求。

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

4.2 開關(guān)柜溫濕度控制微應(yīng)用

開關(guān)柜溫濕度控制APP微應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜斷路器室環(huán)境溫濕度傳感采集及數(shù)據(jù)分析，當(dāng)斷路器室溫度大于柜頂風(fēng)機(jī)設(shè)定溫度定值，同時(shí)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(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫處理，當(dāng)溫度下降到設(shè)定的低溫時(shí)則聯(lián)動停止風(fēng)機(jī)，開關(guān)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(yīng)用邏輯示意Fig.6 Temperature and humidity control micro application logic schematic

4.3 開關(guān)柜機(jī)械特性及壽命評估微應(yīng)用

開關(guān)柜機(jī)械特性在線監(jiān)測通過斷路器分合閘以及儲能電機(jī)監(jiān)測單元直接對分合閘線圈動作時(shí)以及儲能電機(jī)的電流進(jìn)行檢測，同時(shí)利用行程/振動監(jiān)測單元的振動信息圖譜進(jìn)行開關(guān)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(jī)械特性的反應(yīng)之一，斷路器使用壽命與分、合閘操作次數(shù)有關(guān)，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(jì)，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(jī)械動作速度、輔助開關(guān)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(yùn)動距離過小、電磁鐵閥芯卡澀、輔助開關(guān)切除過早、彈簧疲軟、分合閘行程不到位、開關(guān)拉弧）等專家圖庫，為運(yùn)維檢修提供數(shù)據(jù)參考。圖7為開關(guān)柜機(jī)械特性及壽命評估微應(yīng)用分析圖。

圖7 開關(guān)柜機(jī)械特性及壽命評估微應(yīng)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(guān)柜技術(shù)需求（試行）》［28］對開關(guān)柜機(jī)械壽命要求如下：電動手車機(jī)械操作壽命，3 000 次；電動接地?cái)嗦菲鳈C(jī)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?cái)嗦菲鲾嗦菲鞯姆趾祥l次數(shù)進(jìn)行分別操作統(tǒng)計(jì)，然后與規(guī)定的機(jī)械壽命次數(shù)進(jìn)行對比分析，當(dāng)占比達(dá)到95%時(shí)，進(jìn)行斷路器機(jī)械壽命預(yù)警，支撐設(shè)備運(yùn)行服務(wù)。邊緣物聯(lián)終端機(jī)械壽命預(yù)測分析邏輯如圖8所示。

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

4.3.1 開關(guān)柜局放監(jiān)測評估微應(yīng)用

圖9為開關(guān)柜局放微應(yīng)用邏輯示意圖。

圖9 開關(guān)柜局放微應(yīng)用邏輯示意圖Fig.9 Logic diagram of switchgear partial discharge micro application

開關(guān)柜局部放電是指當(dāng)高壓電氣設(shè)備外加高電壓時(shí)，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(jī)械損傷；污穢；絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷；磨損與老化等。其中絕緣故障是導(dǎo)致高壓電纜，開關(guān)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(jì)算匯總后傳送到邊緣物聯(lián)終端進(jìn)行局放分析評估給出注意態(tài)、異常態(tài)、嚴(yán)重態(tài)、正常態(tài)，支撐開關(guān)柜智能運(yùn)維工作。

4.3.2 溫升評估微應(yīng)用

開關(guān)柜溫升過高帶來的氧化腐蝕，會加速導(dǎo)致接觸電阻增加，進(jìn)而加速溫升，形成惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞，發(fā)生爆炸等嚴(yán)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(yán)重。各相間溫升差值均判別、顯示各點(diǎn)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(guān)柜溫升評估微應(yīng)用邏輯如圖10所示。

圖10 開關(guān)柜溫升評估微應(yīng)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?cái)嗦菲饕曨l狀態(tài)分析微應(yīng)用

開關(guān)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(jìn)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?cái)嗦菲鳟?dāng)前分、合狀態(tài)，按照雙點(diǎn)遙信方式實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置狀態(tài)，從而支撐運(yùn)維人員的精準(zhǔn)運(yùn)維。

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

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

5 結(jié)語

在開關(guān)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(guān)柜邊緣物聯(lián)終端軟件定義終端體系架構(gòu)，該體系架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)邊緣物聯(lián)終端與云平臺的云-邊協(xié)同，靈活實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜新增功能需求。文章針對開關(guān)柜傳感信息布局采用多種傳感器進(jìn)行了詳細(xì)的分析描述，構(gòu)成了以邊緣物聯(lián)終端為核心的開關(guān)柜感知數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)判和處理體系架構(gòu)，構(gòu)建了面向開關(guān)柜各類應(yīng)用場景下邊緣計(jì)算微應(yīng)用，開展并設(shè)計(jì)了開關(guān)柜環(huán)境溫濕度監(jiān)控微應(yīng)用、局放監(jiān)測分析微應(yīng)用，接地?cái)嗦菲饕曨l分析確認(rèn)微應(yīng)用、設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)溫升評估微應(yīng)用等功能服務(wù)，可為開關(guān)柜智能化建設(shè)提供支撐。方案推廣應(yīng)用后，不但能夠使開關(guān)柜智能化得到有效提高，助力精益運(yùn)維，同時(shí)可以提高設(shè)備精益化管理水平。