基于物聯網技術的智能化中置柜的設計

摘 要：為了滿足智能電網對中置柜發展提出的要求，提出一種基于物聯網技術，應用于智能化變電站的新型智能化中置柜。首先對斷路器手車、接地開關進行機械結構的改造，實現全電動操作；其次通過應用現代控制理論、傳感技術、電力電子技術等先進科學技術實現對中置柜運行電氣參數及運行環境參數的實時監測，并通過物聯網通訊技術將各獨立運行的中置柜組網，實現中置柜運行狀態的集中遠程監測與控制；最后開發了數字化綜合管理系統和基于“五防”聯鎖的便攜式控制與數據采集終端，實現了中置柜的遠程集中監測和現場控制運行、數據采集。該智能化設計可實現中置柜的在線監測，有效提高中置柜運行安全性和工作效率，對實現中置柜的智能化具有一定的現實意義。

關鍵詞：中置柜；物聯網；智能；在線監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.104

0 引 言

隨著智能電網建設的不斷推進，智能電網的發展在技術上對中置柜提出了新的要求，如減少故障停電次數和時間、縮小停電范圍；減少、縮短設備檢修停電時間；系統內各設備共享系統信息資源等。傳統的開關[1-2]設備越來越不能滿足這些要求。輸變電設備物聯網技術[3-4]可實現輸變電設備的在線監測、故障診斷和狀態評估等功能。因此，綜合利用輸變電設備物聯網技術，研究制造具有狀態檢測、故障診斷處理等智能化功能的中置柜是必要的。

現有的開關設備[5]智能化應用方案主要考慮斷路器的機械特性和提高設備的安全性等方面，如通過監測設備運行時的各種電氣量參數、運行環境參數等，提高設備運行狀態的在線監測與故障診斷能力，減少設備檢修，提高供電的可靠性等。

1 基于物聯網技術的中置柜智能化改造方案

參照《高壓設備智能化技術導則》，本文提出了基于物聯網技術的智能中置柜改造方案，改造方案涉及3個部分，即：智能綜合狀態監測裝置、中置柜數據采集終端和數字化綜合管理系統。

基于物聯網技術的中置柜智能化改造基于四級監控網絡實現對中置柜的智能化管理。首先研發智能綜合狀態監測裝置，安裝于中置柜本體，采用無人值守的方式，通過控制單元、監測單元和識別單元、保護單元實現對中置柜運行狀態監測、診斷、控制與保護，并對中置柜的運行狀態數據進行存貯和通過RS485總線上傳；其次研發便攜式數據采集終端，巡檢人員通過掃描二維碼（粘貼到每臺中置柜的唯一二維識別碼）建立與綜合狀態監測裝置通訊，完成對中置柜內部電動手車、接地開關等裝置的非接觸式控制和運行參數的數據采集及簡單分析功能，實現了中置柜的不定期巡檢；某一局部區域內所有的中置柜智能綜合狀態監測裝置將監測數據上傳到近端主站的數字化綜合管理系統，數字化綜合管理系統通過對上傳的數據進行分析和處理，提供故障預警和故障預測功能，實現了中置柜的定期巡檢。

2 中置柜本體智能化改造設計

基于物聯網技術的智能化中置柜本體改造包括電動控制裝置、智能測控裝置、模擬顯示裝置和保護裝置四個部分，該四個部分屬于模塊化設計，只需保留預留接口即可以實現多模塊化設計。四個模塊通過物聯網通訊技術與綜合狀態監測裝置實現四級監測與管理網絡。

2.1 電動控制裝置改造

2.1.1 電動底盤車電動操作機構設計

斷路器電動底盤車三維設計簡圖如圖1所示。1為直流電動機，2為二級變速機構，3為鏈傳動機構，4為普通直齒傳動齒輪，5為絲杠螺母，6為有凹槽的滾珠絲杠，7為手車固定端，8為內圈有凸緣的直齒齒輪，9為擋板。具體實現電動操作的方式為：直流電機1通過變速機構2獲得較大的扭矩，驅動鏈輪，鏈傳動帶動齒輪4與鏈輪做同步轉動。直齒齒輪內圈的凸緣與絲杠的凹槽相嚙合，使齒輪8與絲杠做同步轉動。由于絲杠末端與手車固定端連接，轉動的絲杠使固定在手車上的絲杠螺母5做直線運動。在擋板（擋板9固定在小車底板上）的作用下，凸緣齒輪8同時通過凸緣在絲杠上直線滑動。絲杠螺母4帶動斷路器手車推進和后退，實現斷路器手車的電動操作。圖2為改進后斷路器底盤車增加的電動傳動機構實物圖，該部分實現了斷路器手車的電動操作。

2.1.2 接地開關機構電動操作的智能化改造

圖3為接地開關操作機構結構簡圖。1為主軸驅動件，2為驅動齒輪，3為無油軸承，4為接地開關主軸，5為電機軸。電機通過二級齒輪傳動帶動驅動齒輪轉動，驅動齒輪依靠無油軸承和軸套支撐在接地開關操作主軸上。驅動齒輪的相對轉動與接地開關操作主軸的相對運動無直接的傳動關系。當驅動齒輪運行一定角度時，驅動齒輪的上凸緣部位與主軸驅動部件接觸而使驅動件轉動，驅動件帶動接地開關操作主軸轉動，當轉過一定角度時，接地開關開始動作。此時，接地開關轉動角速度較驅動齒輪快，驅動齒輪與操作主軸存在一定的相對轉動，由于為驅動齒輪凸臺留有足夠的空間而使操作主軸與驅動齒輪相對轉動。當接收到接地開關信號時，驅動齒輪歸位，使得手動操作時不影響主軸驅動部件與驅動齒輪的運動不發生相互影響。

2.2 智能測控裝置

智能測控裝置實時采集傳感器、開關接觸點等信號，直接或經過數據處理后得到所測點的開關狀態量，為中置柜故障診斷和預測提供數據基礎。本智能測控裝置可以對斷路器、接地開關、斷路器手車進行位置狀態和電氣控制回路狀態進行監測。智能測控裝置具有以下功能：

（1）具有對泄露電流傳感器信號、溫濕度傳感器信號、交流電壓電流傳感器信號、局部放電高頻信號、彈簧儲能時間信號、斷路器分合閘線圈電流等信號的采集，分別實現對柜內避雷器的動作次數及泄露電流的監測，TA/TV斷線故障監測、柜內發熱點處的溫度監測以及柜內基本電氣量的監測，中置柜母排、開關刀閘、線纜接頭處的局部放電高頻信號的監測，開關柜斷路器基本的儲能電機、分合閘線圈電流的監測，動作時間與動作次數記錄等。（2）具有“五防”聯鎖監測功能；當進行就地或遠方巡檢時，該裝置可以通過監測開關接觸點的信息，得到所測點的開關量狀態，綜合各開關量狀態判斷中置柜所處狀態是否滿足“五防”聯鎖條件。（3）具有人體感應功能；當人體靠近時，LED彩色顯示屏自動點亮，操作完成后30秒后顯示屏關閉。這種動態的顯示方式可以是顯示屏的壽命增加到20年。

2.3 模擬顯示及保護裝置

將斷路器、接地開關、隔離開關、柜體等設備的本體信息以電子標簽的形式預埋在設備中，通過物聯網通訊RFID、WIFI等將設備信息傳遞給智能綜合狀態監測裝置或手持終端，對開關量進行準確跟蹤、定位，了解開關量的動態信息，并用圖形界面動態模擬顯示一次回路的手車位置、斷路器分、合閘、接地開關和隔離開關等各種開關量的動作位置和電氣回路的組合狀態。保護裝置可以實現無方向或有方向的過電流和接地故障保護；零序電壓、過電壓和低電壓保護；低周減載保護；斷路器失靈保護；電流速斷及反時限過電流保護。

3 智能化中置柜數據采集終端

智能數據采集終端中，控制軟件強大的邏輯判斷能力可以很好地判斷中置柜“五防”聯鎖條件是否滿足，進而根據判斷結果實現中置柜遠方電動控制。智能測控裝置與智能數據采集終端結合可以實現智能化中置柜的“雙重”控制，現場操作運行時，既可以通過智能綜合狀態監測裝置近距離控制，也可以通過智能化數據采集終端實現中置柜遠程程序化操作。

4 結束語

本文基于物聯網技術對中置柜智能化問題進行了研究，提出基于中置柜本體、智能數據采集終端和近端主站、遠端主站的四級物聯網監測與管理平臺。智能綜合監測裝置是智能化開關柜的“大腦”，實現了中置柜的集成監測管理與控制；數據采集終端實現現場的中置柜安全控制運行和常用參數數據采集，為中置柜的智能化提供了堅實的基礎；近、遠端主站中的數字化綜合管理系統為實現遠程監測和診斷提供了強有力的保障。伴隨著智能電網的發展智能化中置柜會逐漸普及，基于物聯網技術的智能化中置柜將會實現現場應用和推廣。

參 考 文 獻：

[1]段建東，葉兵，張青山等.基于翅片散熱和ZigBee的開關柜觸頭溫度測控系統[J].電力自動化設備，2014，34（07）：157-162.

[2]童本羽，楊冠魯.中壓中置柜的智能化改造與研究[J].科技傳播，2013（06）：32-33.

本文系吉林省發改委產業創新專項資金項目（2016C074）和吉林市科技局科技發展規劃項目（20156406）成果之一。