高壓開關設備本體狀態監測系統的設計研究

曾星宏，程延遠，李海濤，鄧勁東，劉東超，須 雷

（1.中國南方電網超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧530004；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

電網主設備必須要保持良好的健康狀態和設備完好率，實現安全可靠運行，才能保障電網穩定運行和提高供電可靠率［1］。狀態檢修是根據電力設備的真實狀態而進行的預防性作業，隨著微電子技術、嵌入式技術、網絡通信技術及計算機控制技術的不斷發展，數字化、智能化的測量和監測裝置在電網控制領域得到了廣泛應用，為狀態檢修的實現提供了前提條件。在電網不斷擴大、用戶對電網可靠性的要求越來越高的今天，狀態檢修更加顯現出不可替代的作用［2-9］。

一次智能組件的開發與應用將一、二次設備一體化變為了現實，國內一、二次設備制造廠商也在近十年開展了相關技術和產品的研發工作［10-16］。一次設備智能組件集成了模擬量采集設備、開關控制設備、狀態在線監測設備等，集成了傳感器技術、通信技術、計算機技術、監測技術等多項新技術，促進了一次設備的智能化［17-19］。當前，在線監測技術特別是高壓開關設備本體的狀態信息監測，在變電站中的應用仍存在有如下突出問題，監測功能單一且相對獨立、配置的設備分散，監測裝置和傳感器接口不統一，制約了數據融合，并沒有實現各種在線監測信息的融合貫通，對變電站一次設備運行狀態相關信息的采集、檢測和分析均相對欠缺［20］。

本文在調研各種電壓等級交流變電站中開關設備狀態監測需求的基礎上，提出一種高集成度、準確度高、實時性強的高壓開關設備本體狀態信息監測方案，監測對象涵蓋高壓斷路器和隔離開關設備，通過一臺高集成度的信息采集及智能分析單元實現了各種分散布置的傳感器的信息接入、數據分析，并將分析后的數據以標準規約上送至物聯管理平臺，為準確掌握設備的工作狀態提供了有效技術手段，文中介紹了開關設備本體狀態監測系統方案的設計思路，以全數字智能監測單元為基礎，能精確、全面地監測高壓設備運行過程中的狀態指標，并通過不同的分析策略指導狀態檢修。

1 高壓開關設備智能監測現狀

近幾年，國家電網有限公司通過一鍵順控改造、機器人巡檢、帶電檢測和在線監測新技術應用等工作，開關設備狀態感知能力已有很大程度的提高［21-30］。而現有一次設備與二次設備在設備互聯、信息采集與傳送等方面技術發展的不協調、不同步的問題越來越顯著。為實現開關設備狀態自動分析、缺陷早期預警、故障智能研判和運檢輔助決策，亟需利用數字化、智能傳感、狀態監測、物聯網等技術，提高開關設備的自檢、自測、自校能力，強化設備狀態管控，提升設備運檢質效，保障電網安全穩定運行。

2 本體狀態信息監測系統架構

2.1 整體思路

通過在開關設備本體植入智能傳感器，對斷路器的各類運行狀態進行實時監控，在安全、可靠、方便運維、一體化設計前提下，建立以主設備、傳感器、采集及智能分析單元構成的智能開關設備，并與物聯管理和高級應用形成高效的云邊協同體系，采用一二次融合、大數據、人工智能等新技術使其具備狀態自我感知、實時診斷、主動預警和主輔聯動等功能，真正實現開關設備的智能化，豐富的狀態信息，為斷路器的健康狀況分析和狀態檢修提供基礎，將原始信息轉化為可用的設備健康狀態信息，為建立斷路器狀態的綜合診斷模型提供基礎。

2.2 總體架構設計

高壓開關設備本體狀態信息監測系統架構如圖1所示，分為四個層級：感知層、網絡層、平臺層、應用層。

圖1 高壓開關設備本體狀態監測系統架構Fig.1 Architecture of switching equipment on-line monitoring system

1）感知層

感知層實現開關設備狀態信息的采集與匯聚，具備邊緣計算能力，包含傳感層和匯聚層，分別由各類智能傳感器設備、匯聚節點、邊緣物聯代理構成，實現開關設備運行環境信息、狀態信息的采集及就地預處理。

2）網絡層

網絡層由無線網（公網和電力專網）、有線電力光纖網和相關網絡設備組成，提供高可靠、高安全、高帶寬的數據傳輸通道。

3）平臺層

平臺層將變電業務、數據、物聯等共性需求沉淀封裝成共享服務，支撐前端應用創新，包括電網資源業務中臺、數據中臺和物聯管理平臺。

4）應用層

應用層基于企業中臺提供的各類微服務，在統一數據模型、技術標準和框架下，部署開關設備運行狀態精準評價、缺陷異常智能研判、遠程智能巡檢等高級應用，實現開關設備運行狀態的綜合評估和預警決策。

其中，感知層的傳感器可通過無線、有線的方式將數據上送匯聚層設備。匯聚層由匯聚節點、邊緣物聯代理等網絡節點設備組成，滿足傳感層和節點設備單點接入、鏈式分布多態組網需求。同時，匯聚節點、邊緣物聯代理搭載邊緣計算框架，實現一定范圍內傳感器數據的匯聚、邊緣計算，滿足數據實時采集、即時處理、就地分析。開關設備在線監測數據通過反向隔離裝置接入主、輔設備集中監控系統。

2.3 狀態信息監測分析策略

1）絕緣特性分析策略

通過氣體傳感器實現斷路器氣室內的SF6氣體微水、密度（壓力）、溫度等數據的實時監測，并周期性上送監測數據，輔助分析充氣設備的絕緣介質強度，同時結合局部放電監測數據綜合判斷絕緣特性，提前發現氣室密封不良、濕度、異物、異常局部放電等運行隱患。

2）機械特性分析策略

通過位移傳感器、電流傳感器、彈簧壓力傳感器、伸縮節位移傳感器，采集斷路器行程位移、分合閘線圈電流、儲能電機電流、分合閘彈簧壓力數據，結合開關分合位置信號，計算獲得開關分合閘行程曲線、分合閘時間、分合閘速度等特性，分析斷路器是否存在機構卡澀、分合閘異常、彈簧疲勞、儲能異常、GIS伸縮節形變超標等缺陷。

3）環境輔助信息分析策略

通過溫濕度傳感器，監控開關設備機構箱、控制柜內部環境。測量不同外部環境氣候下，機構箱、控制柜內部溫度、濕度參數，為溫濕度控制器及時提供準確的控制信號。

4）局部放電分析策略

結合特高頻全頻段采集的局部放電傳感器，集成PRPD 和PRPS 等特征圖譜和智能模式識別技術，并結合負載、歷史數據等數據，綜合分析設備內部是否存在局部放電，同時判斷局部放電的位置、性質和嚴重程度。

5）位置確認分析策略

通過姿態傳感技術對隔離開關姿態角度進行監測，姿態傳感器安裝在隔離開關地電位的傳動部位，輸出三維姿態角俯仰、滾轉、偏航等數據，用于分析隔離開關是否存在操作卡澀、分合不到位等缺陷。

3 本體狀態信息監測實施方案

3.1 總體方案

以安全為前提，有效實用為原則，綜合考慮開關設備的重要性、經濟性以及各種在線監測技術的成熟度和運行經驗，選取斷路器絕緣特性監測、機械特性監測、環境輔助信息監測、局部放電監測以及隔離開關位置確認分析共5項主體功能模塊，如圖2所示。各種功能模塊也可以按工程應用需求進行靈活配置和擴展。

圖2 本體狀態監測功能模塊Fig.2 Function module of switching equipment on-line monitoring system

3.2 傳感器布置

以組合電器為例進行一二次融合設計，打破一次設備及二次裝置設計間的壁壘，通過預先植入在線監測傳感器實現開關設備本體智能化改造升級，提高斷路器的智能化程度，實現設備的可觀、可測、可控，各種典型傳感器的布置見圖3。

圖3 開關設備傳感器布置示意Fig.3 Sensor layout of switching equipment

斷路器關鍵氣室安裝SF6氣體傳感器，如圖4，具備SF6微水、密度、溫度自動采集、信號調理、模數轉換和數據的預處理功能，在保留原有密度繼電器的基礎上，通過獨立安裝傳感器對數字信號采集及通訊，并支持有線或無線通訊方式。局部放電采用內置式特高頻傳感器，利用特高頻傳感器對其特高頻電磁波（300 MHz～3 GHz）信號進行檢測，獲得局部放電的相關信息，實現局部放電監測以掌握開關設備的絕緣狀態，傳感器通過法蘭連接安裝于GIS設備的手孔處，內置傳感器應與主設備使用壽命一致。

圖4 SF6氣體傳感器Fig.4 SF6 gas sensor

斷路器行程傳感器采用光柵旋轉編碼器，按相配置。如圖5，將位移傳感器和開關本體進行專門的結構設計，以固定位移傳感器。電流傳感器采用霍爾元件，每個電流傳感器模塊包含4個電流傳感器，分別采集主分線圈電流、副分線圈電流、合閘線圈電流、儲能電機電流，穿心式設計不破壞原有回路的接線。

圖5 旋轉編碼位移傳感器Fig.5 Rotation-coded sensor

對斷路器機構彈簧受力狀態進行監測，如圖6。在機構彈簧處安裝壓力傳感器。與數據采集轉換模塊之間采用單端預制航插或線纜直接連接，分別對斷路器機構彈簧的合閘、分閘閉合瞬間、儲能狀態進行數據采集，并把彈簧狀態數據信息上送至信息采集及智能分析單元。

圖6 彈簧壓力傳感器Fig.6 Spring pressure sensor

目前絕大部分伸縮節處于無監測使用狀態，存在不少安全隱患。安裝伸縮節傳感器如圖7，每個伸縮節推薦配置3～4 個傳感器，對斷路器GIS 伸縮節形變監測，準確測量伸縮節的工作狀態。防止GIS 伸縮節因安裝或制造工藝問題，起不到伸縮量調節補償的作用，或因伸縮應力作用，造成連接部位變形漏氣等問題。

圖7 伸縮節形變傳感器Fig.7 Expansion joint sensor

環境溫濕度傳感器安裝在匯控柜、機構箱、伴熱帶等位置，測量不同外部環境氣候下，機構箱、控制柜內部溫度、濕度參數，為溫濕度控制器及時提供準確的控制信號。

姿態傳感器安裝在隔離開關地電位的傳動部位，如圖8，可以真實反應隔離開關觸頭的轉動，輸出三維姿態角俯仰、滾轉、偏航等數據，用于分析隔離開關是否存在操作卡澀、分合不到位等缺陷。

3.3 信息采集及智能分析單元

針對目前高壓開關設備本體的狀態信息監測單元功能單一、配置的設備分散，監測裝置和傳感器接口不統一等問題，設計了一種高集成度、準確度高、實時性強的高壓開關設備本體狀態采集及智能分析單元。采集及智能分析單元采用多核處理器，采用“可重用、可選配”的設計思路，支持無線低功率傳感器接入，支持4G 無線通訊、藍牙調試等功能，也可根據需求接入不同類型的傳感器。其中ARM核用于實現操作系統、人機界面管理、以太網通訊等功能，DSP核用于實現在線監測及分析功能，系統功能模塊如圖9所示。

圖9 采集及智能分析單元功能模塊Fig.9 Function module of acquisition and analysis unit

3.4 物聯管理平臺

物聯管理平臺部署在云端，實現各類型邊緣物聯代理和智能終端的在線管理和遠程運維，對各類型采集終端進行統一管理，并按照統一物聯信息模型，匯聚各類型采集感知數據，進行模型轉換和數據預處理，并分發至企業中臺或相關專業系統，不長期存儲采集感知數據。

4 結語

本文提出了高壓開關設備本體狀態監測系統設計框架，通過一種高集成度的信息采集及智能分析單元，匯集不同種類在線監測傳感器的數據，減少了設備數量和安裝空間，實現了開關設備本體狀態信息的綜合監測和分析，解決了傳統在線監測功能單一且獨立、配置設備分散、監測裝置和傳感器接口不統一、數據融合程度差等缺點，為高集成度在線監測的方案實施提供了技術路線。