基于邊緣計算的柱上開關狀態監測研究

畢昊林 王加友 黃良棟 劉崢嶸

（1．煙臺東方威思頓電力設備有限公司，山東 煙臺 264003；2．煙臺東方威思頓電氣有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引言

柱上開關是架空線路配電自動化的核心設備，安裝數量多、分布廣、運行環境惡劣，其可靠性直接影響了電網安全。近年來，電網公司聯合設備廠商分階段開展了柱上開關一二次融合的研究設計工作，取得的關鍵技術成果包括使用電子式傳感器代替電磁式互感器，增加單相接地故障判別功能和支撐同期線損采集等。柱上開關已實現了集成化、小型化，但在智能化方面還不足，特別是設備狀態感知、自診斷等方面。

目前，一二次融合開關的狀態監測主要是基于電氣量和饋線自動化終端本身的報警信息，通過評估算法進行間接監測。王東方等提出采用組合加權法確定指標權重并結合模糊綜合評價法對一二次融合柱上開關狀態進行評估[1]。侯慧等分析了目前配電開關及其控制器的可靠性，提出迫切需要采用智能化的方法對開關進行監測[2]。隨著電力物聯網的快速建設，迫切需要運用物聯網、邊緣計算技術提升設備狀態的感知水平，為配電網大數據應用創造基礎[3-5]，實現柱上開關“一體化、小型化、通用化、智能化、經濟性”，從定期檢修提升為狀態檢修的目標，降低開關設備的維護成本。

該文在數字式一二次融合開關的基礎上，研究了利用邊緣計算技術對一二次融合開關進行狀態監測，對總體架構和關鍵技術進行了探討，為柱上開關的智能化打下堅實的基礎。

1 總體架構

柱上開關智能監測系統利用先進的傳感器技術、物聯網技術，通過各類傳感器采集設備的運行狀態，對數字化信息進行邊緣計算就地處理。

選取與一次設備同壽命、低成本、高效能的傳感器，傳感器和匯集單元實現與一次設備本體的融合設計制造，設備狀態監測傳感信息與線路電氣量信息融合。全面掌握設備的健康狀況，實現狀態檢修。邊緣物聯代理匯集了各類傳感數據，通過邊緣計算分析各類業務模型，實現柱上開關的動態評估。這些業務模型將包括機械特性分析模型、發熱特性分析模型、絕緣特性分析模型、滅弧室電壽命分析模型以及綜合分析模型等。

2 設計方案

2.1 多源異構傳感器選型

2.1.1 霍爾型電壓/電流傳感器

霍爾型電壓/電流傳感器用來監測分合閘線圈波形、儲能電機波形和時間，安裝在斷路器操作機構箱內的導軌上，分合閘回路和儲能電機回路的電流線分別穿過霍爾元件孔，通過通信電纜將實時采集的信號經過抗混疊濾波、幅值調整后，接入傳感器匯集單元。

2.1.2 振動傳感器

操作機構振動信號通過壓電式加速度傳感器進行采集，內置微型IC集成電路放大器，將斷路器分/合時的振動信號轉換成電信號。

2.1.3 無線測溫傳感器

無線測溫傳感器使用螺栓固定并安裝在斷路器進出線銅排上。無線測溫收發器接收無線溫度傳感器溫度信號，并通過RS-485接口轉發至傳感器匯集單元。

2.1.4 組合式電壓/電流傳感器

組合式電壓/電流傳感器采用高阻抗高溫度穩定性分壓器核心技術，解決溫度穩定性和抗干擾問題。同時滿足計量和保護的精度要求，無鐵磁諧振風險，二次側輸出安全的低壓信號，無開路或短路故障。

2.1.5 S F 6氣體壓力和溫度傳感器

SF6氣體壓力和溫度傳感器通過先進的溫度補償算法，實時測量計算SF6氣體的壓力、溫度和密度。具備RS-485接口，氣體狀態監測結果實時傳輸至傳感器匯集單元。

2.2 傳感器匯集單元設計

為了避免各相關系統間互相切換的情況發生，對不同數據傳輸標準、接口和數據格式不一的監測傳感器進行整合，解決一二次融合的柱上開關智能監測數據的多源化和異構化。將傳感器采集的多源異構數據集成至該單元。

傳感器匯集單元包括轉換編碼模塊，該轉換編碼模塊主要由電流信號調理電路、測量電流信號調理電路、多通道數模轉換器、傳輸報文編碼器、曼徹斯特編碼器、隔離發送器、阻抗變換器以及電壓信號調理電路等部件構成。

傳輸報文編碼器按照IEC60870-5-1規定的FT3幀格式標準的數據通道，映射確定的順序，將來自多通道模數轉換器的數據組成串行通信報文，按5 Mbit/s的速率傳送至隔離發送器。

傳感器匯集單元與邊緣物聯代理（FTU）之間的通信信息建模遵循IEC 61850第二版狀態監測邏輯節點[6]。

2.3 邊緣物理代理設計

在滿足饋線自動化終端標準化設計功能的基礎上進行物聯網化、智能化、模塊化設計。采用符合國家電網公司標準的加密設置，確保通信安全。

按照配電物聯網的邊緣計算標準框架，將其分為基礎設施即服務、軟件即服務、平臺即服務3層架構，邊緣側管理和安全貫穿始終。通過軟件定義的方式，實現終端硬件和軟件功能的解耦。

從功耗和行業的特性考慮，邊緣計算硬件平臺采用ARM-based+AI多核計算架構，對主頻規格結合業務需求進行綜合平衡設計。

軟件平臺抽象為雙系統，即網絡操作系統和開放平臺容器操作系統。雙系統間通過以太網進行通信。網絡操作系統管理所有的網絡通信接口，容器操作系統接入存儲設備，并運行第三方客戶應用。

邊緣計算的核心是業務實現層，由多個獨立業務應用App構成，App采用統一規范的解耦設計，可任意組合部署。

3 關鍵技術

3.1 數字化傳輸

根據前期一二次融合的實踐經驗，由于傳感器輸出的信號為模擬小信號，10 kV組合式電子傳感器額定狀態下的電壓輸出為3.25 V，電流為1 V，其余傳感器多數為4 mA～20 mA信號，在10 m以上的電纜上傳輸時，極易受到電纜分布電容、空間雜散電容等干擾。典型表現為電纜長度變化、溫度變化、抱箍松緊程度均會影響信號的準確度。

傳感器匯集單元與傳感器就近安裝，在信號輸入端進行阻抗緩沖處理，相當于負載阻抗無窮大，將傳感器輸出的模擬小信號轉換為數字信號，在長線傳輸過程中不引入附加誤差。采用帶電插拔的設計，可通過絕緣操作桿方便進行帶電更換，便于設備的運維管理。

3.2 智能分析模型

根據柱上開關狀態研判需求，選擇5個標準化智能分析模型，由邊緣物聯代理裝置以微應用方式搭載，對柱上開關的運行狀態進行實時評估和主動預警。

3.2.1 機械特性模型

機械特性模型用于柱上開關的操作機構的故障預判，采用霍爾電流傳感器監測合/分閘線圈和儲能電機電流，振動傳感器監測機構關鍵位置的振動信號，同時與正常模式下的電流、振動信號波形進行比較，判斷柱上開關的機械部件是否出現異常情況。與控制/保護系統完全隔離，即便是在故障情況下也不會對開關的正常運行操作產生任何影響。

3.2.2 發熱特性模型

基于負載變化的發熱特性模型用于分析柱上開關及隔離開關的運行狀態，采用無線傳輸模式的溫度傳感器，實時監測核心部位的運行狀態，例如環境溫度以及斷路器進出線觸臂、隔離開關的關合位置，實時監測基于負載的溫升動態變化，進而綜合判斷一次側的連接是否可靠，有效避免發生故障和出現測溫報警盲區。

3.2.3 絕緣特性模型

絕緣特性模型用于分析柱上開關的絕緣狀態，采用溫度和壓力傳感器，通過先進的溫度補償算法，實時測量計算SF6絕緣氣體的壓力、溫度、密度情況，進而及時反饋，做好主動預警。

3.2.4 滅弧室電壽命模型

在真空斷路器使用數量迅速增長的同時， 由于其維護量小、檢修周期長等特點， 工作人員容易忽略真空斷路器的電壽命問題，而影響真空斷路器電壽命的主要因素是觸頭的電磨損，其取決于開斷時的燃弧能量，燃弧能量的大小由燃弧電流和時間決定。滅弧室電壽命模型用于分析真空滅弧室的壽命預估，主要采用等效方法，通過測量開斷電流與時間，采用特定的算法計算開斷電流加權值和電流時間累計值，進而推算出滅弧室的電器壽命。

3.2.5 綜合評估模型

綜合評估模型用于分析一二次融合的柱上開關的整體運行狀態。該模型包括相電流、相電壓、零序電流、零序電壓等基本數據的采集分析，結合機械特性模型、發熱特性模型、絕緣特性模型（適用于SF6絕緣）、滅弧室電壽命模型數據，綜合實現柱上開關的狀態自感知、自診斷等綜合研判功能。

4 結語

數字化、智能化是智能電網的發展趨勢。依靠傳感器、邊緣計算，對電力設備進行狀態監測，實現狀態維修已逐步成為電力設備運維管理的核心理念。

采用邊緣計算智能終端及時進行在線診斷，發現設備隱患和故障，進行故障預警，可以進一步提高配電設備的運行可靠性，縮短維修時間，減少人力物力的投入，是一二次融合的柱上開關智能化的重要方向。