邊緣物聯終端在智能化開關柜中的應用

毋炳鑫，黃利軍，王坤，魏勇，李俊剛

（許繼集團研發中心，河南 許昌 461000）

0 引言

近年來，開關柜在長期運行中由于柜內開關的機械特性可能存在一定的偏移，開關的觸頭，母線連接和電纜連接處等部位因制造、運輸、安裝不良、接觸面氧化、老化等原因導致接觸面電阻過大而發熱［1-5］。這些性能特征及溫度如果沒有監測，得不到及時檢修及維護，則常常會引起開關柜拒動誤動，使得開關柜故障擴大，甚至導致開關柜爆炸及大面積停電；溫升過高也會導致設備燒毀甚至引發火災，造成極大的損失［6-12］。有關統計表明，變電站維護費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，傳統的開關柜每增加一項功能，就會增加相應的傳感器以及采集單元，并且所有信息都要上傳到后臺進行分析控制，既增加了開關柜的成本，造成開關柜設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上報，但由于不同廠家，不同算法做出來的分析結果可能存在差異，給后臺處理分析帶來一定的難度，同時對網絡通信造成很大的壓力，一旦出現通信網絡問題，就有可能無法進行快速故障處理及薄弱點分析［17-22］。因此，當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（Internet of Things，IoT）［23-27］終端對開關柜內部斷路器動靜觸頭的溫度、母線連接狀態、柜內溫度、刀閘運行狀態、設備絕緣老化程度、操動機構機械特性等進行監測分析，配合云端技術，實現云邊協同，在滿足當下開關柜監測分析需要的情況下，同時又能靈活配置增加新的業務功能，可有效提升開關柜的智能運維水平，提高設備運行壽命。

1 基于物聯終端的智能開關柜應用架構

隨著物聯網技術在電力行業的快速發展，物聯終端及云平臺技術逐步成熟，邊緣物聯終端支持開關柜感知數據的統一采集與管理，能夠兼容多種感知終端，實現感知終端快速接入物聯網平臺，同時屏蔽不同廠家通信協議、通信接口、操作系統等接入的差異性，與開關設備協同工作，實時監測開關設備的工作狀態，實現開關設備電氣量采集、環境溫濕度監測、重要節點溫度監控、局部放電監測、視頻識別等智能化功能。物聯網終端運用智能分析技術對設備的運行狀態進行實時評估，監測、預警，實現由定期檢修到狀態預警檢修的轉變，提高了運維的質量和效率。

智能化開關柜物聯終端應用架構如圖1所示。

圖1 智能化開關柜物聯終端應用架構Fig.1 Application architecture of IoT terminal of intelligent switchgear

開關柜物聯終端應用架構分為感知層、邊緣層、網絡層以及應用層。其中“感知層”設備采用技術成熟且經濟性較好的傳感器單元（溫度監測、濕度檢測、視頻監視等），為開關設備智能化提供不間斷監視控制，達到多維監管智能化。“邊緣層”則是邊緣物聯終端設備，其具備信息采集、物聯代理及邊緣計算功能，對下可實現不同通信接口和通信協議的傳感器數據接入，統一轉換為物聯網協議，上送物聯網平臺。“網絡層”設備主要是邊緣物聯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”則是智能運維云平臺系統，實現整個接入系統的數據接入處理以及云端服務等。

2 開關柜物聯終端軟件體系架構

邊緣物聯終端基于物聯網型通用的軟件定義終端體系架構，采用硬件平臺化和軟件APP化設計理念，融合應用了物聯感知、通信、邊緣計算、人工智能、信息安全及芯片國產化等技術。開關柜智能化建設采用傳感技術、多通道通信與組網技術、數據庫技術和服務器技術等，形成一套基于物聯網的遠程實時監控系統，邊緣物聯終端的邊緣計算協同云平臺計算、分析和預警，實現對開關柜無間斷、全覆蓋、全數字自動化的實時記錄、分析，將實時監測的開關設備運行狀態上送給物聯管理系統平臺，同時，由于采用了軟件定義終端的架構，可以靈活擴展業務應用，只需在云平臺上增加相應的業務應用APP，然后下裝到物聯終端里，終端就增加了相應的邏輯分析功能，大大減少了工程配置，同時多維監測數據統一進行采集，在特定時間段，進行數據采集對時，保證本地收集數據及上傳物聯網云平臺數據具有統一時標進行數據分析整合及一致性管理。邊緣物聯終端軟件應用架構如圖2所示。

圖2 邊緣物聯終端軟件應用架構Fig.2 Edge IoT terminal software application architecture

邊緣物聯終端采用雙核系統，將實時操作和非實時操作進行分塊存儲分析處理，含控制保護及運行狀態分析功能的在實時操作系統里進行，含統計、預測以及綜合診斷功能的在非實時操作系統里進行處理，既滿足了運行控制要求，又滿足了運維分析要求，同時邊緣物聯終端由于采用了軟件定義終端架構，可以靈活擴展業務，實現功能模塊的即插即用。

邊緣物聯終端軟件分為操作系統層、系統平臺層及應用軟件層。操作系統層采用安全加固的Linux嵌入式操作系統，集成selinux核心功能，屏蔽了硬件差異，支撐上層云平臺應用APP的獨立開發及運行，業務數據流和管理數據流分離，提供了統一標準的外部及內部資源調用接口，實現了上層應用于底層硬件的解耦；系統平臺層主要實現終端硬件資源的封裝，提供ESDK服務，以mqtt方式與宿主機及容器內的應用進行數據交互；提供物聯管理代理IotProxy服務，實現與物管平臺的對接，包括設備連接、認證、容器、應用管理等功能；提供SecProxy安全代理服務，實現管理通道及業務數據傳輸通道的加密認證服務，應用層無需關注安全相關細節，容器采用LXC容器技術，并行運行數不小于4，以各個應用APP（例如：開關柜環境采集APP、母線測溫APP、斷路器測溫APP、電纜測溫APP、局放監測APP、視頻采集APP、環境溫濕度調節APP、斷路器機械特性分析APP、局放分析監測APP、設備溫升預估APP）等來實現業務功能，通過模塊化的軟件功能組合，提高功能APP間的獨立性，可實現業務橫向隔離。應用平臺層主要負責基于容器、滿足微應用開發規范的App開發，封裝，虛擬鏡像生成等功能。邊緣物聯終端支持多種遠程和本地通信，支持MQTT、HTTP等多類通信協議，為開關柜物聯傳感設備的接入提供了穩定的數據傳輸通道。

3 開關柜傳感布局分析

開關柜邊緣物聯終端監測的信息目前包含開關柜母線觸頭溫度、電纜溫升、開關柜局放、能電機電流、脫扣器電流、環境溫濕度及地刀閘視頻圖像信息等，同時進行傳感信息的邊緣計算分析，并評估開關柜健康狀況以及對早期故障進行及時分析、評估、預警，并靈活支持未來功能的擴展布置，開關柜邊緣物聯終端傳感信息采集模型如圖3所示。

圖3 開關柜邊緣物聯終端傳感信息采集模型Fig.3 Sensing information acquisition model of edge IoT terminal

開關柜內部一般采用9點或12點關鍵部位測溫方案，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），邊緣物聯終端通過邊緣計算方式結合三相CT電流采集數據，實現三相溫度不平衡、溫度與負荷關系曲線、溫升等判別，進行預警、告警及未來發展趨勢的預測；在電纜室安裝一個測溫天線，在斷路器室兩個側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軌固定，實現開關柜各室溫的監測管理；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，通過導軌固定；接地斷路器和底盤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，通過導軌固定在柜體側壁，而加熱器固定在柜體隔室內的對面側壁；攝像頭需自帶補光，分別安裝在斷路器室上封板處和接地斷路器下面的底板處，激光傳感器安裝在斷路器室的底板上，接地斷路器上的激光傳感器通過固定板安裝在柜體側壁，觸發擋板安裝在接地斷路器的旋轉主軸上。

4 開關柜物聯終端典型微應用分析

邊緣物聯終端具備信息采集、物聯代理及邊緣計算功能，完成開關柜感知數據采集處理、邊緣計算，實現對設備的全面感知、數據融合和智能應用，同時建立基于數據驅動的電力設備的狀態感知、狀態可視、狀態運維和安全可控，從而達到“智能裝備、智慧運行”，并將數據信息統一上傳至主站、云平臺。目前，邊緣物聯終端針對開關柜的典型微應用分析評估包含開關柜絕緣狀態分析評估、溫升狀態分析評估、機械特性壽命預測、環境溫濕度分析評估、電氣量測量分析等功能，如圖4所示。

圖4 開關柜微應用服務框架Fig.4 Switchgear micro-application service framework

4.1 開關柜物聯終端微應用云-邊協同

邊緣物聯終端采用軟件定義終端的架構模式，與物聯終端管理云平臺進行云邊協同工作，物聯終端管理云平臺如圖5所示。

由圖5可知，開關柜物聯終端管理云平臺包含終端管理、容器管理、應用管理、I/O設備管理等功能，其中應用管理中包含更新、下載以及業務配置的各種應用APP，業務應用人員只需將物聯終端所需要的APP下載到特定的物聯終端中，那么該終端就具備了相應的功能，可靈活實現功能模塊的即插即用，更能滿足未來開關柜智能化建設中不斷更新變化的需求。

圖5 開關柜物聯終端管理云平臺Fig.5 IoT terminal management cloud platform of Switchgear

4.2 開關柜溫濕度控制微應用

開關柜溫濕度控制APP微應用實現對開關柜斷路器室環境溫濕度傳感采集及數據分析，當斷路器室溫度大于柜頂風機設定溫度定值，同時溫度自動控制字投入情況下，邊緣物聯終端就啟動柜頂散熱風機進行降溫處理，當溫度下降到設定的低溫時則聯動停止風機，開關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 溫濕度控制微應用邏輯示意Fig.6 Temperature and humidity control micro application logic schematic

4.3 開關柜機械特性及壽命評估微應用

開關柜機械特性在線監測通過斷路器分合閘以及儲能電機監測單元直接對分合閘線圈動作時以及儲能電機的電流進行檢測，同時利用行程/振動監測單元的振動信息圖譜進行開關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部潛在缺陷。斷路器分、合閘線圈的電流是其機械特性的反應之一，斷路器使用壽命與分、合閘操作次數有關，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，智能物聯終端通過對斷路器分閘次數的統計，區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，建立分合閘線圈電流波形（線圈匝間短路、機械動作速度、輔助開關切換不良、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、電磁鐵運動距離過小、電磁鐵閥芯卡澀、輔助開關切除過早、彈簧疲軟、分合閘行程不到位、開關拉弧）等專家圖庫，為運維檢修提供數據參考。圖7為開關柜機械特性及壽命評估微應用分析圖。

圖7 開關柜機械特性及壽命評估微應用分析圖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柜技術需求（試行）》［28］對開關柜機械壽命要求如下：電動手車機械操作壽命，3 000 次；電動接地斷路器機械操作壽命，3 000 次。邊緣物聯終端通過對電動手車斷路器以及接地斷路器斷路器的分合閘次數進行分別操作統計，然后與規定的機械壽命次數進行對比分析，當占比達到95%時，進行斷路器機械壽命預警，支撐設備運行服務。邊緣物聯終端機械壽命預測分析邏輯如圖8所示。

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

4.3.1 開關柜局放監測評估微應用

圖9為開關柜局放微應用邏輯示意圖。

圖9 開關柜局放微應用邏輯示意圖Fig.9 Logic diagram of switchgear partial discharge micro application

開關柜局部放電是指當高壓電氣設備外加高電壓時，絕緣部分區域發生放電，但還未形成固定放電通道的放電現象。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；維修工作造成的機械損傷；污穢；絕緣系統設計缺陷；磨損與老化等。其中絕緣故障是導致高壓電纜，開關柜損壞和安全事故的首要原因，局放監測是發現早期絕緣故障的主要手段。局部檢測系統可分為局放傳感器（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據通信，收集到的數據經邊緣計算匯總后傳送到邊緣物聯終端進行局放分析評估給出注意態、異常態、嚴重態、正常態，支撐開關柜智能運維工作。

4.3.2 溫升評估微應用

開關柜溫升過高帶來的氧化腐蝕，會加速導致接觸電阻增加，進而加速溫升，形成惡性循環，從而導致設備損壞，發生爆炸等嚴重情況。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］為嚴重。各相間溫升差值均判別、顯示各點和各相溫升評估狀態。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。開關柜溫升評估微應用邏輯如圖10所示。

圖10 開關柜溫升評估微應用邏輯示意Fig.10 Schematic diagram of micro-application logic for temperature rise evaluation of switchgear

4.3.3 斷路器及接地斷路器視頻狀態分析微應用

開關柜物聯終端通過采集柜內斷路器室及電纜室視頻數據進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斷路器當前分、合狀態，按照雙點遙信方式實時顯示當前位置狀態，從而支撐運維人員的精準運維。

表1 開關柜狀態識別Tab.1 Switchgear status identification

圖11 物聯終端視頻微應用分析圖Fig.11 IoT terminal video micro-application analysis diagram

5 結語

在開關柜智能化、物聯網化發展趨勢下，本文以邊緣物聯終端為核心，給出了開關柜邊緣物聯終端軟件定義終端體系架構，該體系架構可實現邊緣物聯終端與云平臺的云-邊協同，靈活實現開關柜新增功能需求。文章針對開關柜傳感信息布局采用多種傳感器進行了詳細的分析描述，構成了以邊緣物聯終端為核心的開關柜感知數據采集、分析、預判和處理體系架構，構建了面向開關柜各類應用場景下邊緣計算微應用，開展并設計了開關柜環境溫濕度監控微應用、局放監測分析微應用，接地斷路器視頻分析確認微應用、設備關鍵點溫升評估微應用等功能服務，可為開關柜智能化建設提供支撐。方案推廣應用后，不但能夠使開關柜智能化得到有效提高，助力精益運維，同時可以提高設備精益化管理水平。