基于物聯網技術的組合電器智能巡檢裝置設計與應用

劉旭 丁偉 孫權 王建國

（國網吉林省電力有限公司吉林供電公司,吉林 吉林 132012）

1 研究背景及意義

物聯網是一種以網絡為介質,應用先進信息技術、大數據、人工智能和現代通信技術將萬物互聯互通的網絡。物聯網建設是“新基建”順利開展的基礎和核心,同時也是企業數字化轉型的關鍵一步[1]。隨著物聯網技術在電力行業的不斷應用,將逐步改變現有運檢體系,促進能源轉型升級,朝向智能、清潔、高效的目標發展[2]。智慧變電站是變電站技術發展的最終目標,也是物聯網技術在電力行業廣泛應用的充分體現[3]。

在朝向智慧變電站發展建設過程中,國網公司早期建造了一批緊湊型組合電器變電站,該類型變電站具有設備集成化程度高、靈活配置等優點,但在設計時未充分考慮設備巡視的便利性和安全性,導致部分表計、分合閘指示器位置安裝不合理,目前現有技術不能滿足智能、高效、實時在線的巡檢要求[4]。以吉林某地區220kV變電站為例,該站220kV配電室共有表計103塊,其中可以直接讀取的表計有26 塊,完全無法讀取的表計有31 塊,剩下的表計均處于罐體頂部或底部狹小空間內,如圖1所示。運維人員在進行定期工作、設備異常處理、故障搶修和倒閘操作時,需要確認刀閘、開關分合位置以及各種表計示數,此時運維人員需要架梯登高或鉆爬狹小空間內進行查看,存在一定的安全隱患,如表1 所示。另一方面,組合電器內SF6 氣體經過電弧灼燒會分解多種有害氣體,若氣體發生泄漏會嚴重危害運維人員人身安全。目前組合電器的SF6 氣體檢測裝置通常定點安裝在各設備間隔的同一位置,一旦氣體發生泄漏,報警裝置只能報告出泄露間隔,不能準確判斷出是由哪個氣室泄露導致,這給運維和檢修人員帶來極大不便和安全隱患。

圖1 部分表計位置分布圖

表1 設備巡視安全隱患

綜上所述,由于緊湊型組合電器變電站表計、分合閘指示器安裝位置的特殊性,導致運維人員無法真實掌握設備運行狀態,增加了變電站設備運行風險及運維人員巡視風險。針對這一問題,本文結合物聯網技術設計了一種組合電器變電站用的智能巡檢裝置,該裝置由巡視小車、巡檢軌道、移動升降平臺、環境在線監測裝置、顯示控制終端五部分組成,可輔助運維人員實現全站表計讀取、SF6 泄露位置查找、溫濕度監測等功能。

2 智能巡檢裝置設計思路及原理

2.1 設計思路

根據組合電器設備結構以及實現功能的不同,將智能巡檢裝置拆分為巡視小車、巡檢軌道、移動升降平臺、環境在線監測裝置和顯示控制終端五部分組成,其中顯示控制終端作為信息接收端和指令發送端,可實現控制小車行進、攝像頭旋轉拍照與錄像、顯示表計讀數的功能；移動升降平臺控制小車升降,將小車送入指定巡視軌道；巡視小車安裝高清攝像頭,可實現拍照、錄像等的功能,記錄巡視信息并上傳到顯示控制終端；環境在線監測裝置搭載巡視小車上,用于檢測設備間隔內SF6 氣體含量、溫度以及濕度；在設備狹小空間以及罐體頂部處鋪設軌道,為小車巡視提供軌道路線。裝置各部分功能邏輯如2 所示,現場應用三維結構圖如圖3 所示。

圖2 智能巡檢裝置功能邏輯結構圖

圖3 現場應用三維結構圖

2.2 巡視小車設計

巡視小車主要有由履帶底盤、2 自由度云臺、Wifi 攝像頭模塊、STM32 舵機控制板和電源組成。為滿足不同角度拍照、錄像,2 自由度云臺搭載Wifi 攝像頭模塊,能夠實現前后180 度旋轉、左右270 度旋轉,并通過Wifi 網絡及時將采集到的信息上傳到顯示控制平臺。STM32 舵機控制板工作電壓為6V-8.4V,支持在線調試與脫機運行,具有低壓告警、過載保護,同時控制版上預留了串口通信接口,可與其他單片機進行TTL電平串口通信。控制器指令采取內部指令,通過串口、總線口去執行指令,也可以通過內部設置程序調用,通信波特率為115200。巡視小車實物圖如圖4 所示。

圖4 巡視小車實物圖

2.3 軌道設計

軌道分為上層、中層和下層軌道,為小車巡視提供軌道路線。上層軌道用2 組抱箍配合抱箍支架固定在組合電器上,通過左右各1 組的抱箍支架與軌道連接,軌道內鋪設絕緣緩沖膠皮,抱箍支架2 米間隔一組,使軌道固定在組合電器上。中層和下層軌道用2 組抱箍配合抱箍支架固定在組合電器上,通過左右各1 組的抱箍支架吊裝4 根槽板,槽板連接軌道,并使之固定,軌道內鋪設絕緣緩沖膠皮,抱箍支架2 米間隔一組,使軌道吊裝在組合電器下方。軌道實物圖如圖5 所示。

圖5 軌道實物圖

2.4 移動升降平臺設計

設計一種直流電機控制的移動升降平臺,通過控制直流電機正反轉來實現小車的升降。移動升降平臺主要由直流電機、電動推桿、控制器、便攜式電源、四角支架和移動底座構成。通過直流電機正轉將小車升至與軌道平行高度,控制小車進入軌道,小車沿著軌道行駛對表計進行巡視,當需要對小車進行檢修維護或補充電量時,通過直流電機反轉將小車降至移動底座,電機控制原理圖如圖6 所示。

圖6 電機控制原理圖

2.5 環境在線監測裝置設計

采用工業級4G/GPRS型SF6 氣體傳感器,可以實時采集SF6 氣體信息,并通過4G/GPRS 方式進行通訊,采用主動定時上傳方式,相較于傳統的SF6 定點布線方式,4G/GPRS 型SF6氣體傳感器可以實現傳感+通訊二合一,不再需要網關與通信主機,實現了一個設備即為一個物聯網節點的功能。SF6 氣體傳感器采用直流供電,工作電壓范圍12V-24V,測量范圍為0ppm-500ppm,測量精度為1ppm。

采用4G/GPRS 型溫濕度傳感器,通過4G/GPRS 網絡進行溫濕度傳輸,無需專門的通信線路,依托手機信號網絡,能夠定時采集數據并主動上傳服務器平臺,支持網絡在線配置升級、短信查詢與參數配置。溫濕度器采用直流供電,工作電壓范圍9V-24V,溫度測量范圍和精度分別為-40℃-80℃和0.1℃,濕度測量范圍和精度分別為0%RH-100%RH 和0.1%RH。裝置環境參數顯示如圖7 所示。

圖7 環境參數顯示

2.6 網絡連接設計

WiFi 攝像頭模塊內置物聯網卡,可實現對小車“本地控制+遠程控制”兩種控制方式。本地控制可通過裝置WiFi 網絡進行連接,實測控制距離可達到500 米,滿足運維人員現場巡視距離要求。遠程控制無需WiFi 網絡,通過4G網絡與裝置內置物聯網進行連接,移動、聯通電信網絡信號均可使用。遠程控制具有網絡快、不斷網、離線可自動恢復網絡,不受距離限制等優點。物聯網控制示意圖如圖8 所示。

圖8 物聯網控制示意圖

3 現場應用

首先啟動升降平臺及小車電源開關,將小車放置于升降平臺掛鉤上,應用升降控制器將小車送入指定巡視軌道,然后打開顯示控制終端APP,應用物聯網遠程異地控制功能控制小車前進以及攝像頭旋轉,待小車行進至表計位置后,對表計進行拍照與錄像,并記錄表計示數、SF6 氣體含量、環境溫濕度、開關和刀閘的分合狀態等數據,并上傳至顯示終端。智能巡檢裝置現場實物圖如圖9 所示,實際工作效果如圖10 所示。

圖9 智能巡檢裝置現場實物圖

圖10 裝置現場實際工作效果

4 結論

4.1 智能巡檢裝置可以協助運維人員讀取SF6 氣體壓力表計、避雷器泄露電流、避雷器動作次數,開關和刀閘的分合狀態,同時監視組合電器室內環境、匯控柜運行狀態,使運維人員掌握設備真實運行狀態。

4.2 智能巡檢裝置可以遠程監視設備運行狀態,提高了運維人員巡視效率和質量,當設備發SF6 氣體泄漏時,運維人員通過控制巡檢裝置遠程查找泄露位置,避免運維人員與有害氣體的直接接觸。