10kV環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)研究

浙江省慈溪市輸變電工程有限公司大明分公司 裘思楊 鄭勇毅 高棟寅 徐學軍 茅松雷

伴隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展，在線監(jiān)測系統(tǒng)的推廣受到了廣泛關注，能在提升在線監(jiān)測實時性水平的同時，還能依據(jù)數(shù)據(jù)指導工作人員開展相應作業(yè)，最大程度上優(yōu)化設備的運行質(zhì)量，減少經(jīng)濟損失，為電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎。

1 10kV 環(huán)網(wǎng)柜應用在線監(jiān)測系統(tǒng)的意義

一方面，正是因為環(huán)網(wǎng)供電的應用價值，環(huán)網(wǎng)柜的管理也更加重要，而在環(huán)網(wǎng)柜運行過程中，各類故障問題互對其應用質(zhì)量產(chǎn)生影響，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)就能對環(huán)網(wǎng)柜的運行狀態(tài)予以實時性監(jiān)測，著重了解診斷信息后開展相應的處理工作，不僅能減少停電事故，也能為配網(wǎng)安全應用提供保障[1]；另一方面，電力負荷數(shù)量激增，傳統(tǒng)的應用管理模式已無法有效支撐系統(tǒng)設備的應用管理，因此利用合理性的在線監(jiān)測系統(tǒng)能大大縮減成本，并提高資源利用率，為綜合運行管理效果的提高及成本的控制創(chuàng)設良好的技術平臺。

圖1 環(huán)網(wǎng)柜在線檢測系統(tǒng)結(jié)構圖

2 10kV 環(huán)網(wǎng)柜應用在線監(jiān)測系統(tǒng)的具體方案

在10kV 環(huán)網(wǎng)柜應用在線監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，要結(jié)合具體應用要求，保證相關控制模塊處理的規(guī)范性和科學性，最大程度上提高應用效率。基于分布式DTU 環(huán)網(wǎng)柜的在線監(jiān)測專項系統(tǒng)，具備極高可靠性及實時性，故此環(huán)網(wǎng)柜的在線監(jiān)測專項系統(tǒng)柜內(nèi)與柜外部所實行不同的傳感通訊系統(tǒng)方案設計，以維持整個系統(tǒng)更為可靠、實時且穩(wěn)定運行狀態(tài)。

針對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的系統(tǒng)傳感設計實施方案層面。著重考慮整個環(huán)網(wǎng)柜自身密封程度以及絕緣水平層面要求，環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)倘若實行有線傳輸則總體布線繁瑣復雜，環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)總體結(jié)構則極易遭到破壞，安全隱患問題極易產(chǎn)生。同時難以解決高壓母線以及電纜接頭層面?zhèn)鞲醒b置所致高壓隔離相關問題。故此次基于分布式DTU 環(huán)網(wǎng)柜的在線監(jiān)測專項系統(tǒng)設計當中，環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的系統(tǒng)通信設計實行無線傳輸組網(wǎng)形式。

2.1 總體設計內(nèi)容

在DTU 室安裝主控單元，并且設計的各個節(jié)點體系之間要維持完整切規(guī)范的節(jié)點間通信距離，保障自動路由和自動組網(wǎng)等基礎功能模塊的應用效果。基于此，是在10kV 配電室內(nèi)安裝環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測工作站，配置高性能PC 計算機，借助光纖以太網(wǎng)就能建立數(shù)據(jù)為主的控制單元應用平臺，發(fā)揮監(jiān)測作用的基礎上還能匹配智能診斷算法，實現(xiàn)人機界面數(shù)據(jù)采集和診斷曲線算法分析的多元性控制目標。

圖2 整體在線監(jiān)測結(jié)構布局示意圖

另外，在傳感器處理方面，要依據(jù)模擬量的差異化特性對信號予以調(diào)理控制，并配合相應控制方案，有效講模擬傳感器采集信號放大到規(guī)定參數(shù)，確保濾波調(diào)理控制等模擬量分析的合理性，充分結(jié)合10kV 環(huán)網(wǎng)柜應用要求和監(jiān)測參數(shù)標準，完成傳感器的節(jié)點布局[2]。監(jiān)測參數(shù)的項目為：SF6氣箱氣體狀態(tài)（SF6環(huán)網(wǎng)柜氣體壓力、溫度、含水量）；SF6氣箱局部放電（局部放電的參數(shù)大小和形式）；二次控制回路（分合閘線圈回路是否完好、有無斷線）、二次控制電壓（分合閘線圈電壓是否正常）；斷路器行程（監(jiān)測彈簧操作機構彈簧的壓縮狀態(tài)）。

簇頭節(jié)點傳感器分布，設置局部放電監(jiān)測節(jié)點、軟連接處溫度監(jiān)測節(jié)點、SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點、真空觸頭溫度監(jiān)測節(jié)點、主回路電流監(jiān)測節(jié)點等；單元柜，分合閘線圈電流監(jiān)測節(jié)點、觸頭速度監(jiān)測節(jié)點、振動信號監(jiān)測節(jié)點、控制回路電流監(jiān)測節(jié)點、分合閘電壓監(jiān)測節(jié)點、溫度和局部放電監(jiān)測節(jié)點等[3]。

圖3 DTU 監(jiān)測模塊原理圖

2.2 通信單元設計

2.2.1 環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部通信

近年城市10kV 配電網(wǎng)中廣泛應用環(huán)網(wǎng)柜，主要是因為設備自身的體積小且應用便捷，應用傳感器網(wǎng)絡無線傳輸布線能大大提升應用效率，不僅不會影響環(huán)網(wǎng)柜自身的布線系統(tǒng)結(jié)構，還能提升安裝效率，為更好地拓展擴展性提供支持。在無線傳感器網(wǎng)絡體系中，利用ZigBee 技術進行多跳自組織網(wǎng)絡的設置，能維持協(xié)同合作感知的規(guī)范性，還能建構完整的數(shù)據(jù)傳輸和信令交互模式，最大程度上提高通信質(zhì)量。

首先，利用無線傳輸技術實現(xiàn)傳感器節(jié)點的應用管理，配合相應設備，就能有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)存儲管控，并配合本地信息采集模式，打造融合性較強、存儲效果較好的應用平臺；其次，完成匯聚節(jié)點的控制，匹配通信模式、存儲模式和信息處理模式，就能打造完整的主控單元管理平臺，保證10kV 環(huán)網(wǎng)柜信息采集的科學性；最后，借助動態(tài)管理模式能實現(xiàn)對整個無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)督，因為傳感器網(wǎng)絡要借助管理節(jié)點對無線傳感器予以訪問，這就能調(diào)動所有資源，在提升應用性能的同時還能為10kV 環(huán)網(wǎng)柜安全管理提供保障[4]。

如，因為SF6氣箱內(nèi)的無線傳感器節(jié)點不能穿透密封的SF6氣箱，因此在氣箱內(nèi)設置簇頭節(jié)點，能利用套管從氣箱穿孔引出，配合操作室就能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的實時性匯總，將其發(fā)送到主控單元內(nèi)。在應用ZigBee 芯片的過程中，保證不同傳感器節(jié)點按照不同要求予以控制，實現(xiàn)芯片最佳組合，為10kV 環(huán)網(wǎng)柜提供在線監(jiān)測[5]。

2.2.2 環(huán)網(wǎng)柜外部通信

10kV 環(huán)網(wǎng)柜配網(wǎng)自動化系統(tǒng)在運行過程中會在后臺主控室間產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，如何對這些信息進行管理是提高系統(tǒng)安全性與效率的關鍵。信息安全管理平臺的構建，能對系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進行科學合理的管理，主要包括信息的匯總、分析以及數(shù)據(jù)信息的儲存。這為提升配網(wǎng)自動化系統(tǒng)運行管理效率提供了大量的數(shù)據(jù)支持。

環(huán)網(wǎng)柜配網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要是借助光纖通信技術模式，搭建10kV 環(huán)網(wǎng)柜和后臺主控室之間的數(shù)據(jù)交換平臺。主要是將10kV 環(huán)網(wǎng)柜的主控單元安裝在DTU 室內(nèi)，確保其結(jié)構和光端機之間能形成RS485串口連接通信模式，有效維持傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的平衡，并建立基于光纖以太網(wǎng)的傳輸結(jié)構，保證配網(wǎng)自動化系統(tǒng)運行的合理性[6]。

2.3 簇頭節(jié)點設計

為保證10kV 環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)運行的規(guī)范性，要結(jié)合設計要求落實簇頭節(jié)點的處理，一般是設置一個簇頭節(jié)點，將其安裝在10kV 環(huán)網(wǎng)柜的氣箱壁位置，借助套管就能使用無線收發(fā)芯片完成端子排室的處理，集成SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測模塊和超高頻傳感器模塊，有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合管理。本文選取MSP430系單片機，具備較高的閃存容量和12位ADC，工作電壓為1.8V 到3.6V，整合了CC2530F32的芯片組，能有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時性交互分析和處理[7]。

節(jié)點電源設計：簇頭節(jié)點在SF6氣箱壁，工作電源為3.3V，SF6氣體壓力傳感器的電源為24V，溫度濕度傳感器的電壓為3.3V，維持開合閘控制處理[8]；主控單元：因為10kV 環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測需要匹配較多的傳感器信息，因此，借助PFGA 就能更好地完成信息處理，滿足數(shù)量較大且突發(fā)性較強的數(shù)據(jù)分析要求，利用硬件描述語言實現(xiàn)電路設計，充分發(fā)揮軟件集成度高且可靠性號的特性優(yōu)勢。在采集信號后，就能對其進行處理分析和實時性存儲，并配合10kV 環(huán)網(wǎng)柜光端機將相關信息數(shù)據(jù)直接發(fā)送到后臺計算機，以便于落實相應的動作[9]。

后臺方案：系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)讀取界面、數(shù)據(jù)處理和分析界面、數(shù)據(jù)文本存儲界面、10kV 環(huán)網(wǎng)柜故障診斷模塊、數(shù)據(jù)和曲線顯示界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面等，以保證能在獲取實時性信息數(shù)據(jù)后建立較為可靠的數(shù)據(jù)分析平臺，維持數(shù)據(jù)處理的規(guī)范性和應用的合理性。不同模塊共同作用打造完整的分析機制，能及時匹配智能算法對10kV 環(huán)網(wǎng)柜運行狀態(tài)予以診斷[10]。此外，要依據(jù)實時性分析數(shù)據(jù)和匯總管理要求，還能對檢測量進行數(shù)值的評估，結(jié)合評估結(jié)果與分析相關數(shù)據(jù)就能綜合診斷10kV環(huán)網(wǎng)柜的壽命。

圖4 后臺程序流程圖

3 在線監(jiān)測技術發(fā)展前景

通過對電力系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)檢修理論與技術有著密切關聯(lián)。從決策技術與預測技術層面來看，目前工業(yè)國家的設備使用期限已接近老齡化階段，設備在運行過程中的故障發(fā)生概率越來越高，需通過采取相應方案的方法保證設備使用壽命，確保設備使用周期能得到切實延長，從而有效提高設備利用率以及經(jīng)濟效益。

利用在線監(jiān)測技術對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)測時，能在有效提高設備使用效率的同時保證檢修效率。現(xiàn)階段技術應用還存在著一定的不足之處，如何有效提升監(jiān)測系統(tǒng)抗干擾能力、提高監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果精準度等，都是科研人員需關注的重點內(nèi)容，也是今后需解決的重要技術難題。現(xiàn)階段介損測量技術及阻性電流測量技術發(fā)展較為理想，但還需對傳感元件一些問題、CPU 程序、通訊設計等展開進一步優(yōu)化，確保在線監(jiān)測技術能更好地為電力系統(tǒng)運行進行服務，為系統(tǒng)運行可靠性貢獻出更大的力量。

4 結(jié)語

10kV 環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的設置和處理，要結(jié)合實際應用要求，確保技術系統(tǒng)的規(guī)范性和科學性，匹配相應的界面處理單元，就能及時了解10kV環(huán)網(wǎng)柜的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題后迅速報警以便于開展相應的控制作業(yè)，為電力系統(tǒng)安全運行創(chuàng)設了良好的平臺。