智能配網開關設備研制應用

寧夏力成電氣集團有限公司 丁立科 馬立軍 申曉兵 曹建華

近年來隨著能源電力、“云大物移智”等技術的不斷進步與應用，電力系統逐步向以橫向多能源互補、縱向源網荷儲協調為主要特征的能源互聯網、綜合能源系統發展，同時電網公司提出向綜合能源服務商轉型的重大戰略部署，提出打造樞紐型、平臺型、共享型企業、建設運營好堅強智能電網和泛在電力物聯網。

各配網開關設備制造企業在時代的發展方向下也積極推進產品升級換代和智能配網開關設備的研制工作，大家都在積極地探索中不斷前進，不斷完善著各自的傳統產品，使其能夠智能化，應用安全可靠性性提高，配合國家電網做好、做實電力系統中最基礎的配網產品，也是在為堅強智能電網打定堅強基礎。

隨著信息化技術的發展，“萬物互聯”成為技術發展的趨勢，通過物聯網的技術手段將配網開關設備的運行指標進行實時監測和預警，將傳統的開關設備智能化，可進一步地提高電力系統安全、穩定運行。尤其是以數據分析為目的，以可測、可控、可視、協同自愈為方向的智能配網開關設備，逐步成為行業內部對智能配網開關設備重要的考評依據。

10kV 配網開關設備KYN28-12金屬封閉開關設備不僅廣泛應用于電力系統的各類變電所以及發電廠、工礦企事業高壓配電當中，占據著電力系統的半壁江山，而且其自身產品整體構架特征、工作運行環境和電壓等級在配網開關行業極具代表性，這也就使其成為各開關設備制造企業實現智能開關設備的首選產品。

寧夏力成電氣集團有限公司研制的10kV 智能配網成套開關設備，采用雙通道物聯網網關（4G 和NB-Iot）[1]，在開關設備的相應各項功能隔室內配置在線導體溫度、弧光、噪音、灰塵傳感器，以及通過RS485方式將上述傳感器和網絡儀表、智能操控交互，自動采集設備運行工況（環境特征、機械特性、表象特征、電量特征）上傳到云平臺，利用平臺PHM（設備健康管理模型）對設備運行進行狀態監測、健康評估、故障預測，從而使設備具備了運行全生命周期內（≤20年）的可測、可視，進而使得產品智能化、管理科學化、運行可靠性程度顯著提高。

1 研制過程

1.1 工業設計

智能配網開關設備設計之初，通過工業設計把傳統鈑金工藝與新材料、新技術融合應用形成了智能配網成套開關設備。在原有成套開關柜結構設計方面重點強化了五防閉鎖、電氣傳動路徑防護，并在全系列產品中統一工業設計元素風格。

工業設計中力求產品外觀造型簡潔、大氣、莊重，在企業VI 設計基礎上提煉并融入了“斜45度”一致性語言元素，特別是在產品整體形象設計、門板與上下坎部件設計、門鎖與拉手設計、絲印與LOGO 設計、銘牌與標識設計、涂層材質與工藝設計等方面進行了統一設計，形成配網開關設備工業產品穩重、大方的效果，充分體現出高端產品的科技感和強烈的企業特色，為產品內部結構設計、電氣設計、智能化設計等提供一個標準框架和基礎平臺架構，為產品具備安全可靠、便捷維護、智能化的獨有技術特色起到重要的支撐作用，對產品的擴展開發、應用開發奠定了良好的基礎。

1.2 安全設計

在產品整體設計過程中產品結構合理設計尤為重要，產品整體結構的布局會影響到產品運行性能。傳統的開關設備的功能單元檢修門相互獨立，各隔室門鎖相互獨立，若開關設備任意隔室內出現短路、電器元件漏電、線路接觸不良等，此時作業維修人員檢修時因無聯鎖機構導致誤入帶電間隔，輕者損壞電器設備、重者發生觸電事故乃至使作業維修人員死亡。

此類問題歸根到底是產品安全性問題，寧夏力成電氣集團有限公司研制的10kV 智能配網成套開關設備，在產品結構方面安全性方面設計了后門聯鎖裝置U 型鎖扣和斜槽鎖扣實現反向閉鎖功能。提供了更為可靠的電纜室內接地開關連鎖機構，使得其與后門、操作孔操作具備先后順序，即必須先接地開關合閘、開后門和必須先關閉后門、再接地開關分閘的防誤閉鎖強制性手段，強化了成套開關設備的五防聯鎖，提高了產品安全性能。

圖1 智能配網開關設備及連鎖機構

10kV 智能配網成套開關設備通過機械電氣傳動方式提升設備安全可靠性。主要是在設備斷路器室門板本體的內側面的邊緣周增設一圈氣流泄壓式U 形槽，經過U 形槽的緩沖使得噴射出的氣流壓力明顯低于斷路器室內氣壓，高壓高熱氣體經由門板與柜體邊框縫隙時的噴射速度顯著降低，可有效避免爆炸產生的高壓高熱氣體直接經由門板與柜體邊框的縫隙噴射而出時對人體造成危害，提高產品安全性。

1.3 智能化集成應用

在產品電氣和智能化設計中，10kV 智能配網開關設備以RAM 為主控核心的雙通道物聯網模塊，借助4G 和NB 通訊技術，集保護、操控、測量、通信、顯示等功能一體化的綜合集成裝置，有利于開關柜精簡結構和接線、提升自組網、且兼容工業有線或無線網絡各類技術協議集成應用，實現了基于物聯網的智能配電綜合自動化系統。

智能型成套開關設備與工業信息化網絡系統的組合應用，在為用戶開放本地集中監測與控制系統外，更突出的特點是：通過本技術的創新研發，可形成對遠方配電系統上的智能配網開關設備，在制造廠內部的云數據平臺上，進行遠程實時監控、協調和運維集成系統，可為缺少配電系統管理和運維技術資源的用戶提供遠程技術托管服務。

10kV 智能配網成套開關設備網絡電力儀表具備電量采集通訊，符合Modbus-RTU 協議要求，在柜內應用振動、弧光、噪音、污穢傳感器，電力儀表和傳感器最終通過RS485方式與物聯網網關連接，網關上行協議執行MQTT。整體與基本的電力應用、高電壓、電氣傳動等的融合，形成了一種強電與弱電相匹配的智能技術成果。

通過設計研制工作，最終形成了10kV 智能配網開關設備標志性產品KYN28-12智能高壓交流金屬封閉開關設備。此產品通過工業設計把傳統鈑金工藝與新材料、新技術融合應用形成的智能型配網成套開關設備，在產品電氣方面研制了配網設備用雙通道（4G/NB-iot）物聯網網關，各功能隔室內配置的導體溫度、弧光、噪音、灰塵等多種傳感器，以及電力儀表、智能操控裝置在線數據通訊產品，形成了更為安全、美觀、新穎、智能的配網開關設備產品。

10kV 智能配網開關設備使原有KYN28A-12高壓交流金屬封閉開關設備基本的電氣性能、機械性能得到提升的同時，更創新實現了配網設備廣泛在電力物聯網的技術應用，形成了一種弱電與強電相匹配的技術成果，達到高端化、智能化產品設計的目標，為電力產品的智能遠程運維服務提供了強有力的底層數據采集支撐，并且融合PHM 設備預測與健康管理技術，使產品具備了故障預測、預警等功能。

一是實現了配網開關設備全壽命周期內的可測、可預、自學習、自適應的智能化技術；二是實現了配電設備運行狀態監測、分析與診斷，及配電設備全生命周期預測性管理、維修、保養。做到在設備故障發生前，依據當前設備需要維修狀態進一步判斷是由于何種故障模式引起的設備健康水平的下降，從而對故障模塊或部件盡早進行檢測與識別。

平臺能夠依據獲取的狀態監測信息，判斷當前設備處于其性能退化過程中哪一種健康狀況，是正常態、性能下降態或某一功能失效態，估計當前的狀態偏離正常態程度的大小；依據當前裝備系統的健康狀況，監測裝備系統運行狀態并故障預測，確定未來時間設備系統是否能正常完成其功能，并根據過去和現有的狀態預測出未來某時間的狀態，從而可做到故障的提前預警。

圖2 智能配網開關設備采集、分析與預判研究

10kV 智能配網成套開關設備技術上的創新實現，提高配電網運行的可靠性和效率，是積極主動響應“泛在電力物聯網”技術發展趨勢的重要措施。在傳統開關設備賦能該技術，可降低勞動強度和充分利用現代網絡資源優勢，從而對用戶和電網均帶來有益效果。

2 產品產業化應用

10kV 智能配網開關設備產品是企業根據市場需求，圍繞智能化、數字化、信息化、高端化、品牌化配網成套開關設備的產業化戰略方向而設計的新產品，較原有產品從外觀上更具有現代性、科技感、時尚性，在性能上更為可靠、安全、智能。工藝上更符合高端電力裝備要求，更能為智能電力配網產業提供基礎支撐。目前該產品已實現產業化，但產品后期的持續改進和產品智能化程度的提高將還是我們制造企業持續關注的問題。

同時企業智能配網開關設備的實現大大推動了電力配電站遠程運維服務新業態的進步和發展，實現了終端設備的異常預測、及時維保，提升了設備供電可靠性、使用壽命和產品在市場上核心競爭力，也為制造企業向“制造+服務”型轉變奠定了堅實的基礎。

制造業智能化、互聯網化是新一輪技術與產業革命的大趨勢，配電產業的生產工藝及加工手段體現出工業4.0的兩大特點：一是智能化；二是多批次小批量，定制生產滿足個性化需求。因此設計適合機器人流水化生產的組件式配網設備生產單元，并重新規劃產業鏈，將是配網開關設備行業發展的趨勢。通過加工制造高度的可視化、自動化來實現產出產品的高效率、低成本目的。

3 結語

基于新一代信息技術（人工智能、物聯網、傳感、互聯網、大數據、云計算、區塊鏈）的迭代發展和國家電網建設的要求[2]，配網成套設備行業開展智能化和提升產品智能化技術的研究，提高產品的技術含量是在市場中獨占鰲頭的必由之路，所以還有以下幾個方面需要企業去取長補短。

配網開關產品實現智能系統網絡化。隨著移動互聯網科技的發展，越來越多的領域在智能方面的探索有了新的認識和應用。配網開關行業在變電所、樓宇及民用住宅等領域廣泛應用互聯網技術，實現了利用電腦、手機、電視等電子設備對配電站點實現全天候現場實時監控，從而降低配網監控系統投資成本。

產品組件模塊化、結構組合化。研發適于配網開關系統應用的模塊化配電成套產品組件，模塊化設計將使成套產品的制造過程大大簡便，通過不同模塊積木式的組合，使各功能單元獲得不同的附加功能，從而形成有機結合的整體。組合化的成套產品使得不同功能的單元組合在一起，有利于外形結構更緊湊，提高空間利用率，減少線路中所需的元件品種，并使“強電”和“弱電”保護特性及應用功能得到良好的配合。

零部件通用化。不同產品單元或不同功能組件實現零部件通用化，提高標準化程度，對制造企業來說將大大減小產品的開發和生產成本并減少零部件的庫存量，對用戶來說也便于維修和互換。

配網開關設備遠程運維。通過配網開關設備遠程運維可實現偏遠地區終端用戶用電維護難、專業人員不足、故障排除不及時等問題，充分發揮配網開關設備設備智能化應用與電力大數據的優勢，為用戶提供更優質的用電體驗，符合人們對高可靠、安全、綠色、經濟電力能源的需求。