基于物聯網技術的智能環網柜設計及應用

呂東飛，王 帥，張 永，宋燕山，牛丙震

（國網山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255000）

0 引言

環網柜因其體積小、結構緊湊、進出線靈活等優點，廣泛應用于城市配電網，其設備健康狀態直接影響到用戶供電可靠性［1-2］。環網柜內部空間狹小，大負荷長時間運行時，受環境溫度和接頭發熱的影響，設備溫度易升高。此外，對于北方工業城市，還存在粉塵污染，環網柜受環境污穢影響，可能導致絕緣水平下降，發生局部放電擊穿等小故障，若不及時處理極易導致故障擴大引發安全事故［3］。傳統的電力設備人工定期巡檢模式，費時費力且難以及時準確發現故障隱患，已無法滿足數量持續增長的環網柜精益運維的需要。

物聯網技術通過感知層的延伸［4］，基于狀態感知和執行控制端設備，通過邊緣計算就地評估設備狀態，可實現環網柜故障點快速精準的鎖定，并與站內保護裝置相配合，實現就地故障自愈，滿足供電安全和高供電可靠性的需要；同時，應用大數據、人工智能等技術對歷史數據和實時運行狀態綜合處理，實現環網柜健康狀態的動態評估，達到提前預警的效果。

近年來，某供電公司作為配電物聯網技術試點和示范應用單位，積極探索基于物聯網技術的智能環網柜、基于邊緣計算［5］的智能終端等中壓配電物聯網關鍵技術，并結合工程現場開展實際應用，取得了良好的效果，有效說明了物聯網技術應用于環網柜的可行性和有效性。

1 物聯網技術應用需求

某典型重工業地區，轄區內配電線路復雜，粉塵污染嚴重，電氣設備長期受環境污穢影響，易造成內部絕緣能力下降，存在擊穿放電的風險［6］。經研究分析，現有配電線路及設備問題有以下方面。

1）環網柜內加熱、排氣、除濕等輔助裝置長期處于運轉狀態，由于缺乏統一的管控，一旦裝置損壞停運難以及時發現，易造成環網箱內環境調節失控，影響設備安全運行，縮短設備的使用壽命，甚至直接引發故障。

2）線路發生短路故障后，通過出線開關重合閘嘗試恢復供電，存在對故障點重復沖擊的問題，嚴重時可能引發故障點起火，導致事故擴大。

3）定期由人工進行的環網柜局部放電帶電檢測，受人員技術水平差異、放電信號不穩定、檢測周期間隔長等因素的影響，無法及時發現設備隱患，一旦情況惡化將直接引發故障。

4）電纜線路大量應用集中式饋線自動化模式，自愈過程依賴于穩定的通信通道和二遙動作型“看門狗”開關可靠動作，自愈時間一般為3～5 min，已逐漸無法滿足高可靠性區域的供電需求，亟須進一步減少故障自愈時間。

為解決上述問題，依托某配電線路，基于物聯網技術將原有環網柜升級改造為智能環網柜，通過設備狀態在線感知、就地邊緣計算分析處理和云邊協同優化控制，實現設備健康狀態在線評估、隱患提前預警和故障快速處置。

2 物聯網化環網柜技術架構

基于物聯網技術的智能環網柜系統架構自下而上分為4 層，分別為終端感知層（端）、邊緣計算層（邊）、網絡傳輸層（管）和平臺應用層（云），如圖1所示。

圖1 整體架構示意

2.1 終端感知層

終端感知層主要包括二次終端和傳感器，實現環網柜運行狀態、設備狀態和環境量的監測和控制。環網柜一次設備、二次設備采用一體化設計，系統考慮整套設備一、二次設備間的接口匹配性，可增強二次終端設備的兼容性、擴展性、互換性，降低現場安裝施工及調試維護強度，并可有效避免因一、二側壽命不匹配所導致的設備利用率低及資源浪費問題。

環網柜中所有的終端感知單元均采用標準化接口和模塊化設計，便于安裝和后期更換維護，滿足一體化、小型化、模塊化、就地互換化的需求。從功能應用角度，環網柜集成多種智能傳感器，如圖2 所示，具備環網箱外部溫度監測、煙感監測、浸水監測，環網箱內溫濕度監測、局部放電監測，各間隔電纜頭溫度、煙霧、濕度、水位、局部放電監測等功能，實現環網柜設備狀態的全面感知，滿足設備健康狀態評估、故障快速處置的需要，為環網柜故障分析預警及風險評估提供數據支撐。

圖2 終端硬件配置示意

2.2 邊緣計算層

邊緣計算層是物聯網環網柜就地處理的核心，由物聯管理單元實現，包括物聯硬件層、操作系統層和應用層3部分，如圖3所示。

圖3 邊緣計算架構圖

物聯管理單元的應用層微應用APP 可根據需求定制開發，實現邊緣計算功能，并與平臺應用層交互數據處理結果，避免大量數據實時上傳，以獲得更快的響應速度，大幅提升處理效率，實現實時可控在控。例如，對于環境監測功能，通過配置環境調節APP，在數據超限時通過本地邊緣計算層啟動相應的加熱、除濕、排氣等裝置，并向云主站發送研判及指令執行情況，數據超限期間持續向主站推送相應環境量值，直至異常值降至正常范圍內。云主站同時向供電服務指揮系統推送預警信息及相應監測數據，派發主動運檢任務單，運維人員根據各監測點的數據，可分析出哪個間隔出現密封不良、絕緣能力下降等問題，從而開展針對性的消缺工作。消缺成效以環網箱間隔監測數據變化為評價依據，實現根本性的閉環管控。

2.3 網絡傳輸層

在網絡傳輸層方面，集成專網/公網通信設備，云-邊應用MQTT 協議［7］、邊-端應用CoAP 協議［8］，滿足本地和遠程通信需求，如圖4所示。

圖4 網絡傳輸層示意

本地通信組網方面，為了滿足終端感知延伸層和邊緣計算節點間暢通、高效、低消耗的通信，環網柜局放、機械特性、濕機等采用RS485 通信交互，電纜頭測溫采用就地微功率無線；各單元式數據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）采用以太網接入交換機，實現本地快速數據交換，并經光設備與相鄰環網柜單元式DTU 進行快速數據交換。遠程通信組網方面，配電設備物聯管理單元串聯以太網加密盒子，按中壓配電全數據加密要求處理后，接入以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）通信設備系統，通過光纖網接入配電自動化系統；配電設備物聯管理單元采用4G LTE［9］，按照國家電網有限公司網絡安全防護體系進行加密后，接入省公司主站。

2.4 平臺應用層

在平臺應用層方面，基于云架構［10］，集成IoT 平臺，滿足微服務微應用需求。通過算力支撐、數據加工完成對數據的分析管理工作，并綜合利用大數據、人工智能等技術，實現機構動作特性分析評估，電纜頭測溫與健康評估，局放監測與健康評估，饋線同期線損監測與異常預警，為設備狀態檢修提供可靠性決策，如圖5所示。

圖5 環網柜狀態評估示意

當物聯網化環網柜發生故障時，系統提供故障前狀態數據，結合歷史故障、缺陷、隱患等信息，拓撲圖分析的故障范圍，為故障快速定位提供支撐。故障搶修時，通過移動終端掃描，結合電網資產中心、資源中心獲取設備基礎情況，并上傳搶修進度至系統。搶修結束后，搶修人員上傳檢修結果，各高級分析應用根據統一數據模型，獲取數據，開展后續高級分析。

3 基于邊緣計算的分布式饋線自動化

為滿足配電網高供電可靠性要求，基于物聯網化環網柜，應用物聯網邊緣計算就地處理，設計分布式饋線自動化故障處理模式，選擇相鄰智能終端之間，通過光纖以太網交換、處理線路區段兩側的故障電流的相位信息，識別故障區段，應用光纖差動保護原理［11］，直接跳開故障區段兩側斷路器切除故障，使非故障區段用戶的供電不受影響，實現故障快速自愈。忽略故障電流傳播時間，可認為故障回路上所有終端同時檢測到故障電流，以終端檢測到故障電流的起始時刻作為時間參考點，可實現分布式終端的同步相量測量。

3.1 就地分布式故障處理邏輯

如圖6 所示，物聯網化環網柜邊緣計算終端通過智能感知狀態傳感器，實時采集線路電流數據，一旦發生線路故障，能及時采集故障信息，將故障信號上傳并啟動分布式邏輯功能，邊緣計算終端進行故障定位，并啟動光纖差動分布式策略［12］隔離故障，若隔離失敗則啟動站內保護跳閘。故障點相鄰的邊緣計算終端向主站推送故障研判結果、動作執行結果和故障錄波波形，主站將故障區間和自愈全過程信息展示給調度員和配網搶修人員。

圖6 基于邊緣計算的分布式饋線自動化故障處理邏輯

3.2 就地分布式故障處理示例

以圖7所示線路為例，其典型的故障處理過程如下。

圖7 線路接線示意

1）F1位置發生開關站間線路故障時，CB1跳閘，開關1-1 失壓分閘閉鎖，啟動網絡備自投功能，聯絡開關3-1自動合上，快速恢復非故障區域供電。

2）F2 位置發生開關站間線路故障時，則CB1 保護告警，啟動光纖縱差保護動作，開關1-2 和2-1 同時跳閘，系統啟動網絡備自投功能，聯絡開關3-1 自動合閘，快速恢復非故障區域供電。

3）F3 位置發生開關站母線故障時，則CB1 保護告警，母差保護動作，開關2-1和2-2同時跳閘，系統啟動網絡備自投功能，聯絡開關3-1 自動合上，快速恢復非故障區域供電。

4）F4 位置發生分支用戶故障時，則開關2-3 過流/速斷保護動作跳閘，直接分閘就地切除故障。若發生拒動同3）處理。

4 應用情況

基于物聯網技術設計的智能環網柜進行試點應用，形成在線監測預警應用平臺如圖8 所示，應用效果如下。

圖8 平臺應用示意

1）實現對環網柜機構動作特性分析評估，配電設備物聯管理單元預置標準動作特性模型，并通信采集各間隔機構整組動作特性數據，就地多間隔、多維度、多數據對比分析，評價環網柜動作遲滯偏差值、歷史偏差曲線、超限告警，主動或突變上送。通過邊云協同服務獲得整條饋線光差保護間隔動作特性數據，自舉自身特性指標與饋線上其他環網柜的動作偏差曲線、超限告警。

2）實現對環網柜電纜頭測溫與健康評估，配電設備物聯管理單元預置電纜頭電流-溫差比標準模型，并通信采集電纜頭實時溫度、負荷電流，參比環境溫度，就地多間隔、多維度、多數據分析，設置偏離告警范圍，定時或突變上報評價結果。

3）實現對環網柜局放監測與健康評估，配電設備物聯管理單元通信采集各間隔局放傳感器數據，本地存儲各間隔數據，就地分析間隔自身局放發展趨勢，并對比其他間隔局部放電發展趨勢，形成統計對比數據、個體突發越限記錄，定時或突變上送（含數據、事件）。

4）實現線路及環網柜故障就地快速自愈，應用物聯管理單元邊緣計算技術，基于光纖差動保護原理，提出分布式饋線自動化處理策略，實現故障就地快速自愈。

5）實現對饋線同期線損監測與異常預警，基于各環網柜同步對時，分析電能凍結數據、實時電氣量數據，統計分析饋線各段線損情況，線損異常主動告警。

經過試點應用，基于多維的數據采集與快速處理，在故障發生前，可對箱內設備、電纜終端的絕緣水平等進行全面評估，缺陷發現及時率可達到99%以上，形成完全閉環、評價直觀的消缺消隱閉環管理體系，由被動搶修轉變為自動調節、主動運維。故障發生前狀態可追溯并可全面分析；故障發生后，短路與接地故障自動隔離成功率大于95%，潛伏性故障檢測成功率大于95%，故障測距誤差小于30 m。

5 結語

隨著城區配電化建設和電纜化率的提升，環網柜的應用規模正快速增長。現有環網柜人工定期巡視和帶電檢測方式，已無法滿足配電網精益化運維的需要。物聯網技術的興起為環網柜的設計、運行和運維等提供了新的思路，基于物聯網技術的智能環網柜系統，可實現環網柜機構動作特性分析評估、環網柜電纜頭測溫與健康評估、環網柜局部放電監測與健康評估、故障就地快速處置、饋線同期線損監測與異常預警等功能，提高了環網柜運維效率和供電可靠性，實現配電網資源配置優化與效率效益的提升。應用物聯網技術的智能環網柜具有廣闊的應用前景，提出的設計方案和工程應用情況具有借鑒意義。