中壓柜智能化改造系統在海上某平臺的應用

中海石油（中國）有限公司湛江分公司 劉漢文

海上石油平臺的開關柜主要有高壓柜、中壓柜、低壓柜、小功率盤、防爆箱等，其中中壓柜有10.5kV、6.3kV等電壓等級，傳統的中壓柜由若干個功能單元組成，主要包括斷路器、接觸器、互感器、避雷器、母線、保護裝置、多功能表、按鈕開關、二次線等，這種成套開關設備實現接受電能和分配電能等功能。而對傳統的中壓柜進行智能化改造是在原開關柜內增設智能化元器件，利用通訊聯網技術、精密算法、大數據分析等前沿技術，實現中壓開關柜的健康狀況的實時監測及遠程的可視化控制操作等功能，實現從傳統的中壓柜升級到智能化中壓柜的蛻變。通過中壓柜智能化改造，平臺電氣人員能對中壓柜的各關鍵元器件的運行狀態進行實時在線監測，及時發現故障并進行針對性的預防措施，為平臺持續供電和持續生產保駕護航。

海上平臺傳統中壓柜的問題主要表現在如下幾個方面：平臺電氣專業人員現場操作勞動強度偏大，設備及人員的危險系數偏高。平臺電氣專業人員人工定期巡視效率低，而中壓柜的人工巡檢的質量因人而異，難以發現中壓柜運行過程中的故障與隱患，傳統情況下都是采用一年或兩年的定期巡檢，普遍存在過檢或失檢等現象。而海上平臺中壓柜的傳統的綜合自動化系統缺乏對中壓柜運行數據縱、橫維度、歷史數據等的分析。因此，急需對傳統的中壓柜進行智能化升級改造，改造的主要方向為：

將電氣專業人員就地操作升級為遠程可視化一鍵順序控制操作，通過在智能化客戶端上進行一鍵操作中壓柜進行合閘：按分開接地刀——電動底盤車進入工作位置——合閘斷路器——彈簧進行儲能的順序；通過在智能化客戶端上進行一鍵操作分閘：按分閘斷路器——電動底盤車進入試驗位置——合上接地刀[1]。其分閘、合閘的全過程都可以在智能化客戶端通過視頻觀看其設備的運行軌跡。該功能有效解決了電氣專業人員就地操作勞動強度大，同時可以避免突發電氣故障對電氣專業人員的傷害，向少人化、無人化的無人值守方式進行轉變。

開關柜的人工定期巡檢升級為開關柜的狀態在線監測，通過采集中壓柜各重要元器件如斷路器、接觸器、互感器、避雷器、母線、保護裝置、多功能表等實時運行狀態信息，對中壓柜各重要元器件的健康狀態進行分析，并根據不同的分析結果進行等級劃分及給出相應的健康評分，從而輸出不同級別的報警信號，報警信息提供詳細的故障描述及相應的處理建議或維修建議，為電氣專業人員根據處理建議或維修建議對故障進行相應的處理，并保存歷史維修記錄。從而將中壓柜的人工定期巡檢升級為開關柜的狀態在線監測，提高電氣專業人員的工作效率和維修效率，減少不必要的維修，避免過檢、失檢現象的發生[2]。

傳統的綜自系統升級為智能供配電管控系統，通過智能供配電管控系統實現中壓柜在線監測、大數據分析、故障預測及處理、全生命周期管理等功能[3]。智能供配電管控系統以智能化、無人化、安全性為根本出發點，利用信號化、智能化、大數據分析等相關技術，在原有的傳統的綜自系統基礎上配置數據采用器并對采集的運行數據進行綜合自動化管理和控制，并按平臺的實際需求進行模型分析、提供分析結果，滿足平臺對供電可靠性和效率提升的需求。智能供配電管控系統采用的主要智能化技術包含：大數據分析、歷史存儲、數據庫存儲、人機交互、通訊、溫度采集、模型分析、融合、實時在線監測、離線數據分析。智能供配電管控系統的主要智能化功能塊包括：主要元器件健康管理功能塊、專家分析管理功能塊、電能質量管理功能塊、電能量管理功能塊、溫度在線監測功能塊、運動軌跡管理功能塊、日常運維管理功能塊、環境管理功能塊。

1 系統介紹

中壓柜的智能化系統的主要功能包括遠程可視化一鍵順序控制、開關柜狀態在線監測，由電動底盤車、電動接地刀閘、一體化測溫模塊、可視化攝像頭、紅外位移傳感器、霍爾傳感器等組成，再通過智能采集模塊將數據傳輸給智能化客戶端及智能供配電管控系統進行算法診斷和數據分析、輸出診斷和分析結果、保存歷史數據[4]。

2 系統組成

中壓柜的智能化改造系統主要設備包含：智能采集模塊、電動接地刀閘、電動底盤車、可視化攝像頭、紅外位移傳感器、霍爾傳感器、一體化測溫模塊等。

各設備的主要功能如下：

（1）智能采集模塊：智能采集模塊是中壓柜智能化改造的神經中樞，通過接入各類傳感器如電動接地刀閘、電動底盤車、可視化攝像頭、紅外位移傳感器、霍爾傳感器、一體化測溫模塊完成對開關柜的機械特性分析、電氣特性分析、溫度特性進行分析，并將數據分析結果傳輸給智能供配電管控系統。

（2）電動接地刀閘：電動接地刀閘是實現遠程可視化一鍵順序控制接地刀分閘、合閘的關鍵元器件。

（3）電動底盤車：電動底盤車是實現遠程可視化一鍵順序控制底盤車分閘、合閘的關鍵元器件。

（4）可視化攝像頭：通過可視化攝像頭實現對中壓柜柜內電動底盤車、電動接地刀閘的動作軌跡進行遠程查看，配合實現遠程一鍵順序控制分閘、合閘的可視化。

（5）紅外位移傳感器：通過紅外位移傳感器實時監測斷路器的機械特性如分閘速度與時間、分閘反彈、合閘速度與時間、合閘超程、合閘反彈、三相是否同期、觸頭開距等。

（6）霍爾傳感器：通過霍爾傳感器實時監測分合閘線圈、儲能電機、電動底盤車電機、電動接地刀的電機電流和時間。

（7）一體化測溫模塊：實時監測斷路器動靜觸頭、銅排搭接處、銅排與電纜接頭、銅排與電流互感器接頭等易發熱點的溫度實時監測。

3 中壓柜智能化改造的主要內容

中壓柜的智能化改造主要包含如下3個部分：

3.1 二次室改造

拆除原有二次元器件及二次室門板，更換原有電流端子、電壓端子、二次接線等保留原航插對上接線。安裝二次元器件及新的門板、電流端子、電壓端子、重新配線接線。

3.2 斷路器室改造

航空插頭增加備用插針8針，其中4針用于位移傳感器，2針用于電動底盤車，另外2針備用。斷路器室加裝紅外位移傳感器及可視化攝像頭。底盤車的改造需要將舊款底盤車拆卸，按照原有安裝孔安裝電動底盤車，更換時需要將斷路器吊起后進行底盤車的更換，經過反復測試，做到與斷路器一體化后才能進行電動操作及實驗操作。

3.3 電纜室改造內容

電纜室需在柜底安裝一體化測溫模塊，并在電纜室加裝可視化攝像頭。將原有接地刀拆除后安裝電動接地刀。一體化測溫模塊主要包含斷路器室6個動觸頭、母排室銅排搭接處及銅排接頭配置無線測溫傳感器，全金屬材質，頻率433MHz，工作電源為無源、啟動電流5A，溫度測量精度±1℃，溫度測量范圍-25℃～+155℃，柜體內部有效通訊距離≥100m。電纜室的一體化測溫模塊具備紅外熱成像鏡頭、高清可見光鏡頭、補光燈及無線接收器天線。紅外熱成像鏡頭用于紅外實時測溫，分辨率160×120；高清可見光鏡頭用于實時視頻監測及監視負載柜的地刀分合狀態、超溫報警與溫升報警及異常情況下的自動抓拍，分辨率1920×1080。補光燈用于柜內昏暗及黑暗光線情況下的紅外圖像和高清可見光鏡頭的補光。無線接收器天線用做無線測溫傳感器的無線信號的接收，頻率433MHz，其網絡架構如圖1所示。

圖1 網絡架構圖Fig.1 Network architecture diagram

4 中壓柜智能化系統的主要功能

通過中壓柜智能化改造，實現中壓柜的一、二次設備管理的智能化監視、管理和分析，實現如健康狀態管理、遠程控制的集中化可視化，實現可視化遠程操作、綜保多功能表等設備的數字化，實現全面掌控關鍵二次設備。

中壓柜的實時狀態監測包含中壓柜的閉鎖狀態監測，如斷路器實時監測如機械特性實時監測及健康狀態監測；隔離室門板閉鎖、活門閉鎖、斷路器手車閉鎖、地刀的閉鎖等；電動手車和電動地刀的電動驅動實時在線監測；溫度在線監測如實時監測斷路器動靜觸頭、銅排搭接處、銅排與電纜接頭、銅排與電流互感器接頭等部位的運行溫度。

斷路器的實時狀態監測與診斷，通過不影響控制回路的電壓電流采量，通過霍爾傳感器全面監測合閘線圈、分閘線圈和儲能電機，監視其儲能時間、儲能電流、分閘線圈動作電流、合閘線圈動作電流，而其電流曲線反饋二次元器件的運行情況、也能反饋當前電機的健康狀態，當電機的齒輪有磨損時，其儲能電流曲線會有抖動現象，其儲能時間也會變長，這些都會在軟件里展示和提醒。

中壓柜閉鎖在線監測全面感知位置狀態，包括斷路器室的門閂、斷路器室門、電纜室門、電纜事門、上下活門、手車閉鎖、電動手車位置、電動地刀位置、電動地刀閉鎖，通過位置傳感器，實現關鍵位置的位置感應，通過閉鎖邏輯實現聯閉鎖報警。

電動手車和電動地刀的電動驅動在線監測包括斷路器電動手車和電動接地刀的實時狀態監測?？梢宰灾髑袚Q手車和接地刀閘的電動狀態和手動狀態，滿足現場實際應用需求。同時監測手車和接地刀的電動機的運轉電流和運行時間，預測其故障，實現狀態檢修，使電機的驅動系統始終處于健康狀態。

中壓柜長期經受電、熱、機械應力的作用，以及海洋運行環境如高濕度、高鹽霧、高腐蝕等的影響，極易引起老化、磨損甚至短路，從而發生故障，而大部分中壓柜故障的征兆表現為異常高溫，一體化測溫模塊實現動靜觸頭、銅排搭接處、銅排與電纜接頭、銅排與電流互感器接頭等測溫區域全覆蓋，有效避免斷路器動靜觸頭、銅排搭接處、銅排與電纜接頭、銅排與電流互感器接頭等部位發熱、異常高溫、冒煙、火災等情況發生，一體化測溫系統全面覆蓋中壓柜的易發熱元器件。

基于安全性、智能型的中壓柜智能化改造，最大限度的保障設備安全和電氣運行專業人員的安全，通過完善的五防連鎖功能，確保所有的遠程操作及就地人工操作都只能在斷路器的各個門關閉之后才能進行，如斷路器室的門打開后，其配套的金屬活門可以預防電氣運行專業人員防止誤碰柜內帶電體。配套的緊急分閘機構，確保二次電源失電情況下開門分閘斷路器。通過中壓柜的智能化改造，提升中壓柜的長期穩定運行，防止中壓柜出現絕緣故障，避免中壓柜的事故發生。具備開合功能的電動手車和電動地刀，避免惡意操作時發生中壓柜故障。

5 結語

該平臺通過中壓柜進行智能化改造，打破了原有的傳統中壓柜的信息孤島、解放平臺電氣人員的人力，通過分類采集中壓柜各關鍵設備的電氣數據、溫度數據、斷路器機械特性數據、紅外熱成像數據、運動軌跡視頻數據等，自動完成從數據采集到狀態判斷、狀態分析、輸出結果的全判斷過程，實現對中壓柜的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、電度量等電參數進行監測以及對斷路器的分合狀態、故障信息進行監視、對斷路器的分合狀態進行控制，從而實現中壓柜的智能化監視和管理，縮短了平臺電氣專業人員查找故障點的時間、提高了工作效率、實現定期檢修升級到狀態檢修。

引用

[1]白明,張悅.智能變電站智能化中壓開關柜應用研究與分析[J].電氣傳動自動化,2019,41(4):38-40.

[2]肖永,王少暉,白如冰.智能變電站中壓開關柜智能化解決方案[J].電氣應用,2013,32(24):74-76+84.

[3]李娟.中壓開關柜的智能化方案分析[J].甘肅冶金,2020,42(3): 66-68.

[4]吳燕.基于嵌入式操作系統的智能開關柜操控裝置[D].廈門:理工學院,2016.