数字化开关柜在线监测系统设计及配置方案探讨

涂福荣 陈晓捷 朱秀琴

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

开关柜是电网中的重要一次设备，其可靠性是电网安全的重点保障环节［1-2］。开关柜内断路器、高压线缆接头、刀闸开关等重要设备在长期运行中可能出现设备老化、表面氧化、腐蚀、紧固螺栓松动等问题。加上很多电力设备长期处于高负荷运行状态，容易引发温度异常。如不及时发现处理，可能引起熔融、燃烧甚至爆炸等安全事故［3-5］。因此，研究具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的开关柜在线监测系统，对提高开关柜设备可靠性、提高设备的使用效率、减少断电停机时间、降低运营成本具有重要的意义。

1 数字化开关柜设备在线监测系统的结构和原理

开关柜数字化的关键在于对其设备状态进行在线监测和健康诊断，由传统的被动预防向主动预测转变，提前发现潜在的缺陷和故障并有计划的安排维修，从而减少非计划停电［6］。

数字化开关柜设备在线监测系统包括采集单元、监测单元、控制单元、开关柜IED、资产健康管理平台五个部分。采集单元通过先进的传感器技术，获取运行设备的关键参数；监测单元包含母排/触头温度监测子单元、断路器机械特性监测子单元；控制单元包含手车控制子单元、刀闸控制子单元、防误闭锁控制子单元；开关柜IED符合标准Modbus通信协议与资产健康管理平台互联；资产健康管理平台在收集到设备健康数据后，依靠集成在平台内的上述算法模型将数据进行实时的分析诊断，结合出厂数据、历史趋势有效地发现潜在风险，建立开关设备健康状况的档案，为设备失效预测提供在线诊断和分析的依据，最终给用户提供设备健康诊断情况，并提供有针对性的设备维护建议。从而实现物、服务与人互联的智能物联网的完整解决方案，达到提前预警、预防、治理，减少非计划停电时间降低运营成本，以及节能减排的目的。其结构原理图见图1。

2 数字化开关柜设备在线监测系统设计方案

2.1 监测单元

2.1.1 开关柜无线测温在线监测

无线测温在线监测用于开关柜内关键点运行温度的在线监测，有效解决开关触点和母排、电缆连接处等关键部位老化、接触不良或过载引起过热导致设备损毁的问题。在完全不影响电力设备绝缘和安全性能的前提下，实现电力设备关键结点实施温度监控的需求。

动态温度监测。动态温度监测子单元主要用于监测开关触头的温度，遵循体积小、绝缘性能好、可靠性高、成本低的原则，采用Zigbee无线测温技术［4］和内嵌技术。温度传感器与接收单元完全隔离，保障运行安全；将测温模块嵌入高压部件，电场均匀，对绝缘无影响；高可靠的测温传感器其工作温度范围应远高于测量部位导体最高温升，确保监测设备的高可靠性和工作寿命。

温度监测子单元可对关键部件（断路器触头、电缆接头）进行温度监测，超温报警，及时发现潜在故障点。

2.1.2 断路器机械特性在线监测

断路器机械特性监测子单元能够实时监测与采集断路器运行状态参数，从而监测断路器从操作指令至动作完成的全过程机械特性，包括合分闸时间、速度、运动行程等。通过数学模型分析，将采集到的断路器的机械特性通过机器算法得出设备的整体健康状态指数，当存在故障风险时，自动推送预警信息和设备健康常规年度试验的机械特性检测。

2.1.3 储能电机及分合闸线圈电气特性在线监测

储能电机及分合闸线圈电气特性在线监测子单元采用非介入式霍尔传感器对电流曲线进行在线监测。使得测量回路与控制回路完全物理隔离，不影响开关柜的操作回路。最后，基于设备的数学模型对所采集的数据进行分析诊断。

2.2 控制单元

2.2.1 断路器手车电动操作

断路器手车的电机驱动机构是通过在断路器车底盘上增设电机驱动机构，驱动机构内马达带动整个传动机构运行完成断路器手车电动摇进/摇出的操作。当马达停转或失效时，离合机构自动分离，芯轴的运动脱离蜗轮蜗杆传动，随时可以采用手动摇进/摇出手车。通过控制子单元作为断路器手车电动操作的控制器，其同电动手车相连接，可根据指令控制电机实现断路器手车的电动摇进、摇出。同时，系统可实时监测并判断电机是否工作正常。当电机运行受阻达到保护条件时，立即对电机制动，随后逆向驱动电机解除卡死。电动手车控制器能监测每一次操作断路器手车过程中，电机运转的电流平均值和峰值以及摇入、摇出时间，为智能电机驱动及保护提供可靠数据。同时可采集如下信号：①断路器手车电动摇入摇出；②电动操作防堵转保护；③断路器手车电动摇入/出操作时间、电流。

在五防闭锁逻辑上应满足：仅当开关柜断路器室门处于关闭状态，断路器方可进行摇进/摇出操作；仅当断路器处于试验位置时柜门才可以被打开；断路器摇进/摇进操作过程中或断路器处于工作位置时柜门不能被打开。

2.2.2 接地开关电动操作

接地开关电动操作是通过电机驱动接地开关操作杆的传动，从而实现接地刀闸的合闸和分闸操作。其结构应具备以下特点：①利用离合器对传动系统随时分离或接合；②当马达正常工作时，蜗轮蜗杆配合传动，促使离合机构联接，带动整个传动机构运行，使操作杆传动，完成合闸或分闸的操作；③当马达停转或失效时，操作离合机构分离，芯轴的运动脱离蜗轮蜗杆传动，随时可以采用手动合闸或分闸的操作。

在“五防”上，通过电气联锁实现仅当断路器手车处于隔离/试验位置时，实现接地刀闸的电动分、合闸操作；且接地刀闸电动操作和手动操作应互为闭锁。通过控制子单元可根据指令控制电机实现地刀电动关合、断开。同时采集如下信号：①接地开关电动操作；②电动操作防堵转保护；③接地开关电动合/分闸操作时间、电流。

2.2.3 开关柜柜内视频在线监视子系统

视频在线监视子系统主要由视频服务器、带补光的广角摄像头、网络交换机、视频监视终端组成。在柜内的视频采集摄像头主要用于断路器、接地开关、电缆搭接处的状态进行监视。视频服务器通过以太网通讯将视频文件发送至视频显示终端。

采用自带补光LED灯的广角摄像头即使在封闭无光的柜内环境也能清晰捕捉开关状态。当远程操作开关设备时无需派人前往现场确认开关是否动作到位，为一键顺控操作提供“双确认”辅助依据，真正实现变电站的无人值守。在提高工作效率的同时也节省了人员配置，提高了安全性。

视频在线监视系统的工作方式：当操作某台开关柜之前，可先从视频监视终端调出该开关柜所有监视的视频画面，然后再进行断路器手车或接地刀的操作，在线监视开关的动作情况。视频调用一定时间后如无更多操作可延时自动停止摄像头工作，以延长摄像头使用寿命。当需要远程巡检时，也可以通过调用视频对开关柜进行视频巡检，视频画面的显示序列和操作监视的序列一致。

后台监视主机可查看开关柜监视视频并对所有访问视频进行存储。同时提供远方访问（RTSP视频流方式）开关柜所有监视的视频画面的功能，并对所有访问视频进行存储。

另外，增加开关柜视频监控子系统，开关柜结构方面应满足国标的设计要求，且不能改变开关柜原有结构和存在对设备造成伤害的因素；各个探头的走线布置应完全满足视频监测装置在中压开关设备的安全运用要求。

2.3 开关柜IED

开关柜IED用以接收各监测子单元采集到的数据，如高压断路器母线/触头温度等数据、断路器机械特性、分合闸线圈电流、视频监控信息等，将这些数据通过标准Modbus通信协议传送到资产信息管理平台，实现远程监控和诊断功能。另外，开关柜IED应满足电磁兼容的要求。

2.4 资产健康管理平台

资产健康管理中心在收集到开关柜温度和断路器机械特性的监测数据后，可以通过就地HMI人机界面看到温度、机械特性参数信息，通过通信接口实现如下功能：控制中心在收到温度、机械特性异常预警时，可以实时监测每个温度监测点的温升情况和断路器的机械工况。

资产健康管理中心依据开关设备的温升模型分析开关设备当前的运行温升情况是否正常；依据断路器的运动机理模型分析断路器机械部件的工作状况。最后，在开关柜设备状态信息数据库及设备缺陷、故障案例样本数据库的基础上，结合运行电流、出厂数据、历史趋势有效地发现潜在风险，建立设备健康状况的档案，为设备失效预测提供在线诊断和分析的依据，提出设备维护建议，降低非预期性故障停电概率。

3 结论

本文提出的数字化开关柜在线监测系统设计及配置方案具有开关设备状态全面感知、信息高效处理、应用便捷等特点。该方案可实现开关柜温度、机械特性、电流等主要参数的实时在线监测；开关柜一键顺控及可视化校验；变电设备状态实时预警、设备缺陷自动分析、处理策略主动推送等功能，形成基于多物理量感知的变电设备状态智能研判预警机制。达到延长开关柜的使用寿命、提高安全性、提升供电水平、提高运维效率、减少人员配置的目的。