摘要：针对配电网中分散分布着大量的开关设备，并且智能化程度不高的情况下，传统的检测方法无法及时检测开关柜内部的发热和局部放电等危险因素。因此，传统巡检方法不仅巡检难度较大，且无法准确识别开关柜的运行状况，难以支撑智能运维的现状。以配电网系统建设中对电力设备实现“可观、可测、可控”的要求为目标，实现配电网设备的状态预测和故障诊断。设计了自主可控的智能物联感知终端软硬件平台，通过各类多源传感器将信号传至终端进行分析和边缘计算，找出可能导致开关不可控的隐患。并通过配网开关遥控巡检系统，对各类配网开关进行监测，为配网开关的故障进行诊断、定位、隔离等提供了技术支撑。遥控巡检技术有效地突破了人工巡检、隔离故障及非故障区域转供的耗时问题，提升了配电网供电可靠性和运维检修效率，促进配电网系统的安全、可靠及有效运行。

　　关键词：配电网；开关设备；智能物联感知；遥控巡检

　　Remote Inspection of Distribution Network Switchgear Based on Intelligent Iot Sensing Technology Research

　　Fang Yichao1，Yuan Miao2，Li Gan3，Lin Hantian1，Xie Lin1

　　(1.Chaozhou Power Supply Bureau,Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Chaozhou,Guangdong 521051,China;2.Nari Technology Nanjing Control Systems Co.,Ltd.,Nanjing 211102,China;3.Shanghai Chenshi Technology Development Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China)

　　Abstract:With a large number of switchgear distributed in the distribution network,and low intelligence,the traditional detection method can not detect the dangerous factors such as heating and partial discharge inside the switchgear in time.Therefore,the traditional inspection method is not only difficult to inspect,but also unable to accurately identify the running status of the switch cabinet,which is difficult to support the current situation of intelligent operation and maintenance.In order to realize the requirement of"observable,measurable and controllable"for power equipment in the construction of distribution network system,the state prediction and fault diagnosis of distribution network equipment are realized.An autonomous and controllable intelligent iot sensing terminal software and hardware platform is designed.Signals are transmitted to the terminal through various multi-source sensors for analysis and edge calculation to find out hidden dangers that may lead to uncontrollable switching.And through the remote inspection system of distribution switches,all kinds of distribution switches are monitored,which provides technical support for diagnosis,location and isolation of the distribution switch faults.Remote inspection technology effectively breaks through the time-consuming problems of manual inspection,fault isolation and non-fault area transfer,improves the reliability of power supply and maintenance efficiency of the distribution network,and promotes the safe,reliable and effective operation of the distribution network system.

　　Key words:distribution network;switchgear;intelligent iot sensing;remote inspection

　　0引言

　　随着用户对用电量的需求越来越大，电网规模也逐渐扩大，因此，对配电网的安全要求也越来越高。首先，配电网正常运行时必须要求所有元件都处于正常运行状态，其中开关柜等开关类设备的安全运行是配电网发生事故时的第一道安全防线。配电网开关类设备由于长时间工作，故障问题经常发生，这大大提高了运维人员的工作量，因此遥控巡检技术尤为重要。只有保证开关设备的正常运行才能确保配电网的正常运行，并且保证终端用户的用电质量，另外配网开关系统也是配电网系统的重要组成部分。相关文献指出，设备状态感知技术与多源数字融合技术在如今的配电网系统中已经能够有效地被应用，并且能够促进配电网设备与物联感知系统进一步融合，推动遥控巡检技术进一步发展[1-2]。配电网目前的遥控智能化水平还不足以满足遥控巡检的需求，为了提升配电网智能化水平，国内外的研究专家对配电网开关等设备展开一系列研究，发现配网开关设备的故障主要由设备发热和局部放电引起[3]。文献[4-6]针对配电网开关的各类影响因素进行建模并对其开展研究，相比之下温度因素对于配电网开关设备的影响非常大，并且对开关设备的温度监测相较于对其他影响因素的监测更为容易实现。文献[7-11]利用了各种技术对配网开关的绝缘状态进行了检测，尽管众多电网方面的专家学者对配电网开关故障诊断做了大量工作，但是对于开关设备局部放电的具体位置还是难以精准预测，难以实现对设备的绝缘状态进行准确评估。文献[12-15]论述了大量故障诊断算法，这些算法不仅计算复杂而且目前还有一些算法中的问题尚未解决，在实际应用中难以完全应用。在配网设备的设计和研究方面，配电网对设备的智能性要求相对较高，目前的遥控巡检水平与实际需求难以匹配，因此在应用中实现起来相对困难。此外，目前配电网系统中安排的设备维护人员不足，并且配电网的规模越来越大，对遥控巡检技术的需求越来越迫切，因为遥控巡检技术既能减少人员安排的压力，还能降低成本。当今社会，配电网技术的发展突飞猛进，因此配电网设备的安全运行就显得尤为重要。在配电网系统中开关柜的安全运行是系统发生故障时的第一道防线，对开关柜的故障监测与故障研判技术也需进一步提升。物联感知系统需要对开关柜断路器动静触头工作室的温度进行实时监测，对隔离开关等老化设备需要定期更换以及操动机构的机械特性等进行必要的检测及故障诊断。“配网开关遥控巡检系统”的研发，不仅解决原来配网开关的智能性不高的问题，还符合目前新型配电网系统对配网设备“可观、可测、可控”的新形势。

　　1物联感知系统结构设计

　　1.1系统方案

　　为解决配电网开关设备遥控巡检问题，本文架构了一种基于“应用层—平台层—网络层—感知层”的物联感知系统[16]。各类传感器和物联感知设备终端是构成“感知层”系统的关键设备，其中多源传感器中主要传输电机电流峰值、角位移大小、线圈电流大小、开关断路器触头、母排温度等信号。智能物联感知终端的主要功能是将多源传感器采集的各类信号进行汇总及分析和边缘计算，通过DL/T860协议以及RS-485总线将信号分析及边缘计算的结果传输至智能物联感知系统平台。“网络层”主要由信号转换装置、集成监控主机等设备构成，采用有线/无线通信方式将云主站与集成监控主机通信互联，用来监测系统设备。并通过视频监控设备是对开关柜等设备的实时运行状态进行监测，观察是否产生开关柜柜体等直观的变化。“应用层和平台层”属于智能物联感知系统的云终端，管理服务器负责集中信息存储，接收和处理系统上传的视频信号和动态环境信号。流媒体服务器将视频数据流从任何一个开关站和配电室传输到各种客户端，以解决当多个客户端访问同一变电站视频时在带宽占用方面遇到的困难。管理服务器和流媒体服务器是系统中的核心服务器，它们是整个系统稳定高效运行的基础。物联感知系统结构如图1所示。

　　1.2物联感知设备部署

　　配电网物联感知设备针对不同的环境因素影响，灵活布局智能感知设备系统。根据配网开关设备的应用特点，开关柜中元件的部署也极为重要。首先，包括智能物联感知终端，这是整个开关柜的核心部分；其次是断路器的选型，包括断路器触头、母排等，然后是各类监测断路器信息的传感器元件，包括了温度传感器、湿度传感器、分合闸线圈电流传感器、角位移传感器、气体密度传感器和局放传感器，最后还有具有实时观察开关柜体内部的高清摄像头等装置。智能物联感知终端安装在开关设备的仪表室内，为实现一个柜体的传感设备接入及就地分析可以通过硬连接或者无线连接方式实现。

　　另外，如何实现开关设备状态的实时监控及就地联动应具体问题具体分析，不仅要按照客户的特定要求，还要结合实际情况综合考虑对配网开关设备进行选配，这样不仅能使得系统的监测、分析等性能达到最优，还能使得终端系统能满足各种场景的需求。例如针对不同的客户需求，在客户要求系统对信息的传输及处理时间短、精度高的情况下，可以选配更加灵敏的传感器、更加快速的系统处理器和质量更加好的设备元件。众所周知，模块化的软件设计可以针对不同的应用场景能更加灵活的配置相应的设备，当然物联感知终端的软硬件架构均采用模块化设计，这极大地减轻工作量，有效缓解运维人员不足的问题。

　　2智能物联感知终端系统结构设计

　　收集和处理由多源传感器采集的各类信号，判断巡检开关是否处于故障状态并下发相应的指令是智能物联感知终端的核心功能，智能物联感知系统终端平台的构建按照标准化原则对不同的应用场景的软硬件系统进行设计[16]。

　　2.1终端硬件系统设计

　　由硬件构成如图2所示，系统的硬件设备主要集成了核心板模块、模拟量采集模块、远程通信模块、串口通信模块、开入开出扩展板以及对系统供电的电源系统构成，各个模块都具有不可或缺的作用，为遥控巡检系统提供了硬件支撑。

　　核心模块主要采用具有核心频率为800 MHz、运行内存为2 GB并且集成化程度较高的核心处理器芯片作为核心部件，该芯片可满足针对智能物联系统边缘计算的需求。由于硬件系统结构中包含大量的传感器，因此，为了满足模拟量输入的需求，核心板配备8路模拟量通道以便采集模块中各类信号的传输。模拟量采集模块可以接入-20~20 mA的电流信号或-5~5 V电压信号作为系统的输入信号，信号分别由分/合闸线圈电流传感器、角位移传感器、电机电流传感器等多源传感器中采集。此外，核心模块还配备了具有北斗/GPS双模可切换的定位模块。远程通信模块采用支持4路以太网通信口，用户可根据具体需求选配各项接口，该通信口可用于视频等网口的接入。另外远程通信模块还提供高速通讯接口作为信息交换的主要渠道，天线接口用于维护信号稳定，4G接口保证通信流畅及蓝牙接口用于和云主站之间进行通信。串口通信模块配备6路RS485接口，用于接入测量设备自身温度、环境温度、局部放电、气体密度等数据，还有两路通道处于备用状态，随时替换故障通道。扩展板包括6路开入接点和4路开出接点。同时该硬件设备的运行需要220 V/380 V的电源为其提供电能，使得各个模块之间能稳定运行。

　　2.2终端软件系统设计

　　应用程序、平台接口、操作系统与驱动程序是构成智能物联系统软件的主要部分。应用程序以边缘计算架构为基础，通过基础管理、数据采集以及应用分析类软件的功能开发实现终端功能[17]。并针对软硬件的结构问题采用了LXC容器技术，通过对硬件资源的隔离技术使得配置更加灵活，不仅让各个软件独立，单一软件故障时不影响其他软件的独立运行，改善了软件的稳定性，还降低配电网运行风险。平台接口程序基本步骤如下：首先对数据库的构建，其次对网络操作系统的开发和以LXC架构为基础的资源整合。操作系统采用以Linux为内核的系统经过改编而成，是系统终端对信息汇集、处理和指令下发等功能的技术支撑。驱动程序是硬件设备正常运行的保证，它将系统硬件平台和物理接口融合在一起，形成的终端软件系统架构如图3所示。

　　3核心模块及实现方法

　　系统技术主要由遥控巡检、在线监测和智能运维3大技术模块组成。详细的系统模块结构如图4所示。

　　3.1配网开关遥控巡检技术

　　配网开关遥控巡检目标是找出配电终端或配网开关问题可能导致开关不可控的隐患，并对各类配网开关进行监测。开发“配网开关遥控巡检系统”，可有效提高遥控成功率，减小运维工人工作量，保证用户侧的电能质量[18]。配电开关遥控巡检系统功能如下。

　　3.1.1全量开关定时遥控巡检

　　通过设置定时时间，每天定时对全网自动化开关进行遥控预置测试，记录每个开关的预置结果，若预置失败则会记录错误原因，并支持以下设置：

　　(1)多开关并发预置，并发数量可以人工设置；

　　(2)若预置失败，可发起多次预置，最大预置次数可配置；

　　(3)新一天的预置紧接上一次的结果进行，直到所有的开关都被巡检完毕，等下一天再开启新一轮次的巡检；

　　(4)提供巡检功能投入、退出设置。

　　3.1.2指定开关巡检

　　在配电网运行期间，配电网开关设备需要定期更换，在整批更换开关设备时，自动化人员或调度人员要对开关进行遥控巡检功能检查，通过随机指定一批开关设备，遥控巡检技术可以对指定的开关进行预置检测，并给出预置检查结果，判断这批开关是否能通过遥控巡检的安全检测在配电网系统中使用。

　　3.1.3调度遥控联动

　　调度员对开关遥控时，在遥控窗口展示该开关的上次巡检结果、远方/就地状态、RTU状态等。调度员通过该汇总信息判断开关是否具备可控性，决定是执行远方遥控还是现场人工操作。

　　3.1.4安全闭锁

　　(1)若检测到有遥控巡检外的遥控在进行，则自动暂停一段时间，暂停时间可配置；

　　(2)若自动化开关在一段时间内只被遥控巡检预置过，没有被人工或系统遥控过，但发生了变位，则认为有误控可能，自动停止巡检功能。

　　3.1.5结果展示

　　提供界面展示历史巡检结果，包括预置时间、预置次数、预置结果、错误原因、开关远方/就地状态、RTU状态等。可以将结果导出成文件。

　　3.2在线监测

　　智能物联系统能对配电网设备进行实时在线监测，监测设备的温度和局放等主要信息，同时，它可以显示上述所有方面的细节[19]。

　　3.2.1设备过热故障监测

　　设备过热检测是配网开关设备面临的最主要的问题，任何配电网开关设备都不能忽略这个问题，一旦故障发生将会产生巨大的影响。配电网中开关类设备大多为断路器和隔离开关，这些开关设备的动静触头、母排和刀闸等连接点会因为电流大、功率大等原因产生很高的温度。此外，开关设备长时间工作，绝缘层极易磨损老化产生风险。综合考虑电网大电流和开关设备触头温度变化情况的指标函数。监测设备工作状态的同时，对开关设备进行故障预测，指标函数如式(1)所示。

　　(1)式中：Tn(t)为接点处的温度值；Te(t)为该时刻的环境温度值；Tset、ΔTset分别为接点处正常工作时最高产生的温度(阈值)与允许最大上升温度；Wt为温升变化权重；Q 1(t)和Q2(t)分别为接点处的温度和温升变化情况，越大表示温度变化越快，证明该处可能存在故障。

　　配网开关设备接点温度故障分析的指标函数算法如式(2)所示。

　　式中：Tset1~Tset4为温度设定阈值；|ΔTφ|为同类接点相间温度的差。

　　根据公式可以得出设备是否出现故障，并能根据温升变化和同类接点间的温度差来判断系统是否处于三相不平衡的状态，给运维检修带来了极大的方便。

　　3.2.2开关设备局部放电监测

　　在设备运行时，产生电弧、跟踪和电晕的情况下，局部放电探测器将产生某种形式的电离，干扰周围的空气分子。超声波局放传感器可以检测由这种现象产生的高频噪声，并使用“外差法”将这种噪声转换为人耳可听到的声音信号。

　　智能物联感知系统可以配备携带一个超声波局部放电传感器，用于接收来自电气设备的超声波信号，并分析其音质和强度。这样，它可以自动发现一些明显的放电现象，从而识别开关设备中存在潜在绝缘劣化的位置。通过检测局部放电强度的变化，可以确定局部放电的近似位置。虽然定位不准确，但该方法可以帮助维修人员判断操作条件。

　　3.3智能运维

　　为了保证开关站的正常运行，及时发现设备的潜在危险，运维人员需要定期对开关站进行检查。根据国家电网开关站检查要求，一般例行检查周期为每月一次。该系统建立后，可将人工检测与遥控巡检技术相结合。考虑到系统设备的使用寿命和存储空间容量，可根据要求执行相应次数。这不仅可以及时检测到异常设备，而且不会由于更频繁的检查而导致跟踪检查设备寿命缩短。

　　同时，为了减少工作人员的工作量，该系统提供了丰富的检查策略，包括例行检查、全面检查、夜间检查、特殊检查和专门检查。运维人员可根据实际情况，直接在工作地点启动相应的检查模式。这可以大大减少手动现场检查的频率，并减少操作和维护人员的工作量。

　　为了方便操作和维护人员使用系统，系统提供多种操作模式，包括手动检查、自动检查和定期检查。在手动检查的情况下，相应的操作和维护人员可以随时轻松查看检查路线内的任何检查现场。自动检查可由后台服务程序自动启动，无需手动干预。自动检查完成后，将生成相应的检查报告，运行和维护人员可从中查看开关站设备的实际运行情况。定期检查可根据用户要求在指定时间段自动进行。

　　该系统能够智能地分析设备状况。在相应的检查模式完成后，后台服务程序自动检查并记录图像和数据，通过图像分析确定设备状态是否异常，并以报告的形式向用户发送反馈。

　　4结束语

　　本文根据配电网技术的发展趋势，以支撑遥控巡检为目的分析了配网开关设备全感知架构方案，并为适应环网柜、开关柜等不同的应用场景和客户的特殊化需求构建了自主可控的物联感知终端软硬件平台，并支持平台的灵活组合和重构。针对配网开关设备智能化的智能分析，重点论述配网开关遥控巡检技术，找出配电终端或配网开关问题可能导致开关不可控的隐患。在线监测技术包括设备过热故障监测和电机电流参数计算与分析等的原理方案以及智能运维技术。这对保证开关站的可靠运行，提高配网开关站运行维护效率具有重要意义。可真正达到新型配电网建设要求的设备“可观、可测、可控”的要求。

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