高压开关设备本体状态监测系统的设计研究

曾星宏，程延远，李海涛，邓劲东，刘东超，须 雷

（1.中国南方电网超高压输电公司南宁局，广西 南宁530004；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102）

0 引言

电网主设备必须要保持良好的健康状态和设备完好率，实现安全可靠运行，才能保障电网稳定运行和提高供电可靠率［1］。状态检修是根据电力设备的真实状态而进行的预防性作业，随着微电子技术、嵌入式技术、网络通信技术及计算机控制技术的不断发展，数字化、智能化的测量和监测装置在电网控制领域得到了广泛应用，为状态检修的实现提供了前提条件。在电网不断扩大、用户对电网可靠性的要求越来越高的今天，状态检修更加显现出不可替代的作用［2-9］。

一次智能组件的开发与应用将一、二次设备一体化变为了现实，国内一、二次设备制造厂商也在近十年开展了相关技术和产品的研发工作［10-16］。一次设备智能组件集成了模拟量采集设备、开关控制设备、状态在线监测设备等，集成了传感器技术、通信技术、计算机技术、监测技术等多项新技术，促进了一次设备的智能化［17-19］。当前，在线监测技术特别是高压开关设备本体的状态信息监测，在变电站中的应用仍存在有如下突出问题，监测功能单一且相对独立、配置的设备分散，监测装置和传感器接口不统一，制约了数据融合，并没有实现各种在线监测信息的融合贯通，对变电站一次设备运行状态相关信息的采集、检测和分析均相对欠缺［20］。

本文在调研各种电压等级交流变电站中开关设备状态监测需求的基础上，提出一种高集成度、准确度高、实时性强的高压开关设备本体状态信息监测方案，监测对象涵盖高压断路器和隔离开关设备，通过一台高集成度的信息采集及智能分析单元实现了各种分散布置的传感器的信息接入、数据分析，并将分析后的数据以标准规约上送至物联管理平台，为准确掌握设备的工作状态提供了有效技术手段，文中介绍了开关设备本体状态监测系统方案的设计思路，以全数字智能监测单元为基础，能精确、全面地监测高压设备运行过程中的状态指标，并通过不同的分析策略指导状态检修。

1 高压开关设备智能监测现状

近几年，国家电网有限公司通过一键顺控改造、机器人巡检、带电检测和在线监测新技术应用等工作，开关设备状态感知能力已有很大程度的提高［21-30］。而现有一次设备与二次设备在设备互联、信息采集与传送等方面技术发展的不协调、不同步的问题越来越显著。为实现开关设备状态自动分析、缺陷早期预警、故障智能研判和运检辅助决策，亟需利用数字化、智能传感、状态监测、物联网等技术，提高开关设备的自检、自测、自校能力，强化设备状态管控，提升设备运检质效，保障电网安全稳定运行。

2 本体状态信息监测系统架构

2.1 整体思路

通过在开关设备本体植入智能传感器，对断路器的各类运行状态进行实时监控，在安全、可靠、方便运维、一体化设计前提下，建立以主设备、传感器、采集及智能分析单元构成的智能开关设备，并与物联管理和高级应用形成高效的云边协同体系，采用一二次融合、大数据、人工智能等新技术使其具备状态自我感知、实时诊断、主动预警和主辅联动等功能，真正实现开关设备的智能化，丰富的状态信息，为断路器的健康状况分析和状态检修提供基础，将原始信息转化为可用的设备健康状态信息，为建立断路器状态的综合诊断模型提供基础。

2.2 总体架构设计

高压开关设备本体状态信息监测系统架构如图1所示，分为四个层级：感知层、网络层、平台层、应用层。

图1 高压开关设备本体状态监测系统架构Fig.1 Architecture of switching equipment on-line monitoring system

1）感知层

感知层实现开关设备状态信息的采集与汇聚，具备边缘计算能力，包含传感层和汇聚层，分别由各类智能传感器设备、汇聚节点、边缘物联代理构成，实现开关设备运行环境信息、状态信息的采集及就地预处理。

2）网络层

网络层由无线网（公网和电力专网）、有线电力光纤网和相关网络设备组成，提供高可靠、高安全、高带宽的数据传输通道。

3）平台层

平台层将变电业务、数据、物联等共性需求沉淀封装成共享服务，支撑前端应用创新，包括电网资源业务中台、数据中台和物联管理平台。

4）应用层

应用层基于企业中台提供的各类微服务，在统一数据模型、技术标准和框架下，部署开关设备运行状态精准评价、缺陷异常智能研判、远程智能巡检等高级应用，实现开关设备运行状态的综合评估和预警决策。

其中，感知层的传感器可通过无线、有线的方式将数据上送汇聚层设备。汇聚层由汇聚节点、边缘物联代理等网络节点设备组成，满足传感层和节点设备单点接入、链式分布多态组网需求。同时，汇聚节点、边缘物联代理搭载边缘计算框架，实现一定范围内传感器数据的汇聚、边缘计算，满足数据实时采集、即时处理、就地分析。开关设备在线监测数据通过反向隔离装置接入主、辅设备集中监控系统。

2.3 状态信息监测分析策略

1）绝缘特性分析策略

通过气体传感器实现断路器气室内的SF6气体微水、密度（压力）、温度等数据的实时监测，并周期性上送监测数据，辅助分析充气设备的绝缘介质强度，同时结合局部放电监测数据综合判断绝缘特性，提前发现气室密封不良、湿度、异物、异常局部放电等运行隐患。

2）机械特性分析策略

通过位移传感器、电流传感器、弹簧压力传感器、伸缩节位移传感器，采集断路器行程位移、分合闸线圈电流、储能电机电流、分合闸弹簧压力数据，结合开关分合位置信号，计算获得开关分合闸行程曲线、分合闸时间、分合闸速度等特性，分析断路器是否存在机构卡涩、分合闸异常、弹簧疲劳、储能异常、GIS伸缩节形变超标等缺陷。

3）环境辅助信息分析策略

通过温湿度传感器，监控开关设备机构箱、控制柜内部环境。测量不同外部环境气候下，机构箱、控制柜内部温度、湿度参数，为温湿度控制器及时提供准确的控制信号。

4）局部放电分析策略

结合特高频全频段采集的局部放电传感器，集成PRPD 和PRPS 等特征图谱和智能模式识别技术，并结合负载、历史数据等数据，综合分析设备内部是否存在局部放电，同时判断局部放电的位置、性质和严重程度。

5）位置确认分析策略

通过姿态传感技术对隔离开关姿态角度进行监测，姿态传感器安装在隔离开关地电位的传动部位，输出三维姿态角俯仰、滚转、偏航等数据，用于分析隔离开关是否存在操作卡涩、分合不到位等缺陷。

3 本体状态信息监测实施方案

3.1 总体方案

以安全为前提，有效实用为原则，综合考虑开关设备的重要性、经济性以及各种在线监测技术的成熟度和运行经验，选取断路器绝缘特性监测、机械特性监测、环境辅助信息监测、局部放电监测以及隔离开关位置确认分析共5项主体功能模块，如图2所示。各种功能模块也可以按工程应用需求进行灵活配置和扩展。

图2 本体状态监测功能模块Fig.2 Function module of switching equipment on-line monitoring system

3.2 传感器布置

以组合电器为例进行一二次融合设计，打破一次设备及二次装置设计间的壁垒，通过预先植入在线监测传感器实现开关设备本体智能化改造升级，提高断路器的智能化程度，实现设备的可观、可测、可控，各种典型传感器的布置见图3。

图3 开关设备传感器布置示意Fig.3 Sensor layout of switching equipment

断路器关键气室安装SF6气体传感器，如图4，具备SF6微水、密度、温度自动采集、信号调理、模数转换和数据的预处理功能，在保留原有密度继电器的基础上，通过独立安装传感器对数字信号采集及通讯，并支持有线或无线通讯方式。局部放电采用内置式特高频传感器，利用特高频传感器对其特高频电磁波（300 MHz～3 GHz）信号进行检测，获得局部放电的相关信息，实现局部放电监测以掌握开关设备的绝缘状态，传感器通过法兰连接安装于GIS设备的手孔处，内置传感器应与主设备使用寿命一致。

图4 SF6气体传感器Fig.4 SF6 gas sensor

断路器行程传感器采用光栅旋转编码器，按相配置。如图5，将位移传感器和开关本体进行专门的结构设计，以固定位移传感器。电流传感器采用霍尔元件，每个电流传感器模块包含4个电流传感器，分别采集主分线圈电流、副分线圈电流、合闸线圈电流、储能电机电流，穿心式设计不破坏原有回路的接线。

图5 旋转编码位移传感器Fig.5 Rotation-coded sensor

对断路器机构弹簧受力状态进行监测，如图6。在机构弹簧处安装压力传感器。与数据采集转换模块之间采用单端预制航插或线缆直接连接，分别对断路器机构弹簧的合闸、分闸闭合瞬间、储能状态进行数据采集，并把弹簧状态数据信息上送至信息采集及智能分析单元。

图6 弹簧压力传感器Fig.6 Spring pressure sensor

目前绝大部分伸缩节处于无监测使用状态，存在不少安全隐患。安装伸缩节传感器如图7，每个伸缩节推荐配置3～4 个传感器，对断路器GIS 伸缩节形变监测，准确测量伸缩节的工作状态。防止GIS 伸缩节因安装或制造工艺问题，起不到伸缩量调节补偿的作用，或因伸缩应力作用，造成连接部位变形漏气等问题。

图7 伸缩节形变传感器Fig.7 Expansion joint sensor

环境温湿度传感器安装在汇控柜、机构箱、伴热带等位置，测量不同外部环境气候下，机构箱、控制柜内部温度、湿度参数，为温湿度控制器及时提供准确的控制信号。

姿态传感器安装在隔离开关地电位的传动部位，如图8，可以真实反应隔离开关触头的转动，输出三维姿态角俯仰、滚转、偏航等数据，用于分析隔离开关是否存在操作卡涩、分合不到位等缺陷。

3.3 信息采集及智能分析单元

针对目前高压开关设备本体的状态信息监测单元功能单一、配置的设备分散，监测装置和传感器接口不统一等问题，设计了一种高集成度、准确度高、实时性强的高压开关设备本体状态采集及智能分析单元。采集及智能分析单元采用多核处理器，采用“可重用、可选配”的设计思路，支持无线低功率传感器接入，支持4G 无线通讯、蓝牙调试等功能，也可根据需求接入不同类型的传感器。其中ARM核用于实现操作系统、人机界面管理、以太网通讯等功能，DSP核用于实现在线监测及分析功能，系统功能模块如图9所示。

图9 采集及智能分析单元功能模块Fig.9 Function module of acquisition and analysis unit

3.4 物联管理平台

物联管理平台部署在云端，实现各类型边缘物联代理和智能终端的在线管理和远程运维，对各类型采集终端进行统一管理，并按照统一物联信息模型，汇聚各类型采集感知数据，进行模型转换和数据预处理，并分发至企业中台或相关专业系统，不长期存储采集感知数据。

4 结语

本文提出了高压开关设备本体状态监测系统设计框架，通过一种高集成度的信息采集及智能分析单元，汇集不同种类在线监测传感器的数据，减少了设备数量和安装空间，实现了开关设备本体状态信息的综合监测和分析，解决了传统在线监测功能单一且独立、配置设备分散、监测装置和传感器接口不统一、数据融合程度差等缺点，为高集成度在线监测的方案实施提供了技术路线。