KYN28-12高压配网开关设备物联网集成设计与应用

徐 志

(宁夏力成电气集团有限公司，宁夏 银川 750001)

随着重点工程项目建设对电力配网开关设备要求的不断提升，传统配网开关设备在工况环境变化中的运行可靠性、稳定性的指标需要逐步提升，尤其是如何通过物联网的手段监测、评估、预测其长期运行中的异常隐患、巡检盲区、运维管理资源缺乏的问题，如何使配网开关设备制造商更直接地了解到自己的设备在全生命周期内的薄弱环节及故障频发点，便于为用户提供及时有效的服务，成为电力装备制造商和终端用户的需求。

1 传统设备设计方案及其不足

传统KYN28-12高压配网开关设备在物联网集成应用技术方面还没有形成具体产品应用方案[1]，市场现有存量设备一部分是通过配电室内设置局域网的集中监控后台监测来自微机综合保护装置或者电力仪表等元器件采集的实时电量指标；另一部分设备没有集中监控，采用人工定期巡检的方式对分布式的设备进行监视。这2种方式都需要在配电室人工值守，且监控或监视的指标只涉及到电量参数，没有对影响设备本身健康的表象特征、机械特征等进行关注，而电量参数又不能完全表征设备健康运行的因素，因此造成两方面不利影响：一是配电室管理陷入被动运维。运行值守人员不能离岗，且不能有效及时掌握关乎设备安全健康运行的参数，比如：柜内灰尘、柜内异常噪音、振动等，工作重心集中在事故发生后排故上，达不到“不治已病治未病”的效果；二是设备制造商不能获取自己投入市场的设备的运行缺陷，对产品的改进缺乏一手信息。

2 物联网集成设计

2.1 物联网集成设计方案

对涉及KYN28-12高压配网开关设备健康运行的共计指标34项进行监测，如表1所示。主要考虑设备运行过程中表象特征、电量特征、机械特征、开关量特征4个方面[2]，表象特征方面如采集噪音的强度和声频变化、开关柜柜体振动、柜内异常弧光、柜内灰尘含量、高压导体电接点的温度、柜内的昼夜温、湿度方面的变化，对开关柜外绝缘、温升、动热稳定性方面的直接表象等。

考虑到应用的性价比，本设计中采集的方式有3种：(1)通过设置各种传感器、元器件及网关装置，由网关匹配元器件及传感器相应的通信方式实时在线采集(共27项)；(2)通过每月定期专业巡检，利用与云平台互联互通的手机APP软件人工采集录入(1项)；(3)通过每年的预防性试验，人工录入系统(6项)。采集的关键指标及参数，见表1。其中，机械特征和电量特征中的局放监测指标，考虑在设备上应用在线传感器的性价比问题，采用人工巡检测量、预防性试验采集录入。

表1 物联网集成设计采集的指标

为了实现上述在线采集的目的，且现场改造和安装施工方便，特别研发了1种双通道物联网网关，可以提供多路串口连接柜内的传感器和元器件，体积更小，可方便地集成到开关柜仪表室的二次回路中。

2.2 双通道物联网网关研制

双通道物联网网关由主控模块、通信模块、多串口通信电路、电源系统等组成。主控系统采用32位单片机实现，满足系统外设接口需求的同时，以实现对各种模块的协调管理。

通信模块部分设置2路全网通通信模块，可独立工作，运行时4G通信模块做为主模块与云平台交互数据，且采用移动通信网络；当移动4G通信模块信号弱或中断时，启用备用NB通信模块(采用电信或联通通信网络)与平台交互数据，做数据断点补充，网关上行与平台通信执行MQQT协议；另外的RS232口和TCP/IP接口主要用与开关内常见电力仪表或综合保护产品之间的通信。

多串口通信电路设计有3路以上物理接口[3]，用轮询的方式与RS485总线上所挂载的所有噪音/振动/温、湿度(环境温、湿度、导体搭接点温度)/灰尘传感器，和开关柜常用智能操控装置、电力仪表进行通信,串口执行Modbus等常规通信协议。

电源部分采用集成型高频开关电源模块，3.3 V～5 V多路输出为主控及其它模块供电，且内置小容量锂电池组，可在开关柜控制电源消失3 h内提供应急电源保障。

网关终端系统架构如图1所示。

图1 双通道物联网网关系统架构

由图1可见，网关多串口通信物理端口上，采用屏蔽双绞线链接多个与开关柜健康运行直接相关的非电量、电量传感器或装置，不同厂家的传感器及装置采用的通信协议、方式(波特率、字节传输顺序、校验方式等)不尽相同，鉴于此网关设计有内置的基本协议库，以及可以远程更新的平台侧协议库，同时设计有上位机软件，方便现场针对不同传感器、装置的应用，对串口通信参数进行设置。

2.3 集成设计方案

KYN28-12高压配网开关设备物联网集成设计见图2[4]，涉及开关设备柜体，以及设置在开关设备柜体内的高压真空断路器、电力仪表、智能操控装置、PT/CT、接地开关、母排、高压传感器、双通道物联网网关、温度传感器、弧光传感器、噪音传感器以及震动传感器、可折叠增益天线组。可折叠天线组设置在配网开关设备柜体外，双通道物联网网关安装在仪表室内，其一端分别与微机综合保护、电力仪表、智能操控装置、弧光传感器、噪音传感器、震动传感器以及温度传感器电连接，另一端的2个信道分别与可折叠天线组电连接；断路器、PT/CT、接地开关以及高压传感器由母排依次串联，断路器静触头上下端、电缆室电缆连接点设计9点电接点测温传感器，通过433M无线通信方式与网关串口上的温度采集终端通信；母线室、电缆室内分别设置有噪音传感器、灰尘传感器、弧光传感器及振动传感器各1组，通过屏蔽双绞线与网关串口连接[5]。在开关柜内，在原有的二次回路线束通道内，分隔设计有弱点布线通道，减少传输中的信号干扰。

3 应用及效果

3.1 应 用

上述设计方案在研发的新一代KYN28-12系列产品上进行了实际应用验证，设备通电运行1年多时间，物联网网关及传感器运行正常、稳定，大大减轻了运行管理人员的日常运维工作量，运行值班人员从2人减少到1人，巡检频次从每周1次降低到每月1次，设备运行数据变化和数据累计相比人工记录更清晰、准确；另一方面，作为开关设备制造商，通过物联网集成设计，获得成套开关设备在不同工况环境下的运行表现及局部的缺陷、异常数据，特别是大电流(≥2.5 kA)开关设备在新材料生产领域，如单晶硅、蓝宝石晶体生产企业应用，发现在电流上升到一定阈值开关设备的噪音和振动变化显著，通过物联网获取并累计到这方面的关联数据，从对开关设备的钣金件加强设计、不锈钢和覆铝锌板材料的组合选择及组装形式进行了优化，收到了有益效果，现场应用情况如图3所示。

图2 KYN28高压配网开关设备物联网集成设计方案

图3 KYN28-12物联网集成设计在配电室内的实际应用

在应用中，对表1设计采集的指标进行连续采集，形成了历史数据的趋势曲线，可以通过配置把关联关系的指标分布在同一曲线窗口内，如把电流、噪音、振动、温度放在同一时间窗口期内进行分析，直观地观察相关规律及因素。

对采集录入方式的采集指标，借助云平台广域的互联互通优势，提供手机端APP录入，最终一并进入数据库与其它采集方式获取的指标融合，也可通过进行趋势曲线查看。

3.2 效 果

在KYN28-12配网开关设备内设置基于双通道的物联网网关和可折叠天线，将分布在柜内的振动、弧光、温度、噪音等多种智能传感器和电力仪表、智能操控等元器件采集的数据，进行实时传递、数据存储、简单分析，同时与远程运维系统配合实现配网开关设备的物联网应用，与传统产品相比：

(1)解决了用户电力配电设备大面积分布运行不易集中管理、不易随时评估分析、不易提前预防事故的局面，提升了终端电力配电室运行的安全性和可靠性，特别是巡检时间从1个月4次缩减为1个月1次，巡检时间及运维值班管理工作量明显下降。

(2)有效地连续获取影响开关柜健康运行的关键指标参数，进而对超标特征进行提前干预和消缺，有效预防高压开关柜引起的电力事故，提升配电可靠性。

(3)解决了制造商对自己生产的设备在全生命周期内的关注问题，可以有效地获取产品在各种工况下运行的指标参数，进而提供研发层面的改进，特别是大电流开关设备，进而针对性改进开关柜钣金结构。

4 结 论

本设计有别于传统配电室局域网信息化管理，通过物联网技术在传统配网成套开关设备KYN28产品中的设计与应用，将设备重要的运行工况、指标实时主动采集，结合工业互联网平台进行关联分析、评估和预警等，能随时随地对开关设备健康状况可视化，帮助终端用户电力设备安全、经济运行管理；更可以帮助开关设备制造商获取更多设备异常信息，改进设备缺陷，从设计方面提升产品可靠性；更为重要得是提供了1种开关设备全生命周期管理的实现方法，尤其是对数据分析为基础的PHM设备健康管理体的有效支撑，催生了基于数据的电力配电站精准运维服务新业态。