边缘物联终端在智能化开关柜中的应用

毋炳鑫，黄利军，王坤，魏勇，李俊刚

（许继集团研发中心，河南 许昌 461000）

0 引言

近年来，开关柜在长期运行中由于柜内开关的机械特性可能存在一定的偏移，开关的触头，母线连接和电缆连接处等部位因制造、运输、安装不良、接触面氧化、老化等原因导致接触面电阻过大而发热［1-5］。这些性能特征及温度如果没有监测，得不到及时检修及维护，则常常会引起开关柜拒动误动，使得开关柜故障扩大，甚至导致开关柜爆炸及大面积停电；温升过高也会导致设备烧毁甚至引发火灾，造成极大的损失［6-12］。有关统计表明，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中60%用于断路器的小修和例行检修［13-16］。另外，传统的开关柜每增加一项功能，就会增加相应的传感器以及采集单元，并且所有信息都要上传到后台进行分析控制，既增加了开关柜的成本，造成开关柜设备室空间狭小及布线困难，也存在传感器采集信息的多维重叠问题。一条信息可能由两个或多个传感器同时上报，但由于不同厂家，不同算法做出来的分析结果可能存在差异，给后台处理分析带来一定的难度，同时对网络通信造成很大的压力，一旦出现通信网络问题，就有可能无法进行快速故障处理及薄弱点分析［17-22］。因此，当下亟需采用多维度传感器及具有软件定义终端功能的物联（Internet of Things，IoT）［23-27］终端对开关柜内部断路器动静触头的温度、母线连接状态、柜内温度、刀闸运行状态、设备绝缘老化程度、操动机构机械特性等进行监测分析，配合云端技术，实现云边协同，在满足当下开关柜监测分析需要的情况下，同时又能灵活配置增加新的业务功能，可有效提升开关柜的智能运维水平，提高设备运行寿命。

1 基于物联终端的智能开关柜应用架构

随着物联网技术在电力行业的快速发展，物联终端及云平台技术逐步成熟，边缘物联终端支持开关柜感知数据的统一采集与管理，能够兼容多种感知终端，实现感知终端快速接入物联网平台，同时屏蔽不同厂家通信协议、通信接口、操作系统等接入的差异性，与开关设备协同工作，实时监测开关设备的工作状态，实现开关设备电气量采集、环境温湿度监测、重要节点温度监控、局部放电监测、视频识别等智能化功能。物联网终端运用智能分析技术对设备的运行状态进行实时评估，监测、预警，实现由定期检修到状态预警检修的转变，提高了运维的质量和效率。

智能化开关柜物联终端应用架构如图1所示。

图1 智能化开关柜物联终端应用架构Fig.1 Application architecture of IoT terminal of intelligent switchgear

开关柜物联终端应用架构分为感知层、边缘层、网络层以及应用层。其中“感知层”设备采用技术成熟且经济性较好的传感器单元（温度监测、湿度检测、视频监视等），为开关设备智能化提供不间断监视控制，达到多维监管智能化。“边缘层”则是边缘物联终端设备，其具备信息采集、物联代理及边缘计算功能，对下可实现不同通信接口和通信协议的传感器数据接入，统一转换为物联网协议，上送物联网平台。“网络层”设备主要是边缘物联终端对上通信到云主站的方式，采用有线或者4G、5G无线通信方式。“平台层”则是智能运维云平台系统，实现整个接入系统的数据接入处理以及云端服务等。

2 开关柜物联终端软件体系架构

边缘物联终端基于物联网型通用的软件定义终端体系架构，采用硬件平台化和软件APP化设计理念，融合应用了物联感知、通信、边缘计算、人工智能、信息安全及芯片国产化等技术。开关柜智能化建设采用传感技术、多通道通信与组网技术、数据库技术和服务器技术等，形成一套基于物联网的远程实时监控系统，边缘物联终端的边缘计算协同云平台计算、分析和预警，实现对开关柜无间断、全覆盖、全数字自动化的实时记录、分析，将实时监测的开关设备运行状态上送给物联管理系统平台，同时，由于采用了软件定义终端的架构，可以灵活扩展业务应用，只需在云平台上增加相应的业务应用APP，然后下装到物联终端里，终端就增加了相应的逻辑分析功能，大大减少了工程配置，同时多维监测数据统一进行采集，在特定时间段，进行数据采集对时，保证本地收集数据及上传物联网云平台数据具有统一时标进行数据分析整合及一致性管理。边缘物联终端软件应用架构如图2所示。

图2 边缘物联终端软件应用架构Fig.2 Edge IoT terminal software application architecture

边缘物联终端采用双核系统，将实时操作和非实时操作进行分块存储分析处理，含控制保护及运行状态分析功能的在实时操作系统里进行，含统计、预测以及综合诊断功能的在非实时操作系统里进行处理，既满足了运行控制要求，又满足了运维分析要求，同时边缘物联终端由于采用了软件定义终端架构，可以灵活扩展业务，实现功能模块的即插即用。

边缘物联终端软件分为操作系统层、系统平台层及应用软件层。操作系统层采用安全加固的Linux嵌入式操作系统，集成selinux核心功能，屏蔽了硬件差异，支撑上层云平台应用APP的独立开发及运行，业务数据流和管理数据流分离，提供了统一标准的外部及内部资源调用接口，实现了上层应用于底层硬件的解耦；系统平台层主要实现终端硬件资源的封装，提供ESDK服务，以mqtt方式与宿主机及容器内的应用进行数据交互；提供物联管理代理IotProxy服务，实现与物管平台的对接，包括设备连接、认证、容器、应用管理等功能；提供SecProxy安全代理服务，实现管理通道及业务数据传输通道的加密认证服务，应用层无需关注安全相关细节，容器采用LXC容器技术，并行运行数不小于4，以各个应用APP（例如：开关柜环境采集APP、母线测温APP、断路器测温APP、电缆测温APP、局放监测APP、视频采集APP、环境温湿度调节APP、断路器机械特性分析APP、局放分析监测APP、设备温升预估APP）等来实现业务功能，通过模块化的软件功能组合，提高功能APP间的独立性，可实现业务横向隔离。应用平台层主要负责基于容器、满足微应用开发规范的App开发，封装，虚拟镜像生成等功能。边缘物联终端支持多种远程和本地通信，支持MQTT、HTTP等多类通信协议，为开关柜物联传感设备的接入提供了稳定的数据传输通道。

3 开关柜传感布局分析

开关柜边缘物联终端监测的信息目前包含开关柜母线触头温度、电缆温升、开关柜局放、能电机电流、脱扣器电流、环境温湿度及地刀闸视频图像信息等，同时进行传感信息的边缘计算分析，并评估开关柜健康状况以及对早期故障进行及时分析、评估、预警，并灵活支持未来功能的扩展布置，开关柜边缘物联终端传感信息采集模型如图3所示。

图3 开关柜边缘物联终端传感信息采集模型Fig.3 Sensing information acquisition model of edge IoT terminal

开关柜内部一般采用9点或12点关键部位测温方案，分别安装于母排，断路器上、下触头铜排连接处，电缆接头位置（如图3中的①、②和③位置），边缘物联终端通过边缘计算方式结合三相CT电流采集数据，实现三相温度不平衡、温度与负荷关系曲线、温升等判别，进行预警、告警及未来发展趋势的预测；在电缆室安装一个测温天线，在断路器室两个侧壁安装两个测温天线，温度读取器安装在仪表室，与电源模块一起通过导轨固定，实现开关柜各室温的监测管理；局放传感器安装在电缆室后柜门，通过铜轴线接到采集终端，局放采集终端安装在仪表室，通过导轨固定；接地断路器和底盘车的控制器安装在仪表室；温湿度传感器分别安装在电缆室和断路器室，通过导轨固定在柜体侧壁，而加热器固定在柜体隔室内的对面侧壁；摄像头需自带补光，分别安装在断路器室上封板处和接地断路器下面的底板处，激光传感器安装在断路器室的底板上，接地断路器上的激光传感器通过固定板安装在柜体侧壁，触发挡板安装在接地断路器的旋转主轴上。

4 开关柜物联终端典型微应用分析

边缘物联终端具备信息采集、物联代理及边缘计算功能，完成开关柜感知数据采集处理、边缘计算，实现对设备的全面感知、数据融合和智能应用，同时建立基于数据驱动的电力设备的状态感知、状态可视、状态运维和安全可控，从而达到“智能装备、智慧运行”，并将数据信息统一上传至主站、云平台。目前，边缘物联终端针对开关柜的典型微应用分析评估包含开关柜绝缘状态分析评估、温升状态分析评估、机械特性寿命预测、环境温湿度分析评估、电气量测量分析等功能，如图4所示。

图4 开关柜微应用服务框架Fig.4 Switchgear micro-application service framework

4.1 开关柜物联终端微应用云-边协同

边缘物联终端采用软件定义终端的架构模式，与物联终端管理云平台进行云边协同工作，物联终端管理云平台如图5所示。

由图5可知，开关柜物联终端管理云平台包含终端管理、容器管理、应用管理、I/O设备管理等功能，其中应用管理中包含更新、下载以及业务配置的各种应用APP，业务应用人员只需将物联终端所需要的APP下载到特定的物联终端中，那么该终端就具备了相应的功能，可灵活实现功能模块的即插即用，更能满足未来开关柜智能化建设中不断更新变化的需求。

图5 开关柜物联终端管理云平台Fig.5 IoT terminal management cloud platform of Switchgear

4.2 开关柜温湿度控制微应用

开关柜温湿度控制APP微应用实现对开关柜断路器室环境温湿度传感采集及数据分析，当断路器室温度大于柜顶风机设定温度定值，同时温度自动控制字投入情况下，边缘物联终端就启动柜顶散热风机进行降温处理，当温度下降到设定的低温时则联动停止风机，开关柜湿度控制逻辑与温度控制类似，温湿度逻辑控制如图6所示。

图6 温湿度控制微应用逻辑示意Fig.6 Temperature and humidity control micro application logic schematic

4.3 开关柜机械特性及寿命评估微应用

开关柜机械特性在线监测通过断路器分合闸以及储能电机监测单元直接对分合闸线圈动作时以及储能电机的电流进行检测，同时利用行程/振动监测单元的振动信息图谱进行开关动作特性的比较分析，通过对电流波形的分析诊断判断断路器是否存在内部潜在缺陷。断路器分、合闸线圈的电流是其机械特性的反应之一，断路器使用寿命与分、合闸操作次数有关，尤其是开断电流的大小造成的影响，是其寿命的一个重要参数，智能物联终端通过对断路器分闸次数的统计，区分故障分闸和操作分闸，通过绘制其电流曲线，可以判定其基本状态，建立分合闸线圈电流波形（线圈匝间短路、机械动作速度、辅助开关切换不良、分合闸铁心启动卡涩、脱口位置一致性差、分闸速度衰退、控制回路端子虚接、脱扣器卡涩、电磁铁运动距离过小、电磁铁阀芯卡涩、辅助开关切除过早、弹簧疲软、分合闸行程不到位、开关拉弧）等专家图库，为运维检修提供数据参考。图7为开关柜机械特性及寿命评估微应用分析图。

图7 开关柜机械特性及寿命评估微应用分析图Fig.7 Micro-application analysis diagram of mechanical characteristics and life assessment of switchgear

《10 kV 智能化金属铠装移开式开关柜技术需求（试行）》［28］对开关柜机械寿命要求如下：电动手车机械操作寿命，3 000 次；电动接地断路器机械操作寿命，3 000 次。边缘物联终端通过对电动手车断路器以及接地断路器断路器的分合闸次数进行分别操作统计，然后与规定的机械寿命次数进行对比分析，当占比达到95%时，进行断路器机械寿命预警，支撑设备运行服务。边缘物联终端机械寿命预测分析逻辑如图8所示。

图8 断路器机械寿命分析微应用逻辑示意图Fig.8 Micro-application analysis diagram of mechanical life evaluation of breaker

4.3.1 开关柜局放监测评估微应用

图9为开关柜局放微应用逻辑示意图。

图9 开关柜局放微应用逻辑示意图Fig.9 Logic diagram of switchgear partial discharge micro application

开关柜局部放电是指当高压电气设备外加高电压时，绝缘部分区域发生放电，但还未形成固定放电通道的放电现象。造成局部放电的原因有很多，主要包括制造缺陷，如绝缘材料中的气泡和杂质；维修工作造成的机械损伤；污秽；绝缘系统设计缺陷；磨损与老化等。其中绝缘故障是导致高压电缆，开关柜损坏和安全事故的首要原因，局放监测是发现早期绝缘故障的主要手段。局部检测系统可分为局放传感器（空间局放传感器、柜体局放传感器）、局放采集装置两部分组成。局放采集装置通过铜轴电缆接收空间特高频信号，并通过LORA等通信方式与地电波等局放传感器数据通信，收集到的数据经边缘计算汇总后传送到边缘物联终端进行局放分析评估给出注意态、异常态、严重态、正常态，支撑开关柜智能运维工作。

4.3.2 温升评估微应用

开关柜温升过高带来的氧化腐蚀，会加速导致接触电阻增加，进而加速温升，形成恶性循环，从而导致设备损坏，发生爆炸等严重情况。使用温升差正常值、温升差注意值、温升异常值将相间的温升差划分为4个档位：［0 K ～温升差正常值］为正常；定义［温升差正常值～温升差注意值］为注意；定义［温升差注意值 ～温升异常值］为异常；定义［温升异常值 ～∞ K］为严重。各相间温升差值均判别、显示各点和各相温升评估状态。一般情况下，温升差正常值、温升差注意值、温升异常值这3个定值的整定值分别取为4 K、8 K、12 K。开关柜温升评估微应用逻辑如图10所示。

图10 开关柜温升评估微应用逻辑示意Fig.10 Schematic diagram of micro-application logic for temperature rise evaluation of switchgear

4.3.3 断路器及接地断路器视频状态分析微应用

开关柜物联终端通过采集柜内断路器室及电缆室视频数据进行视频图像处理分析，如表1和图11所示。判断手车断路器以及接地断路器当前分、合状态，按照双点遥信方式实时显示当前位置状态，从而支撑运维人员的精准运维。

表1 开关柜状态识别Tab.1 Switchgear status identification

图11 物联终端视频微应用分析图Fig.11 IoT terminal video micro-application analysis diagram

5 结语

在开关柜智能化、物联网化发展趋势下，本文以边缘物联终端为核心，给出了开关柜边缘物联终端软件定义终端体系架构，该体系架构可实现边缘物联终端与云平台的云-边协同，灵活实现开关柜新增功能需求。文章针对开关柜传感信息布局采用多种传感器进行了详细的分析描述，构成了以边缘物联终端为核心的开关柜感知数据采集、分析、预判和处理体系架构，构建了面向开关柜各类应用场景下边缘计算微应用，开展并设计了开关柜环境温湿度监控微应用、局放监测分析微应用，接地断路器视频分析确认微应用、设备关键点温升评估微应用等功能服务，可为开关柜智能化建设提供支撑。方案推广应用后，不但能够使开关柜智能化得到有效提高，助力精益运维，同时可以提高设备精益化管理水平。