10kV环网柜在线监测系统的实现研究

2022-04-08浙江省慈溪市输变电工程有限公司大明分公司裘思杨郑勇毅高栋寅徐学军茅松雷

电力设备管理 2022年5期

浙江省慈溪市输变电工程有限公司大明分公司裘思杨郑勇毅高栋寅徐学军茅松雷

伴随着科学技术的不断进步和发展，在线监测系统的推广受到了广泛关注，能在提升在线监测实时性水平的同时，还能依据数据指导工作人员开展相应作业，最大程度上优化设备的运行质量，减少经济损失，为电力系统可持续发展奠定坚实基础。

1 10kV 环网柜应用在线监测系统的意义

一方面，正是因为环网供电的应用价值，环网柜的管理也更加重要，而在环网柜运行过程中，各类故障问题互对其应用质量产生影响，利用在线监测系统就能对环网柜的运行状态予以实时性监测，着重了解诊断信息后开展相应的处理工作，不仅能减少停电事故，也能为配网安全应用提供保障[1]；另一方面，电力负荷数量激增，传统的应用管理模式已无法有效支撑系统设备的应用管理，因此利用合理性的在线监测系统能大大缩减成本，并提高资源利用率，为综合运行管理效果的提高及成本的控制创设良好的技术平台。

图1 环网柜在线检测系统结构图

2 10kV 环网柜应用在线监测系统的具体方案

在10kV 环网柜应用在线监测系统的过程中，要结合具体应用要求，保证相关控制模块处理的规范性和科学性，最大程度上提高应用效率。基于分布式DTU 环网柜的在线监测专项系统，具备极高可靠性及实时性，故此环网柜的在线监测专项系统柜内与柜外部所实行不同的传感通讯系统方案设计，以维持整个系统更为可靠、实时且稳定运行状态。

针对环网柜内的系统传感设计实施方案层面。着重考虑整个环网柜自身密封程度以及绝缘水平层面要求，环网柜内倘若实行有线传输则总体布线繁琐复杂，环网柜内总体结构则极易遭到破坏，安全隐患问题极易产生。同时难以解决高压母线以及电缆接头层面传感装置所致高压隔离相关问题。故此次基于分布式DTU 环网柜的在线监测专项系统设计当中，环网柜内的系统通信设计实行无线传输组网形式。

2.1 总体设计内容

在DTU 室安装主控单元，并且设计的各个节点体系之间要维持完整切规范的节点间通信距离，保障自动路由和自动组网等基础功能模块的应用效果。基于此，是在10kV 配电室内安装环网柜在线监测工作站，配置高性能PC 计算机，借助光纤以太网就能建立数据为主的控制单元应用平台，发挥监测作用的基础上还能匹配智能诊断算法，实现人机界面数据采集和诊断曲线算法分析的多元性控制目标。

图2 整体在线监测结构布局示意图

另外，在传感器处理方面，要依据模拟量的差异化特性对信号予以调理控制，并配合相应控制方案，有效讲模拟传感器采集信号放大到规定参数，确保滤波调理控制等模拟量分析的合理性，充分结合10kV 环网柜应用要求和监测参数标准，完成传感器的节点布局[2]。监测参数的项目为：SF6气箱气体状态（SF6环网柜气体压力、温度、含水量）；SF6气箱局部放电（局部放电的参数大小和形式）；二次控制回路（分合闸线圈回路是否完好、有无断线）、二次控制电压（分合闸线圈电压是否正常）；断路器行程（监测弹簧操作机构弹簧的压缩状态）。

簇头节点传感器分布，设置局部放电监测节点、软连接处温度监测节点、SF6气体状态监测节点、真空触头温度监测节点、主回路电流监测节点等；单元柜，分合闸线圈电流监测节点、触头速度监测节点、振动信号监测节点、控制回路电流监测节点、分合闸电压监测节点、温度和局部放电监测节点等[3]。

图3 DTU 监测模块原理图

2.2 通信单元设计

2.2.1 环网柜内部通信

近年城市10kV 配电网中广泛应用环网柜，主要是因为设备自身的体积小且应用便捷，应用传感器网络无线传输布线能大大提升应用效率，不仅不会影响环网柜自身的布线系统结构，还能提升安装效率，为更好地拓展扩展性提供支持。在无线传感器网络体系中，利用ZigBee 技术进行多跳自组织网络的设置，能维持协同合作感知的规范性，还能建构完整的数据传输和信令交互模式，最大程度上提高通信质量。

首先，利用无线传输技术实现传感器节点的应用管理，配合相应设备，就能有效实现数据采集处理、数据通信和数据存储管控，并配合本地信息采集模式，打造融合性较强、存储效果较好的应用平台；其次，完成汇聚节点的控制，匹配通信模式、存储模式和信息处理模式，就能打造完整的主控单元管理平台，保证10kV 环网柜信息采集的科学性；最后，借助动态管理模式能实现对整个无线传感器网络的监督，因为传感器网络要借助管理节点对无线传感器予以访问，这就能调动所有资源，在提升应用性能的同时还能为10kV 环网柜安全管理提供保障[4]。

如，因为SF6气箱内的无线传感器节点不能穿透密封的SF6气箱，因此在气箱内设置簇头节点，能利用套管从气箱穿孔引出，配合操作室就能实现无线数据的实时性汇总，将其发送到主控单元内。在应用ZigBee 芯片的过程中，保证不同传感器节点按照不同要求予以控制，实现芯片最佳组合，为10kV 环网柜提供在线监测[5]。

2.2.2 环网柜外部通信

10kV 环网柜配网自动化系统在运行过程中会在后台主控室间产生大量的数据信息，如何对这些信息进行管理是提高系统安全性与效率的关键。信息安全管理平台的构建，能对系统所产生的数据信息进行科学合理的管理，主要包括信息的汇总、分析以及数据信息的储存。这为提升配网自动化系统运行管理效率提供了大量的数据支持。

环网柜配网监测系统主要是借助光纤通信技术模式，搭建10kV 环网柜和后台主控室之间的数据交换平台。主要是将10kV 环网柜的主控单元安装在DTU 室内，确保其结构和光端机之间能形成RS485串口连接通信模式，有效维持传感器节点数据的平衡，并建立基于光纤以太网的传输结构，保证配网自动化系统运行的合理性[6]。

2.3 簇头节点设计

为保证10kV 环网柜在线监测系统运行的规范性，要结合设计要求落实簇头节点的处理，一般是设置一个簇头节点，将其安装在10kV 环网柜的气箱壁位置，借助套管就能使用无线收发芯片完成端子排室的处理，集成SF6气体状态监测模块和超高频传感器模块，有效实现数据的综合管理。本文选取MSP430系单片机，具备较高的闪存容量和12位ADC，工作电压为1.8V 到3.6V，整合了CC2530F32的芯片组，能有效实现数据信息的实时性交互分析和处理[7]。

节点电源设计：簇头节点在SF6气箱壁，工作电源为3.3V，SF6气体压力传感器的电源为24V，温度湿度传感器的电压为3.3V，维持开合闸控制处理[8]；主控单元：因为10kV 环网柜在线监测需要匹配较多的传感器信息，因此，借助PFGA 就能更好地完成信息处理，满足数量较大且突发性较强的数据分析要求，利用硬件描述语言实现电路设计，充分发挥软件集成度高且可靠性号的特性优势。在采集信号后，就能对其进行处理分析和实时性存储，并配合10kV 环网柜光端机将相关信息数据直接发送到后台计算机，以便于落实相应的动作[9]。

后台方案：系统主要分为数据读取界面、数据处理和分析界面、数据文本存储界面、10kV 环网柜故障诊断模块、数据和曲线显示界面、历史数据查询界面等，以保证能在获取实时性信息数据后建立较为可靠的数据分析平台，维持数据处理的规范性和应用的合理性。不同模块共同作用打造完整的分析机制，能及时匹配智能算法对10kV 环网柜运行状态予以诊断[10]。此外，要依据实时性分析数据和汇总管理要求，还能对检测量进行数值的评估，结合评估结果与分析相关数据就能综合诊断10kV环网柜的寿命。

图4 后台程序流程图

3 在线监测技术发展前景

通过对电力系统的分析，发现检修理论与技术有着密切关联。从决策技术与预测技术层面来看，目前工业国家的设备使用期限已接近老龄化阶段，设备在运行过程中的故障发生概率越来越高，需通过采取相应方案的方法保证设备使用寿命，确保设备使用周期能得到切实延长，从而有效提高设备利用率以及经济效益。

利用在线监测技术对设备运行状态进行监测时，能在有效提高设备使用效率的同时保证检修效率。现阶段技术应用还存在着一定的不足之处，如何有效提升监测系统抗干扰能力、提高监测系统结果精准度等，都是科研人员需关注的重点内容，也是今后需解决的重要技术难题。现阶段介损测量技术及阻性电流测量技术发展较为理想，但还需对传感元件一些问题、CPU 程序、通讯设计等展开进一步优化，确保在线监测技术能更好地为电力系统运行进行服务，为系统运行可靠性贡献出更大的力量。