智能配网开关设备研制应用

宁夏力成电气集团有限公司 丁立科 马立军 申晓兵 曹建华

近年来随着能源电力、“云大物移智”等技术的不断进步与应用，电力系统逐步向以横向多能源互补、纵向源网荷储协调为主要特征的能源互联网、综合能源系统发展，同时电网公司提出向综合能源服务商转型的重大战略部署，提出打造枢纽型、平台型、共享型企业、建设运营好坚强智能电网和泛在电力物联网。

各配网开关设备制造企业在时代的发展方向下也积极推进产品升级换代和智能配网开关设备的研制工作，大家都在积极地探索中不断前进，不断完善着各自的传统产品，使其能够智能化，应用安全可靠性性提高，配合国家电网做好、做实电力系统中最基础的配网产品，也是在为坚强智能电网打定坚强基础。

随着信息化技术的发展，“万物互联”成为技术发展的趋势，通过物联网的技术手段将配网开关设备的运行指标进行实时监测和预警，将传统的开关设备智能化，可进一步地提高电力系统安全、稳定运行。尤其是以数据分析为目的，以可测、可控、可视、协同自愈为方向的智能配网开关设备，逐步成为行业内部对智能配网开关设备重要的考评依据。

10kV 配网开关设备KYN28-12金属封闭开关设备不仅广泛应用于电力系统的各类变电所以及发电厂、工矿企事业高压配电当中，占据着电力系统的半壁江山，而且其自身产品整体构架特征、工作运行环境和电压等级在配网开关行业极具代表性，这也就使其成为各开关设备制造企业实现智能开关设备的首选产品。

宁夏力成电气集团有限公司研制的10kV 智能配网成套开关设备，采用双通道物联网网关（4G 和NB-Iot）[1]，在开关设备的相应各项功能隔室内配置在线导体温度、弧光、噪音、灰尘传感器，以及通过RS485方式将上述传感器和网络仪表、智能操控交互，自动采集设备运行工况（环境特征、机械特性、表象特征、电量特征）上传到云平台，利用平台PHM（设备健康管理模型）对设备运行进行状态监测、健康评估、故障预测，从而使设备具备了运行全生命周期内（≤20年）的可测、可视，进而使得产品智能化、管理科学化、运行可靠性程度显著提高。

1 研制过程

1.1 工业设计

智能配网开关设备设计之初，通过工业设计把传统钣金工艺与新材料、新技术融合应用形成了智能配网成套开关设备。在原有成套开关柜结构设计方面重点强化了五防闭锁、电气传动路径防护，并在全系列产品中统一工业设计元素风格。

工业设计中力求产品外观造型简洁、大气、庄重，在企业VI 设计基础上提炼并融入了“斜45度”一致性语言元素，特别是在产品整体形象设计、门板与上下坎部件设计、门锁与拉手设计、丝印与LOGO 设计、铭牌与标识设计、涂层材质与工艺设计等方面进行了统一设计，形成配网开关设备工业产品稳重、大方的效果，充分体现出高端产品的科技感和强烈的企业特色，为产品内部结构设计、电气设计、智能化设计等提供一个标准框架和基础平台架构，为产品具备安全可靠、便捷维护、智能化的独有技术特色起到重要的支撑作用，对产品的扩展开发、应用开发奠定了良好的基础。

1.2 安全设计

在产品整体设计过程中产品结构合理设计尤为重要，产品整体结构的布局会影响到产品运行性能。传统的开关设备的功能单元检修门相互独立，各隔室门锁相互独立，若开关设备任意隔室内出现短路、电器元件漏电、线路接触不良等，此时作业维修人员检修时因无联锁机构导致误入带电间隔，轻者损坏电器设备、重者发生触电事故乃至使作业维修人员死亡。

此类问题归根到底是产品安全性问题，宁夏力成电气集团有限公司研制的10kV 智能配网成套开关设备，在产品结构方面安全性方面设计了后门联锁装置U 型锁扣和斜槽锁扣实现反向闭锁功能。提供了更为可靠的电缆室内接地开关连锁机构，使得其与后门、操作孔操作具备先后顺序，即必须先接地开关合闸、开后门和必须先关闭后门、再接地开关分闸的防误闭锁强制性手段，强化了成套开关设备的五防联锁，提高了产品安全性能。

图1 智能配网开关设备及连锁机构

10kV 智能配网成套开关设备通过机械电气传动方式提升设备安全可靠性。主要是在设备断路器室门板本体的内侧面的边缘周增设一圈气流泄压式U 形槽，经过U 形槽的缓冲使得喷射出的气流压力明显低于断路器室内气压，高压高热气体经由门板与柜体边框缝隙时的喷射速度显著降低，可有效避免爆炸产生的高压高热气体直接经由门板与柜体边框的缝隙喷射而出时对人体造成危害，提高产品安全性。

1.3 智能化集成应用

在产品电气和智能化设计中，10kV 智能配网开关设备以RAM 为主控核心的双通道物联网模块，借助4G 和NB 通讯技术，集保护、操控、测量、通信、显示等功能一体化的综合集成装置，有利于开关柜精简结构和接线、提升自组网、且兼容工业有线或无线网络各类技术协议集成应用，实现了基于物联网的智能配电综合自动化系统。

智能型成套开关设备与工业信息化网络系统的组合应用，在为用户开放本地集中监测与控制系统外，更突出的特点是：通过本技术的创新研发，可形成对远方配电系统上的智能配网开关设备，在制造厂内部的云数据平台上，进行远程实时监控、协调和运维集成系统，可为缺少配电系统管理和运维技术资源的用户提供远程技术托管服务。

10kV 智能配网成套开关设备网络电力仪表具备电量采集通讯，符合Modbus-RTU 协议要求，在柜内应用振动、弧光、噪音、污秽传感器，电力仪表和传感器最终通过RS485方式与物联网网关连接，网关上行协议执行MQTT。整体与基本的电力应用、高电压、电气传动等的融合，形成了一种强电与弱电相匹配的智能技术成果。

通过设计研制工作，最终形成了10kV 智能配网开关设备标志性产品KYN28-12智能高压交流金属封闭开关设备。此产品通过工业设计把传统钣金工艺与新材料、新技术融合应用形成的智能型配网成套开关设备，在产品电气方面研制了配网设备用双通道（4G/NB-iot）物联网网关，各功能隔室内配置的导体温度、弧光、噪音、灰尘等多种传感器，以及电力仪表、智能操控装置在线数据通讯产品，形成了更为安全、美观、新颖、智能的配网开关设备产品。

10kV 智能配网开关设备使原有KYN28A-12高压交流金属封闭开关设备基本的电气性能、机械性能得到提升的同时，更创新实现了配网设备广泛在电力物联网的技术应用，形成了一种弱电与强电相匹配的技术成果，达到高端化、智能化产品设计的目标，为电力产品的智能远程运维服务提供了强有力的底层数据采集支撑，并且融合PHM 设备预测与健康管理技术，使产品具备了故障预测、预警等功能。

一是实现了配网开关设备全寿命周期内的可测、可预、自学习、自适应的智能化技术；二是实现了配电设备运行状态监测、分析与诊断，及配电设备全生命周期预测性管理、维修、保养。做到在设备故障发生前，依据当前设备需要维修状态进一步判断是由于何种故障模式引起的设备健康水平的下降，从而对故障模块或部件尽早进行检测与识别。

平台能够依据获取的状态监测信息，判断当前设备处于其性能退化过程中哪一种健康状况，是正常态、性能下降态或某一功能失效态，估计当前的状态偏离正常态程度的大小；依据当前装备系统的健康状况，监测装备系统运行状态并故障预测，确定未来时间设备系统是否能正常完成其功能，并根据过去和现有的状态预测出未来某时间的状态，从而可做到故障的提前预警。

图2 智能配网开关设备采集、分析与预判研究

10kV 智能配网成套开关设备技术上的创新实现，提高配电网运行的可靠性和效率，是积极主动响应“泛在电力物联网”技术发展趋势的重要措施。在传统开关设备赋能该技术，可降低劳动强度和充分利用现代网络资源优势，从而对用户和电网均带来有益效果。

2 产品产业化应用

10kV 智能配网开关设备产品是企业根据市场需求，围绕智能化、数字化、信息化、高端化、品牌化配网成套开关设备的产业化战略方向而设计的新产品，较原有产品从外观上更具有现代性、科技感、时尚性，在性能上更为可靠、安全、智能。工艺上更符合高端电力装备要求，更能为智能电力配网产业提供基础支撑。目前该产品已实现产业化，但产品后期的持续改进和产品智能化程度的提高将还是我们制造企业持续关注的问题。

同时企业智能配网开关设备的实现大大推动了电力配电站远程运维服务新业态的进步和发展，实现了终端设备的异常预测、及时维保，提升了设备供电可靠性、使用寿命和产品在市场上核心竞争力，也为制造企业向“制造+服务”型转变奠定了坚实的基础。

制造业智能化、互联网化是新一轮技术与产业革命的大趋势，配电产业的生产工艺及加工手段体现出工业4.0的两大特点：一是智能化；二是多批次小批量，定制生产满足个性化需求。因此设计适合机器人流水化生产的组件式配网设备生产单元，并重新规划产业链，将是配网开关设备行业发展的趋势。通过加工制造高度的可视化、自动化来实现产出产品的高效率、低成本目的。

3 结语

基于新一代信息技术（人工智能、物联网、传感、互联网、大数据、云计算、区块链）的迭代发展和国家电网建设的要求[2]，配网成套设备行业开展智能化和提升产品智能化技术的研究，提高产品的技术含量是在市场中独占鳌头的必由之路，所以还有以下几个方面需要企业去取长补短。

配网开关产品实现智能系统网络化。随着移动互联网科技的发展，越来越多的领域在智能方面的探索有了新的认识和应用。配网开关行业在变电所、楼宇及民用住宅等领域广泛应用互联网技术，实现了利用电脑、手机、电视等电子设备对配电站点实现全天候现场实时监控，从而降低配网监控系统投资成本。

产品组件模块化、结构组合化。研发适于配网开关系统应用的模块化配电成套产品组件，模块化设计将使成套产品的制造过程大大简便，通过不同模块积木式的组合，使各功能单元获得不同的附加功能，从而形成有机结合的整体。组合化的成套产品使得不同功能的单元组合在一起，有利于外形结构更紧凑，提高空间利用率，减少线路中所需的元件品种，并使“强电”和“弱电”保护特性及应用功能得到良好的配合。

零部件通用化。不同产品单元或不同功能组件实现零部件通用化，提高标准化程度，对制造企业来说将大大减小产品的开发和生产成本并减少零部件的库存量，对用户来说也便于维修和互换。

配网开关设备远程运维。通过配网开关设备远程运维可实现偏远地区终端用户用电维护难、专业人员不足、故障排除不及时等问题，充分发挥配网开关设备设备智能化应用与电力大数据的优势，为用户提供更优质的用电体验，符合人们对高可靠、安全、绿色、经济电力能源的需求。