基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化中置柜的設(shè)計(jì)

摘 要：為了滿足智能電網(wǎng)對(duì)中置柜發(fā)展提出的要求，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用于智能化變電站的新型智能化中置柜。首先對(duì)斷路器手車、接地開關(guān)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造，實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)操作；其次通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代控制理論、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)中置柜運(yùn)行電氣參數(shù)及運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)將各獨(dú)立運(yùn)行的中置柜組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)中置柜運(yùn)行狀態(tài)的集中遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制；最后開發(fā)了數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)和基于“五防”聯(lián)鎖的便攜式控制與數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)了中置柜的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行、數(shù)據(jù)采集。該智能化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)中置柜的在線監(jiān)測(cè)，有效提高中置柜運(yùn)行安全性和工作效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)中置柜的智能化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：中置柜；物聯(lián)網(wǎng)；智能；在線監(jiān)測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.104

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，智能電網(wǎng)的發(fā)展在技術(shù)上對(duì)中置柜提出了新的要求，如減少故障停電次數(shù)和時(shí)間、縮小停電范圍；減少、縮短設(shè)備檢修停電時(shí)間；系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備共享系統(tǒng)信息資源等。傳統(tǒng)的開關(guān)[1-2]設(shè)備越來(lái)越不能滿足這些要求。輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3-4]可實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、故障診斷和狀態(tài)評(píng)估等功能。因此，綜合利用輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究制造具有狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷處理等智能化功能的中置柜是必要的。

現(xiàn)有的開關(guān)設(shè)備[5]智能化應(yīng)用方案主要考慮斷路器的機(jī)械特性和提高設(shè)備的安全性等方面，如通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各種電氣量參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境參數(shù)等，提高設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷能力，減少設(shè)備檢修，提高供電的可靠性等。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中置柜智能化改造方案

參照《高壓設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則》，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能中置柜改造方案，改造方案涉及3個(gè)部分，即：智能綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、中置柜數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中置柜智能化改造基于四級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)中置柜的智能化管理。首先研發(fā)智能綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，安裝于中置柜本體，采用無(wú)人值守的方式，通過(guò)控制單元、監(jiān)測(cè)單元和識(shí)別單元、保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)中置柜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、診斷、控制與保護(hù)，并對(duì)中置柜的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯和通過(guò)RS485總線上傳；其次研發(fā)便攜式數(shù)據(jù)采集終端，巡檢人員通過(guò)掃描二維碼（粘貼到每臺(tái)中置柜的唯一二維識(shí)別碼）建立與綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置通訊，完成對(duì)中置柜內(nèi)部電動(dòng)手車、接地開關(guān)等裝置的非接觸式控制和運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集及簡(jiǎn)單分析功能，實(shí)現(xiàn)了中置柜的不定期巡檢；某一局部區(qū)域內(nèi)所有的中置柜智能綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到近端主站的數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)，數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提供故障預(yù)警和故障預(yù)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了中置柜的定期巡檢。

2 中置柜本體智能化改造設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化中置柜本體改造包括電動(dòng)控制裝置、智能測(cè)控裝置、模擬顯示裝置和保護(hù)裝置四個(gè)部分，該四個(gè)部分屬于模塊化設(shè)計(jì)，只需保留預(yù)留接口即可以實(shí)現(xiàn)多模塊化設(shè)計(jì)。四個(gè)模塊通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)與綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)四級(jí)監(jiān)測(cè)與管理網(wǎng)絡(luò)。

2.1 電動(dòng)控制裝置改造

2.1.1 電動(dòng)底盤車電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

斷路器電動(dòng)底盤車三維設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1所示。1為直流電動(dòng)機(jī)，2為二級(jí)變速機(jī)構(gòu)，3為鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，4為普通直齒傳動(dòng)齒輪，5為絲杠螺母，6為有凹槽的滾珠絲杠，7為手車固定端，8為內(nèi)圈有凸緣的直齒齒輪，9為擋板。具體實(shí)現(xiàn)電動(dòng)操作的方式為：直流電機(jī)1通過(guò)變速機(jī)構(gòu)2獲得較大的扭矩，驅(qū)動(dòng)鏈輪，鏈傳動(dòng)帶動(dòng)齒輪4與鏈輪做同步轉(zhuǎn)動(dòng)。直齒齒輪內(nèi)圈的凸緣與絲杠的凹槽相嚙合，使齒輪8與絲杠做同步轉(zhuǎn)動(dòng)。由于絲杠末端與手車固定端連接，轉(zhuǎn)動(dòng)的絲杠使固定在手車上的絲杠螺母5做直線運(yùn)動(dòng)。在擋板（擋板9固定在小車底板上）的作用下，凸緣齒輪8同時(shí)通過(guò)凸緣在絲杠上直線滑動(dòng)。絲杠螺母4帶動(dòng)斷路器手車推進(jìn)和后退，實(shí)現(xiàn)斷路器手車的電動(dòng)操作。圖2為改進(jìn)后斷路器底盤車增加的電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖，該部分實(shí)現(xiàn)了斷路器手車的電動(dòng)操作。

2.1.2 接地開關(guān)機(jī)構(gòu)電動(dòng)操作的智能化改造

圖3為接地開關(guān)操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。1為主軸驅(qū)動(dòng)件，2為驅(qū)動(dòng)齒輪，3為無(wú)油軸承，4為接地開關(guān)主軸，5為電機(jī)軸。電機(jī)通過(guò)二級(jí)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒輪依靠無(wú)油軸承和軸套支撐在接地開關(guān)操作主軸上。驅(qū)動(dòng)齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)與接地開關(guān)操作主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)直接的傳動(dòng)關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪運(yùn)行一定角度時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪的上凸緣部位與主軸驅(qū)動(dòng)部件接觸而使驅(qū)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)件帶動(dòng)接地開關(guān)操作主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，接地開關(guān)開始動(dòng)作。此時(shí)，接地開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度較驅(qū)動(dòng)齒輪快，驅(qū)動(dòng)齒輪與操作主軸存在一定的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于為驅(qū)動(dòng)齒輪凸臺(tái)留有足夠的空間而使操作主軸與驅(qū)動(dòng)齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)接收到接地開關(guān)信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪歸位，使得手動(dòng)操作時(shí)不影響主軸驅(qū)動(dòng)部件與驅(qū)動(dòng)齒輪的運(yùn)動(dòng)不發(fā)生相互影響。

2.2 智能測(cè)控裝置

智能測(cè)控裝置實(shí)時(shí)采集傳感器、開關(guān)接觸點(diǎn)等信號(hào)，直接或經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到所測(cè)點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài)量，為中置柜故障診斷和預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本智能測(cè)控裝置可以對(duì)斷路器、接地開關(guān)、斷路器手車進(jìn)行位置狀態(tài)和電氣控制回路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。智能測(cè)控裝置具有以下功能：

（1）具有對(duì)泄露電流傳感器信號(hào)、溫濕度傳感器信號(hào)、交流電壓電流傳感器信號(hào)、局部放電高頻信號(hào)、彈簧儲(chǔ)能時(shí)間信號(hào)、斷路器分合閘線圈電流等信號(hào)的采集，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)避雷器的動(dòng)作次數(shù)及泄露電流的監(jiān)測(cè)，TA/TV斷線故障監(jiān)測(cè)、柜內(nèi)發(fā)熱點(diǎn)處的溫度監(jiān)測(cè)以及柜內(nèi)基本電氣量的監(jiān)測(cè)，中置柜母排、開關(guān)刀閘、線纜接頭處的局部放電高頻信號(hào)的監(jiān)測(cè)，開關(guān)柜斷路器基本的儲(chǔ)能電機(jī)、分合閘線圈電流的監(jiān)測(cè)，動(dòng)作時(shí)間與動(dòng)作次數(shù)記錄等。（2）具有“五防”聯(lián)鎖監(jiān)測(cè)功能；當(dāng)進(jìn)行就地或遠(yuǎn)方巡檢時(shí)，該裝置可以通過(guò)監(jiān)測(cè)開關(guān)接觸點(diǎn)的信息，得到所測(cè)點(diǎn)的開關(guān)量狀態(tài)，綜合各開關(guān)量狀態(tài)判斷中置柜所處狀態(tài)是否滿足“五防”聯(lián)鎖條件。（3）具有人體感應(yīng)功能；當(dāng)人體靠近時(shí)，LED彩色顯示屏自動(dòng)點(diǎn)亮，操作完成后30秒后顯示屏關(guān)閉。這種動(dòng)態(tài)的顯示方式可以是顯示屏的壽命增加到20年。

2.3 模擬顯示及保護(hù)裝置

將斷路器、接地開關(guān)、隔離開關(guān)、柜體等設(shè)備的本體信息以電子標(biāo)簽的形式預(yù)埋在設(shè)備中，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通訊RFID、WIFI等將設(shè)備信息傳遞給智能綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置或手持終端，對(duì)開關(guān)量進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤、定位，了解開關(guān)量的動(dòng)態(tài)信息，并用圖形界面動(dòng)態(tài)模擬顯示一次回路的手車位置、斷路器分、合閘、接地開關(guān)和隔離開關(guān)等各種開關(guān)量的動(dòng)作位置和電氣回路的組合狀態(tài)。保護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)方向或有方向的過(guò)電流和接地故障保護(hù)；零序電壓、過(guò)電壓和低電壓保護(hù)；低周減載保護(hù)；斷路器失靈保護(hù)；電流速斷及反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。

3 智能化中置柜數(shù)據(jù)采集終端

智能數(shù)據(jù)采集終端中，控制軟件強(qiáng)大的邏輯判斷能力可以很好地判斷中置柜“五防”聯(lián)鎖條件是否滿足，進(jìn)而根據(jù)判斷結(jié)果實(shí)現(xiàn)中置柜遠(yuǎn)方電動(dòng)控制。智能測(cè)控裝置與智能數(shù)據(jù)采集終端結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)智能化中置柜的“雙重”控制，現(xiàn)場(chǎng)操作運(yùn)行時(shí)，既可以通過(guò)智能綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置近距離控制，也可以通過(guò)智能化數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)中置柜遠(yuǎn)程程序化操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)中置柜智能化問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出基于中置柜本體、智能數(shù)據(jù)采集終端和近端主站、遠(yuǎn)端主站的四級(jí)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)與管理平臺(tái)。智能綜合監(jiān)測(cè)裝置是智能化開關(guān)柜的“大腦”，實(shí)現(xiàn)了中置柜的集成監(jiān)測(cè)管理與控制；數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的中置柜安全控制運(yùn)行和常用參數(shù)數(shù)據(jù)采集，為中置柜的智能化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；近、遠(yuǎn)端主站中的數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷提供了強(qiáng)有力的保障。伴隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展智能化中置柜會(huì)逐漸普及，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化中置柜將會(huì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和推廣。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]段建東，葉兵，張青山等.基于翅片散熱和ZigBee的開關(guān)柜觸頭溫度測(cè)控系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2014，34（07）：157-162.

[2]童本羽，楊冠魯.中壓中置柜的智能化改造與研究[J].科技傳播，2013（06）：32-33.

本文系吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2016C074）和吉林市科技局科技發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（20156406）成果之一。