基于物聯網的10kV真空斷路器分布式監測系統的研究

安曉華

摘要：設計了一種基于物聯網10kV真空斷路器分布式監測系統。感知層通過多個傳感器及分布式采集終端實時監測和采集斷路器的動觸頭行程曲線、主回路電流、分合閘線圈電流、觸頭溫度和輔助接點信息。網絡層綜合運用高效的物聯網通訊技術進行信息傳遞和交互。應用層運用先進的多源信息數據融合算法，評估斷路器的健康狀態，并預測斷路器運行發展趨勢，為運維人員合理的維護和檢修決策。

Abstract： The authors designed a distributed monitoring system for 10kV vacuum circuit breakers based on the Internet of Things. The sensor layer uses multiple sensors and distributed acquisition terminals to monitor and collect the circuit breaker's moving contact travel curve， main circuit current， coil current， contact temperature and auxiliary contact information in real time. The network layer comprehensively utilizes efficient Internet of Things communication technology for information transmission and interaction. The application layer uses the advanced multi-source information data fusion algorithm to evaluate the health state of circuit breakers and predict the operation development trend of circuit breakers， so as to make reasonable maintenance and overhaul decisions for operation and maintenance personnel.

關鍵詞：物聯網;真空斷路器;在線監測;狀態評估

Key words： Internet of Things;vacuum circuit breakers;on-line monitoring;state evaluation

中圖分類號：TM561.2;TP277 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0261-04

0 ?引言

真空斷路器在供配電系統中數量多、分布廣，其大多置于電氣箱柜中用于保護和控制高壓電氣設備。同時，作為變電站內需經常頻繁操作的開關器件之一，能否安全穩定運行對電力系統來說顯得尤為重要。當斷路器發生故障時，不僅對其保護的電氣設備造成危害，影響正常的生產生活，還會造成嚴重的經濟損失[1]。根據相關統計，在供配電系統中，超過六成以上的停電事故、時間及維修是由斷路器故障引起的。因此，及時獲知斷路器開關狀態，綜合監測各項實時狀態參數，有利于及時解決潛在的故障隱患，防止停電事故的發生及進一步擴大，降低維護成本[2-3]。

斷路器傳統的監測方式以離線檢測和定期檢測為主，運維人員通過使用試驗儀器或檢測設備對斷路器進行檢測，但這些儀器存在體積大、接線復雜、測量誤差大等諸多弊端。直到上世紀90年代，斷路器的在線監測技術才開始逐步發展，并隨著不斷深入研究和成果的取得，國內外的電力行業已開始愈來愈重視斷路器監測技術的發展，如法國阿爾斯通公司首次研制成功的用于Grizzly變電站的高壓斷路器在線監測系統，美國哈撒威公司生產的BCM200型系統，清華大學研制了用于監測分、合閘電流、行程曲線及振動信號的CBA-1系統，國家電網電力科學研究院研制KZC-1型在線監測儀等[4-5]。雖然針對斷路器的在線監測裝置層出不窮，但幾乎都只對其單一或少數特征參量進行監測，存在部分項目的監測方法和結果適用性不理想及缺乏綜合性監測的問題。

基于斷路器復雜的故障原因和多樣的特征信號，本文設計一種基于物聯網的10kV真空斷路器分布式監測系統，實時采集斷路器的動觸頭行程曲線、主回路電流、分合閘線圈電流、觸頭溫度和輔助接點信息，運用分布式采集終端獲取斷路器的綜合特征參量，并運用先進的多源信息數據分析算法，對斷路器的狀態進行診斷并進行評估，為運維人員合理的維護和檢修決策。

1 ?泛在電力物聯網

物聯網技術是利用傳感器或特定的采集裝置將各種物體接入系統，實現物與物、物與設備信息的連接，通過通訊設備將采集的信息數據上傳至控制主站或遠方控制平臺，對信息數據進行處理分析，進而實現人與物之間的連接[6]。物聯網技術實際是在互聯網技術基礎上延拓的一種網絡技術，自動實時對設備進行識別、監控、定位、追蹤并觸發相應事件，其中最重要的是對運行數據、監控指令進行無線傳輸，從而實現設備的實時控制和管理[7]。2019年3月，國家電網頒布了《泛在電力物聯網建設大綱》，此大綱的頒布預示著物聯網技術在電力系統上的應用將更加廣泛，包括電力設備在線監測和狀態評估將進入快速發展的階段。

2 ?真空斷路器監測內容及特征量提取

通過對開關設備運行情況的調查統計可知，拒動和誤動是真空斷路器發生最為嚴重的故障。通過對故障原因、機理及斷路器性能與特征參量的關系分析，并考慮到目前實際技術水平及成本因素，本文選擇以下特征量作為監測內容，這些監測內容完全能夠對斷路器整體性能進行評價。

2.1 斷路器動觸頭行程的監測[8] ?斷路器分、合閘行程-時間特性是反映其機械特性的重要參數，既可以對斷路器的生銹、變形、機構磨損等機械故障進行診斷評價，也可以通過其得到的分合閘速度、剛分、剛合速度等參數對斷路器的電壽命進行評價。由于斷路器動觸頭位于密封的滅弧室內，而真空斷路器又置于空間狹窄的電氣箱柜中，所以位移傳感器的安裝位置是重點考慮的問題。本文選用一種導電塑料角位移傳感器，通過固定件將其與斷路器側面的主軸連接，由于主軸遠離高壓部分，則角位移傳感器與斷路器一次部分非直接接觸，對斷路器絕緣特性和機械特性都不會造成影響，并且主軸附近有較大的利用空間，可方便安裝角位移傳感器。因此，通過觸頭行程位移與主軸轉動角度的對應關系得到分合閘角位移曲線，進而得到直線位移曲線。

2.2 分合閘線圈直流信號的監測 ?根據電流波形可以掌握斷路器機械操作系統的情況。本文選用霍爾電流傳感器采集整個分合閘過程中的線圈回路直流電流。該電流傳感器利用半導體材料的磁敏特性，通過測量其磁感應強度，推算待測的電流值。由于磁通相互補償，鐵芯體積可以做的很小，既可做成鐵芯固定的貫穿式結構，也可做成鉗式結構，且分、合閘線圈回路引線穿芯而過，對斷路器正常運行不會造成影響[9]。

2.3 觸頭溫度特性的監測 ?斷路器觸頭發熱嚴重，將嚴重影響其機械特性，進而造成設備損壞及停電事故。但直接測量觸頭溫度存在高壓絕緣、強磁場干擾等問題[10]。本文采用無源無線測溫傳感器可有效解決直接接觸式測溫存在的問題，該傳感器通過收集斷路器周圍豐富的電磁能，并將其轉化為自身所需的電能，擺脫了傳統電池供電和CT取電的弊端。無源無線傳感器將采集的溫升信號采用無線方式進行傳輸，實時獲知真空斷路器觸頭發熱情況。

2.4 主回路電流信號的監測 ?通過電流互感器得到主回路電流的換位點，確定時間參量[11]，再根據角位移傳感器得到的位移參量可確定行程-時間曲線，從而提取合分閘時間、速度、開距以及超程等機械參量。

2.5 輔助節點的監測 ?真空斷路器的機械結構與輔助接點相連接，輔助節點隨著斷路器的動作而發生動作變位，從而有效地指示合分狀態。本文為準確獲取輔助接點的狀態，將輔助觸點開關量接入監測系統，通過系統軟件界面直觀判斷斷路器合分閘狀態。

3 ?分布式監測系統結構設計

基于物聯網的層次架構，本文設計的10kV斷路器分布式監測系統總體結構如圖1所示。該系統主要分為感知層、網絡層、應用層。其中感知層由多個傳感器及分布式采集終端構成，負責信號采集及上傳;網絡層綜合運用多種通訊方式，并可以通過包括61850在內的規約進行數據傳輸與交互，包括傳統的有線通訊以及目前最新的NB-IoT（窄帶物聯網）及4G通訊方式;應用層為站內主站與遠端主站，站內主站負責對分布式采集終端的信號進行儲存、計算、分析，并利用其內部相關算法對斷路器狀態進行在線監測和評估，遠端主站負責接收顯示斷路器狀態并對運維人員進行分發。

4 ?分布式采集終端硬件設計

本系統分布式采集終端硬件平臺采用集成Intel J1900/2.0G主頻四核核心處理單元，擴展外圍功能電路，主要包括：模擬量輸入調理電路、電源模塊、存儲器擴展模塊、通信接口。（圖2）

4.1 模擬量輸入調理電路

模擬量輸入調理模塊采用AD7606芯片，16位、8通道，最大200kHz同步采樣模數數據采集系（DAS）。器件內置模擬輸入箝位保護、二階抗混疊濾波器、采樣保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近模數轉換器（ADC）、靈活的數字濾波器、2.5V基準電壓源、基準電壓緩沖以及高速串行和并行接口，如圖3所示。

AD7606采用5V單電源供電，可以處理±10V和±5V真雙極性輸入信號，同時所有通道均能以高達200kSPS的吞吐速率采樣。輸入箝位保護電路可以耐受高達±16.5V的電壓。無論以何種采樣頻率工作，AD7606的模擬輸入阻抗均為1MΩ。它采用單電源工作方式，具有片內濾波和高輸入阻抗，因此無需驅動運算放大器和外部雙極性電源。AD7606抗混疊濾波器的3dB截止頻率為22kHz;當采樣速率為200kSPS時，它具有40dB抗混疊抑制特性。靈活的數字濾波器采用引腳驅動，可以改善信噪比（SNR），并降低3dB帶寬。

4.2 通訊接口

通訊接口包括常用的485/232等串口外，還有網口、USB接口以及兼容泛在物聯網的4G通訊接口等。

5 ?系統軟件設計

根據上述對分布式監測系統總體結構設計和硬件結構設計的描述，該系統在軟件設計上需要實現以下功能：

①數據采樣和處理，即對斷路器分合閘線圈電流信號、動觸頭運動行程信號、觸頭溫度信號、主回路電流信號、輔助節點信號進行采集，并實現對分布式采集終端所采集獲得的信號進行相關算法處理;

②實現站端主站對各類監測參量的顯示;

③報警處理，包括報警記錄和顯示;

④波形記錄，包括處理前后的各種特性參數數據的記錄及斷路器動作參數的記錄;

⑤數據通信，包括各種信號采集數據的上傳及站短主站和遠方主站的信息交互等。

基于以上功能要求，所設計的軟件系統主要由數據采集、數據處理、波形記錄、故障判別及分析、數據通信等組成。通過上述軟件系統，利用多源信息數據融合技術，在故障發生之前對斷路器進行積極、主動維護。軟件系統的主程序流程如圖4所示。

6 ?結束語

在斷路器健康狀態監測中應用物聯網技術，將確保遠方運維人員及時掌握其運行健康狀態，進行狀態評價和故障診斷，對延長斷路器檢修間隔、縮短檢修時間、提高可靠性、延長使用壽命、減少運行檢修維護費用等都將產生深遠的影響。本文設計了一種基于物聯網的10kV真空斷路器分布式監測系統，通過設計的分布式采集終端采集斷路器的觸頭行程、主回路電流、分合閘線圈電流、觸頭溫度和輔助觸點信息，利用綜合性的監測技術和高效的物聯網通訊技術，準確地掌握斷路器運行狀態，運用先進的多源信息數據融合算法，評估斷路器的健康狀態，并預測斷路器運行發展趨勢，運維人員可義此制定合理的維護計劃和檢修決策并可在最短時間內做出調整。

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