基于信息感知的智能環網柜系統集成與應用

羅惠雄, 李徽勝, 劉佳

(1.廣東電網有限責任公司 廣州黃埔供電局, 廣東 廣州 510700; 2.廣州南方電力集團 電器有限公司, 廣東 廣州 510285)

0 引言

環網柜是配電網供電系統中的重要組成部分和關鍵節點，環網柜的健康狀態直接影響供電可靠性和電能質量[1]，在配電網中起著關鍵作用。運行數據顯示，智能環網柜的局部放電與電纜頭發熱是導致故障的主要原因。一方面，環網柜在生產過程中，因材質和工藝問題，長期運行過程中，絕緣會出現老化，進而引發局部放電現象。因此，對環網柜進行局部放電檢測能夠有效地發現其內部的絕緣缺陷[2]；另一方面，由于電纜頭制作工藝問題，在長期過負荷運行中，電纜和觸頭接觸不良、短路等原因造成的事故時有發生[3]。

配網中環網柜存在數量與種類繁多、智能化程度較低、巡檢周期長、巡檢監控缺失、巡檢數據和過程分析困難、運維成本高等問題。據蘇東、馬仲能等[4]人對配網開關柜全生命周期成本模型及敏感度分析，一個配網開關柜的巡檢成本高達327萬元，而故障成本高達120.44萬。基于以上問題，亟需研制一種基于信息全感知的智能環網柜，支撐智能電網的發展。

1 開關柜在線監測現狀分析

1.1 局部放電監測技術現狀

目前局部放電測量技術主要有脈沖電流法、特高頻法、暫態地電壓法、超聲波法等多種方法。用于離線的局部放電測試設備誕生較早，近年來逐步應用于高壓GIS設備。這些技術存在各自的優缺點：特高頻法具有較強的抗干擾性及較高的靈敏度；暫態地電壓法(TEV)具有較高的靈敏度，并能實現定位，但分辨率不高；脈沖電流法具有較高的分別率，但抗干擾能力差；超聲波檢測法(AE)是一種非接觸式局部放電測量技術，適用于氣體表面放電，受電氣上的干擾較少，且通過多個超聲波探頭可以實現局部放電電源定位，但超聲波的衰減較快。環網柜的局部放電在線監測技術目前仍處于探索階段。

1.2 在線測溫技術現狀

測溫技術主要有光纖測溫、紅外測溫、聲表面波測溫、高壓感應電流取能測溫等技術。光纖測溫具有測量精度高，但影響開關柜的絕緣結構；紅外測溫可實現非接觸式測溫，不影響開關柜的絕緣結構，但受安裝條件影響；聲表面波是一種非接觸式測溫，受電氣影響較少，但測量穩定性較差，且光纖測溫、紅外測溫、聲表面波均存在成本較高的問題；高壓感應電流取能測溫傳感器受線路的負荷影響較大，測量穩定性較差。基于以上原因，本研究設計了一種無線測溫與電壓監測的一體化傳感器，既解決了測溫傳感器取能、線路側電壓采集和電磁式電壓互感器在智能環網柜安裝位置局限性問題，又降低了設備的生產成本。

2 智能環網柜結構與系統設計

2.1 智能環網柜結構設計

智能環網柜采用模塊化設計，其結構由壓力氣箱、操作機構室、高壓電纜室及二次室組成，核心導電部件集成于SF6氣箱中，可以避免設備運行過程中環境的影響。智能環網柜是在通用型環網柜的基礎上，開發了一套AE+TEV局部放電裝置、測溫與電壓一體化傳感器，并融合于環網柜中，實現環網柜局部放電與溫度的智能感知。其結構設計，如圖1所示。

圖1 智能環網柜結構

AE+TEV傳感器內嵌式安裝于電纜室與機構室之間的隔板，局部放電傳感探頭靠近高壓電纜連接套管，局部放電傳感器二次端通過同軸電纜與安裝于二次室的局部放電數據采集終端連接；測溫與電壓一體化傳感器堵頭安裝于高壓電纜附件端頭，通過Zigbee無線通信與測溫數據采集終端進行數據交換，該設計方案具有以下優點：(1)局部放電傳感器靠近高壓電纜套管局部放電源端，避免超聲局部放電信號的快速衰減，同時，環網柜的金屬殼體可以屏蔽外部的噪聲干擾源，測量更準確；(2)實現局部放電傳感器的帶電安裝；(3)測溫傳感器直接與高壓導體接觸，并通過無線傳輸方式，既防止電磁干擾問題，又提高測量的準確性；(4)采用模塊設計，便于安裝及維護，同時可實現開關柜的全壽命周期管理。

2.2 系統架構設計

智能環網柜按四級系統架構設計，即感知層、邊緣計算層、網絡層和應用層。感知層與邊緣計算層設置在智能環網柜中，主要包括無線測溫與電壓監測傳感器、局部放電等傳感器及基于邊緣計算的采集終端與智能分布式終端；網絡層包括網絡通信設備硬件與軟件；應用層是物聯網與用戶的接口，與用戶的業務需求相結合，實現物聯網的智能化應用。

3 局部放電在線監測裝置設計

3.1 局部放電測量原理

局部放電過程中產生電磁波、光、聲和化學變化等現象。通過超聲傳感器耦合到局部放電產生的超聲波信號,檢測局部放電聲信號的幅度、相位、頻率、噪聲等實現局部放電的在線監測；開關柜產生局部放電時，放電脈沖激發的電磁波在金屬殼體產生瞬態對地電壓，通過安裝在開關柜內的暫態地電壓傳感器測量開關柜金屬殼體的暫態地電壓，實現開關柜的局部放電在線監測。暫態地電壓監測技術對絕緣件內部放電、尖端放電和電暈放電比較敏感，而超聲波則對絕緣子表面及沿面放電比較敏感。同時，通過對暫態地電壓與超聲波兩種信號進行研究發現，兩種信號存在明顯時延，結合兩種信號特征，本研究提出了基于暫態地電壓與超聲波相結合的局部放電源聲-電綜合定位法局部放電測量技術，掌握開關柜局部放電變化趨勢。

3.2 裝置硬件系統設計

局部放電硬件系統主要由局部放電監測單元、非接觸式超聲波與暫態地電壓一體化傳感器、智能監控匯控柜、物聯網關等組成，如圖2所示。

圖2 局部放電監測硬件系統圖

通過安裝在每面開關柜柜內的暫態地電壓與超聲波傳感器采集到的信號，經對應的通道傳輸給信號調理電路，經去噪、放大、濾波，再由高速AD轉換電路實現A/D轉換，數字化后的信號由高速FPGA可編程門陣列電路進行時域、頻域等參數、圖譜的算法處理,由ARM處理器完成數據處理及存儲，經RS485通信傳輸給信號匯控柜，并經物聯網關將數據傳輸給電網公司的局域物聯網平臺。局域物聯網平臺通過采集的歷史數據形成開關柜的局部放電變化趨勢圖，經分析、運算，形成開關柜的綜合診斷結果，為運維提供檢修決策。

3.3 裝置軟件系統設計

軟件是系統的控制管理核心，其主要任務是負責組態任務、過程控制協調和試驗數據處理、告警研判等。基于邊緣計算的局部放電數據采集終端通過采集各類能反應放電現象的物理信號，采用50/100Hz相關頻率分析算法、噪聲自主學習、特征聚類、報警算法及歷史數據統計等算法，實現開關柜局部放電閾值越限告警與開關柜健康狀態評估，其主要功能如下。

3.3.1 數據監測與儲存

局部放電傳感器每秒采集一次數據，經信號放大及濾波后傳輸給數據采集終端，通過采集終端檢測放電信號的放電峰值、有效值和平均值、放電頻次、放電50 Hz和100 Hz相關性、放電類型。數據采集終端可儲存完整的原始信號波形，并進行壓縮數據節省容量，提供歷史紀錄回調及放電分析與辨識。

3.3.2 軟件算法

(1) 噪聲自主學習：計算并記錄現場噪聲脈沖特征，根據記錄的噪聲特征濾除現場干擾脈沖，使得設備抗干擾能力強。

(2) 50/100 Hz相關算法：采用相關頻率分析算法，計算工頻、一倍頻和二倍頻的特征分量，通過特征分量特征，可有效判斷所測信號是放電信號還是干擾信號。

(3) 特征聚類：通過對信號進行特征聚類，可將放電信號和干擾信號進行有效分離，對分離后的信號進行二次特征分析，進而有效提取放電信號。

(4) 頻率特征分析：通過特定頻段的幅值比對，實現放電干擾分離。

(5) 報警算法：能夠根據放電幅值、頻次、相關頻率分析等處理的結果，并將處理結果與閾值進行對比分析，當處理后的局部放電數據超出閾值時，準確給出三級報警指示信息。

(6) 趨勢分析法：裝置對歷史數據進行長期跟蹤，對儲存的趨勢圖譜、周期圖譜、頻率圖譜、噪聲圖譜、相位分辨的局部放電(Phase Resolved Partial Discharge, PRPD)圖譜等多種分析圖譜進行縱向與橫向比較及統計分析，分析噪聲與局部放電信號，對局部放電源進行評估，并將處理結果、PRPD和分層規則推理的局部放電(Phase Resolved Pulse Sequence, PRPS)數據傳輸給主站。

4 無線測溫與電壓監測一體化傳感器設計

基于信息感知的智能環網柜需在開關柜內加裝大量傳感單元，小型化的全絕緣全密封智能環網柜傳感單元設計應滿足高度融合和方便維護。現有技術是將一些較為成熟的傳感器以搭積木的形式實現，將電壓傳感器安裝于高壓氣箱內部，這增大了設備的生產工藝難度，且存在設備運行中漏氣幾率，故障后無法更換，或直接在開關柜高壓電纜室內安裝大體積、高成本的電磁式電壓互感器。測溫傳感器與電壓傳感器之間完全獨立，多種傳感器在智能環網柜內的使用，將改變設備原有的結構和電磁場均勻分布，影響設備的安全可靠性。本研究設計了一種無線測溫與電壓監測一體化傳感器，解決了上述問題和無線測溫傳感器供能難題。

4.1 傳感器硬件設計

一體化傳感器是將高、低壓電容器、低功耗變壓器、鉑電阻溫度探頭、電源穩壓模塊、測溫處理芯片與Zigbee通信模塊等元件澆注于電纜堵頭內，電纜堵頭安裝于高壓電纜附件內腔，是一種接觸式測溫技術。電壓傳感是利用澆注于電纜堵頭內的電容器分壓原理，將線路的高電壓信號變換成一種可測量的低壓信號，經低功耗變壓器電壓信號供給無線測溫裝置與配電自動化終端。原理接線,如圖3所示。

圖3 一體化傳感器原理圖

Ca1、Ca2(以A相位例)分別為高壓、低壓電容臂。當Ca1與ca2具有相同的精度及溫度系數時，電容分壓傳感器的固有誤差亦可以做得到最少，對地雜散電容只會影響電容分壓傳感器引入比差，不會引入角差[5]。電容分壓傳感器的低壓電容臂增低功耗變壓T，變壓器設計兩組副邊繞組，供外部測量電路及零序電壓，該設計方案既解決了電容分壓傳感器二次暫態特性，又解決零序電壓測量問題。

為保證高壓、低壓電容臂的精度與溫度特性的一致性，提高傳感器輸出電壓的穩定性和使用壽命，本設計中的高壓、低壓電容采用陶瓷電容。陶瓷電容的芯子利用稀土材料燒制，介電常數是環氧樹脂的幾百倍甚至上千倍，因此極板總面積小，電容成型后體積小、成本低，陶瓷一旦燒結成型后特性穩定，正常條件下，壽命遠遠超過開關的壽命。能在-40 ℃～70 ℃的溫度范圍和在1 kV～10 kV電壓范圍時，絕緣性能達到10 kV電網前提下，電容值偏差都能小于±3%。通過采用 MATLAB 分析，得出陶瓷電容在不同電壓及溫度下的變化曲線,如圖4、圖5所示。

圖4 傳感器在不同電壓精度曲線

圖5 傳感器在不同溫度下的精度曲線

圖中系列1和系列3是指不同電壓下的電容偏差數據。

測溫傳感器采用于電壓傳感器同軸安裝方式，是將電源模塊、熱電阻、Zigbee通信模塊與主控單元用硅橡膠材料澆注后，安裝與傳感器銅導電桿端部，再與電壓傳感器一體化澆注于環氧樹脂堵頭內，熱電阻直接與銅導電桿接觸。測溫傳感器由電壓傳感器獲取能量，經濾波、穩壓之后，為主控單元(MCU)供能。利用熱電阻的電阻值與溫度成正比關系原理，控單元通過采集敷設在銅導電桿的熱電阻值，經A/D變換、運算，通過Zigbee通信模塊傳輸給無線測溫數據采集終端。數據采集終端經數據采集、處理、運算分析后在本地顯示測量溫度值，同時通過RS48總線或以太網接口，將數據傳輸到云服務器。

絕緣、溫度控制和抗干擾能力是一體化傳感器的設計主要難題，本設計采用了高壓與低壓電氣回路相互隔離措施。電容式傳感器二次側設計了隔離變壓器，且電容元件與測溫電路板之間利用環氧樹脂隔離，確保電容器被擊穿不會將高壓串入到低壓回路；測溫傳感器與數據采集終端之間采用無線傳輸方式，同時，在元器件選型上采用抗干擾力強，溫度范圍廣的器件，在結構設計和電路設計充分考慮EMC特性，該設計方案既解決傳感器的絕緣問題，又解決傳感器與數據采集終端之間的電磁干擾問題；為解決傳感器發熱問題，測溫傳感器均采用低功耗設計，確保微弱能量情況下工作，傳感器運行時的工作電流為微安級，通訊瞬時電流15 mA。同時，傳感器應考慮高溫環境下的正常工作，因此，傳感器選用的材料能夠保障80 ℃以上的環境溫度穩定運行，150 ℃時數據能正常測量，280 ℃時傳感器內部元器件不發生形變或損壞。

4.2 數據傳輸、儲存與告警設計

本設計方案中測溫傳感器與測溫數據終端之間采用基于Zigbee協議的無線傳輸方式，測溫數據終端與監控主站或云平臺之間采用4G或光纖傳輸。Zigbee是基于IEEE 802.15.4標準的個域網協議[6]。基于 Zigbee 協議的通訊技術是一種功耗低、距離較近且簡單易實現的無線通訊技術，能夠很好地應用于變配電站內的數據傳輸。

測溫系統的傳感器集成了無線數據傳輸發射模塊，數據采集終端集成了接收模塊，接收端實現數據集中器的功能，接收、上傳、運算所在范圍內溫度傳感模塊的數據，從而實時、可靠地收集范圍內的有效數據。該模塊采用樹狀拓撲結構，具有較強的可擴展性，從而實現系統架構中的通信功能。

測溫采集終端利用邊緣計算，對溫度傳感器采集的數據進行儲存、運算、分析和告警。終端對每個測溫傳感器進行告警設置，通過實時監測數據與預設定的閾值進行比較判斷。當設備發生溫度異常或由于線路中的諧波等干擾因素造成誤報，系統將根據傳感器所測的數字進行溫度絕對值、溫升加速度、絕對溫差、相對溫差(三相不平衡)、歷史趨勢這五項指標進行分析并發出報警。當狀態處于正常時，監測到數據突然超出允許波動范圍，裝置記錄次數，若記錄次數達到預設次數時，裝置發出告警信號，否則進入休眠狀態；當監測數據超過波動范圍時間持續達到時間閾值時，產生告警信息并發送。這種多次超限統計判斷告警的模式，可以避免周邊電磁干擾帶來的誤報問題。告警邏輯,如圖6所示。

圖6 告警與防誤報程序邏輯

5 試驗及應用

5.1 局部放電試驗

本研究通過試驗手段驗證了研究的可行性，測試方法如圖1所示，分別在環網柜內、外安裝1組暫態地電壓及超聲波傳感器，利用升壓變壓器對環網柜外施工頻電壓，直至環網柜產生局部放電，并用手持式局部放電測試儀與局部放電裝置測量的數據進行對比，如圖7、圖8和表1所示。

表1 局部放電測試結果 dB

表中待測試電壓設置為12 kV。由測試結果論證，內嵌式局部放電傳感器更能準確反映環網柜內部局部放電情況。

5.2 應用情況

2019年3月，對佛山某電鍍廠的3面高壓開關柜進行升級改造，在原有開關柜上增加內嵌式暫態低電壓與超聲波局部放電裝置和無線測溫裝置。2019年12月，局部放電監測系統監測到該配電房進線01柜暫態地電壓幅值達36 dB，超聲波測量幅值為10 dB，暫態地電壓發出間歇性放電告警信號，超聲波信號未告警。為驗證局部放電監測裝置的準確性，對局部放電監測數據進行分析比較，并采用局部放電測試儀對該開關柜進行定位分析，確定放電源位于進行01柜B相電纜頭位置。

經對B相電纜頭進行解剖分析，電纜終端頭絕緣層有明顯放電痕跡，在電纜的半導電層跟主絕緣間發現一處黃豆大的白色斑點，導致這一現象是因電纜制作工藝不規范造成，如圖9所示。

圖9 局部放電后電纜解剖圖

將電纜頭重新制作后投入運行，局部放電監測數據正常。

6 總結

局部放電和溫度是最能直接反應開關柜絕緣及溫升變化趨勢，是電力運行部門和科研院所迫切解決的技術難題。智能環網柜通過融合各類智能傳感器和邊緣計算終端，實時采集設備的運行數據，利用邊緣計算、云計算及移動應用APP，實現配網故障的自動隔離和自愈、故障信息的主動預警、設備的全面狀態感知和設備全壽命周期管理，對提高運維效率和供電可靠性具有重大意義。在今后研究中，應朝著信息感知精度更高、設備小型化、降低成本等方向努力。