10kV環網柜在線監測系統的實現研究

浙江省慈溪市輸變電工程有限公司大明分公司 裘思楊 鄭勇毅 高棟寅 徐學軍 茅松雷

伴隨著科學技術的不斷進步和發展，在線監測系統的推廣受到了廣泛關注，能在提升在線監測實時性水平的同時，還能依據數據指導工作人員開展相應作業，最大程度上優化設備的運行質量，減少經濟損失，為電力系統可持續發展奠定堅實基礎。

1 10kV 環網柜應用在線監測系統的意義

一方面，正是因為環網供電的應用價值，環網柜的管理也更加重要，而在環網柜運行過程中，各類故障問題互對其應用質量產生影響，利用在線監測系統就能對環網柜的運行狀態予以實時性監測，著重了解診斷信息后開展相應的處理工作，不僅能減少停電事故，也能為配網安全應用提供保障[1]；另一方面，電力負荷數量激增，傳統的應用管理模式已無法有效支撐系統設備的應用管理，因此利用合理性的在線監測系統能大大縮減成本，并提高資源利用率，為綜合運行管理效果的提高及成本的控制創設良好的技術平臺。

圖1 環網柜在線檢測系統結構圖

2 10kV 環網柜應用在線監測系統的具體方案

在10kV 環網柜應用在線監測系統的過程中，要結合具體應用要求，保證相關控制模塊處理的規范性和科學性，最大程度上提高應用效率。基于分布式DTU 環網柜的在線監測專項系統，具備極高可靠性及實時性，故此環網柜的在線監測專項系統柜內與柜外部所實行不同的傳感通訊系統方案設計，以維持整個系統更為可靠、實時且穩定運行狀態。

針對環網柜內的系統傳感設計實施方案層面。著重考慮整個環網柜自身密封程度以及絕緣水平層面要求，環網柜內倘若實行有線傳輸則總體布線繁瑣復雜，環網柜內總體結構則極易遭到破壞，安全隱患問題極易產生。同時難以解決高壓母線以及電纜接頭層面傳感裝置所致高壓隔離相關問題。故此次基于分布式DTU 環網柜的在線監測專項系統設計當中，環網柜內的系統通信設計實行無線傳輸組網形式。

2.1 總體設計內容

在DTU 室安裝主控單元，并且設計的各個節點體系之間要維持完整切規范的節點間通信距離，保障自動路由和自動組網等基礎功能模塊的應用效果。基于此，是在10kV 配電室內安裝環網柜在線監測工作站，配置高性能PC 計算機，借助光纖以太網就能建立數據為主的控制單元應用平臺，發揮監測作用的基礎上還能匹配智能診斷算法，實現人機界面數據采集和診斷曲線算法分析的多元性控制目標。

圖2 整體在線監測結構布局示意圖

另外，在傳感器處理方面，要依據模擬量的差異化特性對信號予以調理控制，并配合相應控制方案，有效講模擬傳感器采集信號放大到規定參數，確保濾波調理控制等模擬量分析的合理性，充分結合10kV 環網柜應用要求和監測參數標準，完成傳感器的節點布局[2]。監測參數的項目為：SF6氣箱氣體狀態（SF6環網柜氣體壓力、溫度、含水量）；SF6氣箱局部放電（局部放電的參數大小和形式）；二次控制回路（分合閘線圈回路是否完好、有無斷線）、二次控制電壓（分合閘線圈電壓是否正常）；斷路器行程（監測彈簧操作機構彈簧的壓縮狀態）。

簇頭節點傳感器分布，設置局部放電監測節點、軟連接處溫度監測節點、SF6氣體狀態監測節點、真空觸頭溫度監測節點、主回路電流監測節點等；單元柜，分合閘線圈電流監測節點、觸頭速度監測節點、振動信號監測節點、控制回路電流監測節點、分合閘電壓監測節點、溫度和局部放電監測節點等[3]。

圖3 DTU 監測模塊原理圖

2.2 通信單元設計

2.2.1 環網柜內部通信

近年城市10kV 配電網中廣泛應用環網柜，主要是因為設備自身的體積小且應用便捷，應用傳感器網絡無線傳輸布線能大大提升應用效率，不僅不會影響環網柜自身的布線系統結構，還能提升安裝效率，為更好地拓展擴展性提供支持。在無線傳感器網絡體系中，利用ZigBee 技術進行多跳自組織網絡的設置，能維持協同合作感知的規范性，還能建構完整的數據傳輸和信令交互模式，最大程度上提高通信質量。

首先，利用無線傳輸技術實現傳感器節點的應用管理，配合相應設備，就能有效實現數據采集處理、數據通信和數據存儲管控，并配合本地信息采集模式，打造融合性較強、存儲效果較好的應用平臺；其次，完成匯聚節點的控制，匹配通信模式、存儲模式和信息處理模式，就能打造完整的主控單元管理平臺，保證10kV 環網柜信息采集的科學性；最后，借助動態管理模式能實現對整個無線傳感器網絡的監督，因為傳感器網絡要借助管理節點對無線傳感器予以訪問，這就能調動所有資源，在提升應用性能的同時還能為10kV 環網柜安全管理提供保障[4]。

如，因為SF6氣箱內的無線傳感器節點不能穿透密封的SF6氣箱，因此在氣箱內設置簇頭節點，能利用套管從氣箱穿孔引出，配合操作室就能實現無線數據的實時性匯總，將其發送到主控單元內。在應用ZigBee 芯片的過程中，保證不同傳感器節點按照不同要求予以控制，實現芯片最佳組合，為10kV 環網柜提供在線監測[5]。

2.2.2 環網柜外部通信

10kV 環網柜配網自動化系統在運行過程中會在后臺主控室間產生大量的數據信息，如何對這些信息進行管理是提高系統安全性與效率的關鍵。信息安全管理平臺的構建，能對系統所產生的數據信息進行科學合理的管理，主要包括信息的匯總、分析以及數據信息的儲存。這為提升配網自動化系統運行管理效率提供了大量的數據支持。

環網柜配網監測系統主要是借助光纖通信技術模式，搭建10kV 環網柜和后臺主控室之間的數據交換平臺。主要是將10kV 環網柜的主控單元安裝在DTU 室內，確保其結構和光端機之間能形成RS485串口連接通信模式，有效維持傳感器節點數據的平衡，并建立基于光纖以太網的傳輸結構，保證配網自動化系統運行的合理性[6]。

2.3 簇頭節點設計

為保證10kV 環網柜在線監測系統運行的規范性，要結合設計要求落實簇頭節點的處理，一般是設置一個簇頭節點，將其安裝在10kV 環網柜的氣箱壁位置，借助套管就能使用無線收發芯片完成端子排室的處理，集成SF6氣體狀態監測模塊和超高頻傳感器模塊，有效實現數據的綜合管理。本文選取MSP430系單片機，具備較高的閃存容量和12位ADC，工作電壓為1.8V 到3.6V，整合了CC2530F32的芯片組，能有效實現數據信息的實時性交互分析和處理[7]。

節點電源設計：簇頭節點在SF6氣箱壁，工作電源為3.3V，SF6氣體壓力傳感器的電源為24V，溫度濕度傳感器的電壓為3.3V，維持開合閘控制處理[8]；主控單元：因為10kV 環網柜在線監測需要匹配較多的傳感器信息，因此，借助PFGA 就能更好地完成信息處理，滿足數量較大且突發性較強的數據分析要求，利用硬件描述語言實現電路設計，充分發揮軟件集成度高且可靠性號的特性優勢。在采集信號后，就能對其進行處理分析和實時性存儲，并配合10kV 環網柜光端機將相關信息數據直接發送到后臺計算機，以便于落實相應的動作[9]。

后臺方案：系統主要分為數據讀取界面、數據處理和分析界面、數據文本存儲界面、10kV 環網柜故障診斷模塊、數據和曲線顯示界面、歷史數據查詢界面等，以保證能在獲取實時性信息數據后建立較為可靠的數據分析平臺，維持數據處理的規范性和應用的合理性。不同模塊共同作用打造完整的分析機制，能及時匹配智能算法對10kV 環網柜運行狀態予以診斷[10]。此外，要依據實時性分析數據和匯總管理要求，還能對檢測量進行數值的評估，結合評估結果與分析相關數據就能綜合診斷10kV環網柜的壽命。

圖4 后臺程序流程圖

3 在線監測技術發展前景

通過對電力系統的分析，發現檢修理論與技術有著密切關聯。從決策技術與預測技術層面來看，目前工業國家的設備使用期限已接近老齡化階段，設備在運行過程中的故障發生概率越來越高，需通過采取相應方案的方法保證設備使用壽命，確保設備使用周期能得到切實延長，從而有效提高設備利用率以及經濟效益。

利用在線監測技術對設備運行狀態進行監測時，能在有效提高設備使用效率的同時保證檢修效率。現階段技術應用還存在著一定的不足之處，如何有效提升監測系統抗干擾能力、提高監測系統結果精準度等，都是科研人員需關注的重點內容，也是今后需解決的重要技術難題。現階段介損測量技術及阻性電流測量技術發展較為理想，但還需對傳感元件一些問題、CPU 程序、通訊設計等展開進一步優化，確保在線監測技術能更好地為電力系統運行進行服務，為系統運行可靠性貢獻出更大的力量。

4 結語

10kV 環網柜在線監測系統的設置和處理，要結合實際應用要求，確保技術系統的規范性和科學性，匹配相應的界面處理單元，就能及時了解10kV環網柜的運行狀態，發現問題后迅速報警以便于開展相應的控制作業，為電力系統安全運行創設了良好的平臺。