基于智能監測系統的變電站開關柜安全研究

宋凱誠

（國網江蘇省電力有限公司常熟供電分公司，江蘇 常熟 215500）

關鍵字：變電站開關柜，局部放電，傳感器，物聯網，智能監測系統

配網開關柜在長期運行過程中由于強電場、熱效應、灰塵和化學物質等作用，絕緣性能會不斷惡化，進而產生局部放電。持續的放電活動將加速絕緣老化，產生高熱、腐蝕性化學物質等，進一步破壞絕緣系統。嚴重的局部放電甚至于引起絕緣擊穿，導致電力事故的發生。

造成開關柜局部放電的原因有很多，根據不同的故障類型，往往會有不同的檢測手段[4]，以保證開關柜的安全運行。

然而，傳統的開關柜運行監測技術存在許多缺陷，比如往往依賴人工經驗，很大程度上會由于人為的疏忽而難免事故的發生，同時，單一的檢測方法都會造成漏檢的可能性，因此，在開展開關柜局放檢測過程中有必要融合多種傳感器同時進行檢測，從而提高檢出率。此外，伴隨著新興智能技術的發展熱潮及其在各領域的應用優勢突顯，自動化、智能化和多融合的安全監測技術成為目前主流的研究方向。因此，本文基于物聯網、智能傳感器等智能化技術，構建高壓開關柜局部放電在線智能監測系統，實現不停電狀態下的電力設備運行狀態自動監測，使其能盡早發現突發性故障，從而預防開關柜安全事故的發生。

1 智能監測系統

1.1 系統總體結構

圖1所示為智能監測系統總體結構圖。

圖1 變電站開關柜智能監測系統

如圖1所示，變電站開關柜智能監測系統由3個部分組成，分別是底層感知層，中間數據匯聚層以及頂層平臺層。

底層感知層主要包含無線監測主機，它是一款集溫度傳感器、局放傳感器工作狀態的監測、現場溫度顯示，報警提示和輸出，事件記錄及數據記錄于一體的智能網關設備。其中，根據傳不同型號配置以及不同類型劃分，傳感器主要有超聲波（AE）暫態地電壓（TEV）傳感器、特高頻（UHF）傳感器、溫度傳感器等。這些傳感器用于接收局部放電產生的一系列聲波信號、電磁信號、電流信號、溫度參數。

中間數據匯聚層是系統的核心層，它搭建了局放集中采集在線監測主機，智能監測電力設備狀態。該層通過對各類智能傳感器、智能網關的管理與協調，接收實時監測數據，對數據進行智能分析，為電力設備的狀態管控提供支撐。它搭載12寸液晶顯示界面，可以顯示傳感器各類數據圖譜和相關報警信息。此系統界面美觀易用，包含站點總覽、監測數據分析、預警告警管理、監測儀器管理、檔案管理、用戶中心以及系統管理等功能。在數據通信上，該層能與底層感知層中的局放傳感器進行無線通信，可接收傳感器檢測數據和配置傳感器參數，根據局放數據進行缺陷診斷，同時能對局放傳感器進行同步采集控制，發送同步校時命令。此外，它還能與云平臺進行通信時，實現數據和自定轉發。

平臺層能對電力設備狀態智能監測系統進行部署，根據應用場景將其部署在包含監測主機等在內的用戶終端，包含平臺服務器等在內的云平臺以及手機端等平臺中。基于此，該平臺可實現對底層智能傳感器和匯聚節點的管理、協調和監控，監測數據展示、存儲和管理，具備一定的數據分析和診斷功能，在發現異常信號后，主動推送預警信息。

1.2 智能傳感器

本文在對開關柜局放檢測過程中，同時融合多種智能傳感器進行檢測，如圖2 所示，涉及了暫態地電壓（TEV）超聲波（AE）二合一智能傳感器，特高頻（UHF）傳感器以及溫度傳感器等，用以提高檢出率。各類智能傳感器功能分析如表1所示。

圖2 各類型傳感器

表1 各類智能傳感器功能分析

1.3 智能監測系統

智能監測系統通過以下功能模塊實現對開關柜相關電力設備狀態的監測。

站點總覽。在一次接線圖中展示所有測點位置分布及測點數據分析結果，可直觀體現所轄范圍內的整體運行情況。

監測數據分析。系統中的診斷算法自動對監測數據進行分析，同時提供了各測點的歷史趨勢分析、多測點多參量的對比分析功能，輔助分析異常發展態勢。

預警告警管理。系統可集中管理預警、告警信息，提醒用戶重點關注，現場處理后可對異常信息進行確認消缺。實際測量到的參數值超過報警值時進行聲光報警，并帶有語音報警功能。

監測儀器管理。系統可管理、配置智能網關及各類智能傳感器，通過影子設備管理可設置信號的采集間隔，建立傳感器與測點間的關聯關系，為網關和傳感器升級固件。

溫度監測。在監控系統上集中顯示被測各點的溫度值。

檔案管理。配置變電站、間隔單元、一次設備、測點等信息

用戶中心。包含對用戶帳戶管理、用戶角色管理、數據權限管理

系統管理。設置系統運行參數，查看系統日志。

遠程通信。系統提供RS485 總線通信方式，以滿足遠程通信。

2 具體實施方案

2.1 開關室配置

10 kV 開關室長約27 m，寬約9 m，包含營13雙陽北395弄11開關柜，10 kV 1號電容器開關柜和營18備用等在內的44面開關柜。因此，須安裝智能傳感器44只，站端監測單元1臺。

2.2 傳感器安裝

每面開關柜前后柜面各安裝一臺智能傳感器，采用磁吸式安裝方式。前柜具體安裝位于前中左上方，后柜具體安裝位于后下右下方，如圖3 紅色方框所示。

圖3 傳感器在開關柜上的前柜（左）和后柜（右）安裝位置

2.3 站端監測單元安裝

站端監測單元安裝在距離進門17 m 的墻壁上，2 號排風扇上側，距離地面高度1.5 m。具體位置如圖4所示。

圖4 站端監測單元安裝位置

2.4 電源及通信電纜布線

站端監測單元電源電纜布線：站端監測單元從旁邊檢修電源箱取電，距離站端監測單元約1.5 m距離。檢修電源箱與站端監測單元之間電纜走線采用PVC穿管的方式。

智能傳感器電源電纜布線（若外接電源）：當選擇內置電池供電方式時，傳感器不須再額外布線。當選擇外接電源供電方式時，傳感器須額外外接電源線。開關柜后柜帶柜內照明燈，可以從該位置取電。柜內照明燈如圖5所示。

圖5 柜內照明燈結構圖

開關柜前柜須從二次設備室取電，經過小母線箱到達傳感器位置，如圖6所示。

圖6 前柜傳感器取電走向

2.5 系統調試

傳感器及站端監測電源接線完畢后，開始系統調試。確認數據能夠正常上送，傳感器檢測位置與數據平臺一一對應。調試完畢后，記錄所有傳感器的配置表和系統用戶名、密碼等關鍵信息，形成調試報告。系統帶電試運行72 h，檢查數據上傳情況和傳感器運行狀態，確保無問題后，調試工作結束。

3 結束語

為了更有效準確地監測變電站開關柜運行狀態，預防局部放電事故的發生，本文融合新興智能技術，進行了基于智能監測系統的開關柜安全研究。首先構建了智能監測系統，該系統由感知層，數據匯聚層以及平臺層構成，共同實現不停電狀態下的電力設備運行狀態監測。感知層通過暫態地電壓、超聲波、特高頻、溫度等智能傳感器監測技術，實現對開關柜運行狀態的智能感知；數據匯聚層和平臺層通過智能診斷算法、多維度對比分析，實現監測數據的智能分析、設備狀態的智能診斷，實時掌握運行狀態，及時發現缺陷問題，評估推送異常信息及檢修策略建議。最后，具體的實施方案使得智能監測系統得以落地，實現了實時在線的開關柜智能安全監測。