基于泛在電力物聯網的開關柜局放監測系統構建研究

何 明，，嚴鏗博，，佘樂欣，，袁 帥，，汪明科，，劉曉松

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518022；2.武漢傲睿爾科技有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

開關柜是電力系統中使用數量最多的開關設備，也是對電力系統產生影響最為明顯的設備。從開關柜的設計生產開始，再到后續的安裝和運行，開關柜會出現不同程度的問題，導致電力系統出現故障。為此，需要針對10 kV以上的高壓開關柜運行狀況展開實時監測，定期了解設備運行狀態，判斷設備的絕緣特性，做好設備的檢修和維護，降低事故發生的概率，讓電力系統的運行狀態更加安全可靠。

1 高壓開關柜局部放電原理

局部放電是絕緣介質中產生的一種電氣類放電現象，這種放電通常限制在被測介質中，且往往發生在導體間的絕緣局部橋接處或導體鄰近位置。在強電場作用下，電力設備絕緣中的某些薄弱部位處，普遍存在局部放電的問題。局部放電前期一般不會立即引起絕緣介質擊穿，但容易導致有機電介質的局部損壞。若電氣設備長期處于局部放電狀態，在某些特定環境下就會導致絕緣劣化，甚至擊穿［1］。因此，對電力設備進行局部放電監測是電力設備運行中的一種重要預防性手段。

局部放電會伴隨產生各種電、光、聲、熱等現象，基于這些現象的原理性研究，產生了不同原理的局放監測技術。其中，常用的非電量監測方法有：光測法、電檢測法、紅外熱測法和聲測法等。近些年來，隨著對局部放電原理的研究不斷深入，局部放電監測技術也在不斷提高，目前采用較為廣泛的局部放電監測方法是聲電聯合的監測方法［2］。事實證明，該方法能夠有效監測沿面爬電、表面放電、電暈放電、內部放電、尖端放電等多種類型放電現象。

2 基于泛在電力物聯網的開關柜局放在線監測系統設計

2.1 系統設計思路

本次設計開發的在線監測系統建立在物聯網的基礎之上，通過脈沖電流傳感器對高壓開關柜的母線電流進行信息采集，獲取流動在母線上的高頻脈沖電流信號，在采集數據信息以后，將電流信號傳輸到處理單元中，經過信號過濾環節，將外界影響因素分離開來，此時數據處理單元將對高頻分量展開分析，最終確定高壓開關柜是否存在局部放電現象，并對局部放電故障的嚴重程度做出評判［3］。此次為盡快確定故障所在位置，將監測系統中的傳感器與定位技術結合起來，以傳感器為在線監測系統中心，分散監測傳感器周邊的局部放電情況，準確獲取故障點位置。

此次所設計的在線監測系統比較適合10 kV及以上開關柜的局部放電現象監測，能夠對不同監測點的局部放電數值及頻次進行實時分析，在確定放電點以后，及時發出故障警報，并將數據圖譜存儲下來，以便于監測人員后續展開放電現象分析［4］。該種監測方式能及時發現高壓開關柜存在的絕緣缺陷問題，并評估開關柜設備及母線的絕緣水平，對判斷開關柜線路老化程度提供科學依據。系統數據處理軟件中所形成的二維譜圖、工頻周期放電圖以及放電趨勢圖等都將成為檢測人員制定改進措施的數據參考［5］。

根據分析發現，本次設計的在線監測系統主要具備下述特征：(1）提取放電信號的特定頻帶，對抗配電站中因外界因素干擾而產生的干擾信號，規避干擾信號對監測信號的影響。監測系統可直接經過放電信號判斷確定局部放電現象來自于高壓開關柜內部還是外部。(2）異常報警。在線監測系統包含異常報警功能，在對開關柜進行實時監測期間，一旦發現局部放電現象比較嚴重，會對電力系統產生影響，系統將會根據數據分析判斷，分等級地發出不同警報。(3）同時采集不同終端信號，最多可同時獲取100臺設備的傳感數據，系統可通過該種技術對傳感器感應范圍內的設備進行數據信息采集，從而判斷局部放電現象所處位置。(4）系統設計期間，借鑒國內外廠家所采用的異常周期數統計方法，將開關柜中因操作所造成的瞬間局部放電現象排除，獲取在個別頻次周期中出現的局部放電現象數據，經過數據統計以及異常周期數據分析，判斷開關柜是因為操作產生局部放電故障還是因為其他原因產生局部放電故障。(5）傳感器在在線監測系統中的設置和連接均采用單根數字總線方式，經過供電一體化多芯電纜實現相互連接，該種連接方式能夠減少傳感器之間的布線數量，降低開關柜因走線復雜而帶來的檢測難度，降低在線監測系統設備對電力系統原設備所產生的影響。

2.2 故障采集檢測系統設計

為提升該在線監測系統的故障信息采集效果，本次系統設計中安裝了嵌入式高性能處理器，該處理器能夠保持系統處于高速采樣狀態，且降低系統整體運行功耗。處理器在獲取數據采集結果以后，經過Modbus-RTU協議組網以及RS-485總線，實現遠程通信的目的。系統運行過程中將同時運行多達100臺設備，此時將同步采樣技術與系統融合在一起，可以對100臺設備同時進行數據采集，了解100臺設備的局部放電信號情況，通過橫向和縱向對比數據的運行狀態，分析數據存在局部放電現象的可能因素。該種數據處理方式和信號采集方式簡化系統現場布線，實現供電通信一體化多芯電纜串聯。

傳感器是在線監測系統的主要設備，本次系統設計采用了VHF天線傳感器，該種傳感器是專門為測量局部放電信號而設計的，不僅設備安裝比較方便，且在局部放電信號方面的檢測比較靈活。該傳感器的外殼屬于鋁合金材料，并經過鍍鋅處理達到氧化絕緣的目的，能夠對高壓開關柜的內部空間傳輸出的電磁波信號進行響應，達到監測開關柜局部放電現象的目的。傳感器將被直接安裝在開關柜的電纜室當中或者是直接吸附在開關柜的內壁上，根據電磁波信號感應，向系統后臺傳輸監測結果。

3 結語

本次設計的監測系統能夠直接與地理信息系統融合，從而定位故障纏身位置，方便檢測人員快速發現故障點并給出應對措施。如此一來，電力系統的運維管理水平提升和開關柜局部放電故障也得以管控。