摘要：变电站的高压开关柜长期运行在高电压状态下，其工作可靠性与设备运行状态有着密切的关系。运用物联网传感技术及通讯技术，构建基于物联网的高压开关柜综合状态在线监测系统，对高压开关柜的运行状态进行全天候的实时监测，可有效的降低设备故障率，推进电力设备的状态检修工作，保证电力系统的安全经济运行。
关键词：变电站；物联网；在线监测；无线通讯；高压开关柜
引言
在电力系统中，变电站高压开关柜是电力系统中重要的控制和保护设备，在电力系统中起着重要的作用。伴随着近几年无人值班变电站改造的完成以及设备由定期检验向状态检修的逐步过渡，主设备的大修周期在逐步延长，因而运行中的设备的缺陷大幅增多，严重影响供电的可靠性和安全性。为此，能及时发现并处理这些缺陷，对于运行人员日常巡视检查就提出了更高的要求。
随着物联网技术的发展，电力设备运行状态的在线监测已成为主流。针对站内高压开关柜，本项目采用一种基于物联网技术研发设计的高压开关柜综合状态在线监测系统。该系统采用电磁感应自取电技术、低功耗无线传输技术，不改变高压设备本体结构和性能，实时监测开关柜本体运行状态和运行环境信息，根据监测数据及变化趋势，运用智能分析对设备的运行状态进行实时评估，对剩余寿命做出预测，提供设备故障预警并指导检修工作的实施。
1 关键技术
1.1 开关柜接点温度监测技术
针对开关柜在线测温的技术要求和其本身的技术特点，高压开关柜综合状态监测系统接点测温部分采用无源无线测温装置，解决了温度在线测量中的绝缘和能量供给问题。测温装置的传感器首先将温度信号转换为电信号，再将信号以无线电磁波方式传输到数据采集终端进而传送至后台系统从而实现温度测量。测温装置与被测部位接触，与数据采集终端通过无线方式隔离。测温装置采用CT取电，无电池，无工作寿命限制和电池安全隐患。
对于高压开关设备，不同的部件、材料和绝缘材料在周围环境温度一定的情况下，温升极限都不尽相同。所以在开关柜状态监测系统中，设计了开关柜内温度的监测，以便给电缆接点温度检测提供依据。
1.2 开关柜局放监测技术
当高压开关柜及其内部高压设备（如PT、CT、母排、电缆接头等）由于绝缘故障而产生局部放电时，局部放电过程中往往伴随有脉冲电流、电磁波、超声波、光、臭氧、热等物理或化学现象以及相应的过程，我们检测时以超高频为主要的检测指标。
局部放电超高频检测技术是一种非接触的检测方法，依据是“场”的原理，它通过天线传感器接收局部放电过程中辐射的超高频电磁波，从而实现局部放电的检测。
2 系统实施
应用运用物联网技术对变电站高压开关柜的运行状态进行在线监测，在站端构建一套综合状态在线监测系统。在高压开关柜部署无源无线温度传感器、局放传感器，在电缆沟部署温湿度传感器，在开关室部署数据集中器，在中控室部署服务器及本地显示装置，实现对开关柜的接点温度、柜内局部放电和电缆沟温湿度的实时监测，实现状态指标越限、升高过快短信报警，并具备后台历史数据存储、查询和处理功能。
图2 高压开关柜综合状态在线监测系统架构
3 系统组成
从物联网技术架构上来看，本项目主要由感知层、网络层、应用层三部分组成。
3.1 感知层
感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分。本项目中感知层主要由温度传感器、局放传感器、温湿度传感器等组成。
3.1.1 温度传感器
温度传感器由感应取电模块、温度测量模块、控制模块、无线传输模块组成。外壳为耐高温绝缘材料，并由绝缘材料密封。具有体积小、重量轻等优点。根据电力设备运行特点，各电气连接点（高压开关柜的触指、高压隔离开关刀口、主变压器母排及线缆连接点等部位）是最易发生发热故障的部位，对连接点的监测可以再很大程度上减少设备的故障率。
3.1.2 局放传感器
局放传感器外壳采用铝合金材料，外表采用氧化绝缘工艺处理，对开关柜内部空间10～800MHz频带的局部放电电磁波信号有优越的响应性能，实现对开关柜局部放电信号的耦合。传感器可直接安装固定在开关柜电缆室或用磁吸安装在开关柜内壁上。
3.1.3 温湿度传感器
温湿度传感器通过高性能单片机的信号处理，输出标准模拟信号，直接安装于固定电缆沟槽钢上，采集电缆沟的环境温湿度。
3.2 网络层
网络层通过通信网络进行信息传输，作为纽带连接着感知层和应用层，它由各种有线、无线通信网等组成。本项目中网络层由无线通讯中继器、局放数据采集器、数据集中器等组成。
3.2.1 无线通讯中继器
无线通讯中继器由电源模块、控制模块、无线通讯模块组成，采用嵌入式高性能处理器，在保证高速采样的同时，大幅降低了装置功耗，提高系统稳定性。AC220V电源供电，内置ZigBee无线通讯模块，可灵活组网，负责采集设置区域范围内所有温度传感器上传的数据，并进行转换放大处理之后，传输至数据集中器。
3.2.2 局放数据采集器
采用嵌入式高性能处理器，在保证高速采样的同时，大幅降低了装置功耗。各台数据采集装置通过485总线和MODBUS-RTU协议组网，远程通讯。各局放采集器可采用供电通讯一体化的多芯电缆进行串行连接，极大的简化了现场布线。
3.2.3 数据集中器
数据集中器采用嵌入式工控机，基于工业级32位ARM9系列CPU，Linux操作系统，通过ZigBee无线通讯模块接收无线通讯中继器上传的变电站内各个测温点的数据，完成数据的简单处理、存储、和嵌入式WebServer服务器功能，并通过标准RJ45网口以Modbus协议上传至监控主站。
3.3 应用层
应用层与最低端的感知层一起，是物联网的显著特征和核心所在，应用层可以对感知层采集数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对高压开关柜综合状态的实时监测、精确管理和科学决策。
该站应用层主要是指监控主站，监控主站包括：1台工业服务器，1台本地显示装置，1套温度在线监测系统。服务器安装于变电站中控室内，综合状态在线监测软件部署于服务器。软件以轮询的方式采集前端传感器的数据。
综合状态在线监测系统主要实现数据采集、分析、预报警、故障定位、存储和管理等功能。系统可监测到高压开关柜连续变化的运行状态，并以曲线图（或者表）的形式显示。提供温度绝对值报警、温度上升率报警、三相温度不平衡报警、柜内局放超标、电缆沟湿度超限等多种报警策略。当温升超限时发出报警提示，提示操作人员检查变电站是否出现故障。
主站服务器可接入系统局域网，支持局域网内其他PC端通过IP访问主站管理系统，查询主站系统的历史记录，读取高压开关柜运行状态的曲线和报表。
4 实施效果
变电站高压开关柜综合状态在线监测系统采用有线无线结合通信模式，系统能够及时掌握各监测点的实时状态，将设备监测点的温度、局放、湿度等信息发送到主站系统，在计算机上能够方便地查询有关实时信息和历史数据。为及时掌握各监测点在故障前的运行状态，预防隐患的发生，保证设备的正常运行，并提供灵活的参数调整手段。
该系统具备运行可靠，使用简单，维护方便的特点，完全满足电力企业的要求。陕西省地方电力（集团）有限公司汉中供电分公司110kV渔营变电站于2019年05月安装了变电站高压开关柜综合状态在线监测系统，10kV高压开关柜安装温度传感器45个、局放传感器6个、温湿度传感器2个，站内安装无线通讯中继器6台、局放数据采集器1台、数据集中器1台，中控室部署服务器1台、本地显示装置1台。该系统自投运以来，运行工况良好，在线率始终保持在98%左右，数据稳定可靠。对变电站内高压开关柜电缆接点温度、柜内各电气设备局部放电、电缆沟温湿度进行实时在线监测，减少了运维人员对设备的现场巡视频率，在极大的程度上减少了运维人员的工作量，调度人员可以根据数据变化合理调整负荷分配，当出现设备温升异常的时候能够及时发出告警。高压开关柜综合状态的的实时监测也为电力设备的状态检修提供了可靠有效的数据支撑，可直观的对设备是否需要停电检修给出事实依据。
5 结论
综上所述，物联网技术应用于变电站高压开关柜综合状态在线监测，符合国家、行业及电网企业对电力安全的要求，能够实时在线监测各个监测点的数据信息，达到了实用化的效果。在变电站高压开关柜综合状态在线监测系统，可有效减轻设备管理人员的工作量，能够监测到很多无法通过人工正常巡视的部位，例如开关柜触头温度、柜内局部放电趋势等。通过实时监测，让工作人员及时地采取检修和排查措施，防止设备故障的恶化，可以有效的避免因温升过高、局放超标而导致的恶性事故发生，进而提升电力系统的智能化水平。对高压开关柜运行状态进行在线监测，将有效保证设备运行安全，提高供电可靠性，减少停电时间，有效减少居民投诉，从而降低我供电企业供电成本，减轻居民的生活负担，利于民生发展。
参考文献：
[1]李贻涛，邢晓敏.无线通信技术在电力高压接点温度监测系统中的应用[J].黑龙江科技信息.2011，34
[2]高胜友，王昌长，李福祺.电力设备的在线监测与故障诊断[M].清华大学出版社.2018，301，304-305
[3]江华，孙圆圆.电力物联网技术的应用[J].宁夏电力.2014（2），51-55
[4]柯鸿飞.高压开关柜局部放电检测技术应用浅析.电力讯息.2017（10），222-223
[5]赵月灵，代莹，程秋秋等.基于基于ZigBee技术的变电站无线测温在线监测系统研究及应用.电气时代.2015（9），47-49
[6]蒙恩，徐文，黄海龙等.高压开关柜局部放电在线监测研究.机电信息.2014（21），124-126
论文作者:朱波涛1,余星见1,李伟1,郑彦华1,张峻旗1
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/6
标签：开关柜论文; 在线论文; 高压论文; 变电站论文; 测温论文; 状态论文; 数据论文; 《电力设备》2019年第16期论文;