基于物联网技术的智能化中置柜的设计

张静　李题印　胡翔

摘 要：为了满足智能电网对中置柜发展提出的要求，提出一种基于物联网技术，应用于智能化变电站的新型智能化中置柜。首先对断路器手车、接地开关进行机械结构的改造，实现全电动操作；其次通过应用现代控制理论、传感技术、电力电子技术等先进科学技术实现对中置柜运行电气参数及运行环境参数的实时监测，并通过物联网通讯技术将各独立运行的中置柜组网，实现中置柜运行状态的集中远程监测与控制；最后开发了数字化综合管理系统和基于“五防”联锁的便携式控制与数据采集终端，实现了中置柜的远程集中监测和现场控制运行、数据采集。该智能化设计可实现中置柜的在线监测，有效提高中置柜运行安全性和工作效率，对实现中置柜的智能化具有一定的现实意义。

关键词：中置柜；物联网；智能；在线监测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.104

0 引 言

随着智能电网建设的不断推进，智能电网的发展在技术上对中置柜提出了新的要求，如减少故障停电次数和时间、缩小停电范围；减少、缩短设备检修停电时间；系统内各设备共享系统信息资源等。传统的开关[1-2]设备越来越不能满足这些要求。输变电设备物联网技术[3-4]可实现输变电设备的在线监测、故障诊断和状态评估等功能。因此，综合利用输变电设备物联网技术，研究制造具有状态检测、故障诊断处理等智能化功能的中置柜是必要的。

现有的开关设备[5]智能化应用方案主要考虑断路器的机械特性和提高设备的安全性等方面，如通过监测设备运行时的各种电气量参数、运行环境参数等，提高设备运行状态的在线监测与故障诊断能力，减少设备检修，提高供电的可靠性等。

1 基于物联网技术的中置柜智能化改造方案

参照《高压设备智能化技术导则》，本文提出了基于物联网技术的智能中置柜改造方案，改造方案涉及3个部分，即：智能综合状态监测装置、中置柜数据采集终端和数字化综合管理系统。

基于物联网技术的中置柜智能化改造基于四级监控网络实现对中置柜的智能化管理。首先研发智能综合状态监测装置，安装于中置柜本体，采用无人值守的方式，通过控制单元、监测单元和识别单元、保护单元实现对中置柜运行状态监测、诊断、控制与保护，并对中置柜的运行状态数据进行存贮和通过RS485总线上传；其次研发便携式数据采集终端，巡检人员通过扫描二维码（粘贴到每台中置柜的唯一二维识别码）建立与综合状态监测装置通讯，完成对中置柜内部电动手车、接地开关等装置的非接触式控制和运行参数的数据采集及简单分析功能，实现了中置柜的不定期巡检；某一局部区域内所有的中置柜智能综合状态监测装置将监测数据上传到近端主站的数字化综合管理系统，数字化综合管理系统通过对上传的数据进行分析和处理，提供故障预警和故障预测功能，实现了中置柜的定期巡检。

2 中置柜本体智能化改造设计

基于物联网技术的智能化中置柜本体改造包括电动控制装置、智能测控装置、模拟显示装置和保护装置四个部分，该四个部分属于模块化设计，只需保留预留接口即可以实现多模块化设计。四个模块通过物联网通讯技术与综合状态监测装置实现四级监测与管理网络。

2.1 电动控制装置改造

2.1.1 电动底盘车电动操作机构设计

断路器电动底盘车三维设计简图如图1所示。1为直流电动机，2为二级变速机构，3为链传动机构，4为普通直齿传动齿轮，5为丝杠螺母，6为有凹槽的滚珠丝杠，7为手车固定端，8为内圈有凸缘的直齿齿轮，9为挡板。具体实现电动操作的方式为：直流电机1通过变速机构2获得较大的扭矩，驱动链轮，链传动带动齿轮4与链轮做同步转动。直齿齿轮内圈的凸缘与丝杠的凹槽相啮合，使齿轮8与丝杠做同步转动。由于丝杠末端与手车固定端连接，转动的丝杠使固定在手车上的丝杠螺母5做直线运动。在挡板（挡板9固定在小车底板上）的作用下，凸缘齿轮8同时通过凸缘在丝杠上直线滑动。丝杠螺母4带动断路器手车推进和后退，实现断路器手车的电动操作。图2为改进后断路器底盘车增加的电动传动机构实物图，该部分实现了断路器手车的电动操作。

2.1.2 接地开关机构电动操作的智能化改造

图3为接地开关操作机构结构简图。1为主轴驱动件，2为驱动齿轮，3为无油轴承，4为接地开关主轴，5为电机轴。电机通过二级齿轮传动带动驱动齿轮转动，驱动齿轮依靠无油轴承和轴套支撑在接地开关操作主轴上。驱动齿轮的相对转动与接地开关操作主轴的相对运动无直接的传动关系。当驱动齿轮运行一定角度时，驱动齿轮的上凸缘部位与主轴驱动部件接触而使驱动件转动，驱动件带动接地开关操作主轴转动，当转过一定角度时，接地开关开始动作。此时，接地开关转动角速度较驱动齿轮快，驱动齿轮与操作主轴存在一定的相对转动，由于为驱动齿轮凸台留有足够的空间而使操作主轴与驱动齿轮相对转动。当接收到接地开关信号时，驱动齿轮归位，使得手动操作时不影响主轴驱动部件与驱动齿轮的运动不发生相互影响。

2.2 智能测控装置

智能测控装置实时采集传感器、开关接触点等信号，直接或经过数据处理后得到所测点的开关状态量，为中置柜故障诊断和预测提供数据基础。本智能测控装置可以对断路器、接地开关、断路器手车进行位置状态和电气控制回路状态进行监测。智能测控装置具有以下功能：

（1）具有对泄露电流传感器信号、温湿度传感器信号、交流电压电流传感器信号、局部放电高频信号、弹簧储能时间信号、断路器分合闸线圈电流等信号的采集，分别实现对柜内避雷器的动作次数及泄露电流的监测，TA/TV断线故障监测、柜内发热点处的温度监测以及柜内基本电气量的监测，中置柜母排、开关刀闸、线缆接头处的局部放电高频信号的监测，开关柜断路器基本的储能电机、分合闸线圈电流的监测，动作时间与动作次数记录等。（2）具有“五防”联锁监测功能；当进行就地或远方巡检时，该装置可以通过监测开关接触点的信息，得到所测点的开关量状态，综合各开关量状态判断中置柜所处状态是否满足“五防”联锁条件。（3）具有人体感应功能；当人体靠近时，LED彩色显示屏自动点亮，操作完成后30秒后显示屏关闭。这种动态的显示方式可以是显示屏的寿命增加到20年。

2.3 模拟显示及保护装置

将断路器、接地开关、隔离开关、柜体等设备的本体信息以电子标签的形式预埋在设备中，通过物联网通讯RFID、WIFI等将设备信息传递给智能综合状态监测装置或手持终端，对开关量进行准确跟踪、定位，了解开关量的动态信息，并用图形界面动态模拟显示一次回路的手车位置、断路器分、合闸、接地开关和隔离开关等各种开关量的动作位置和电气回路的组合状态。保护装置可以实现无方向或有方向的过电流和接地故障保护；零序电压、过电压和低电压保护；低周减载保护；断路器失灵保护；电流速断及反时限过电流保护。

3 智能化中置柜数据采集终端

智能数据采集终端中，控制软件强大的逻辑判断能力可以很好地判断中置柜“五防”联锁条件是否满足，进而根据判断结果实现中置柜远方电动控制。智能测控装置与智能数据采集终端结合可以实现智能化中置柜的“双重”控制，现场操作运行时，既可以通过智能综合状态监测装置近距离控制，也可以通过智能化数据采集终端实现中置柜远程程序化操作。

4 结束语

本文基于物联网技术对中置柜智能化问题进行了研究，提出基于中置柜本体、智能数据采集终端和近端主站、远端主站的四级物联网监测与管理平台。智能综合监测装置是智能化开关柜的“大脑”，实现了中置柜的集成监测管理与控制；数据采集终端实现现场的中置柜安全控制运行和常用参数数据采集，为中置柜的智能化提供了坚实的基础；近、远端主站中的数字化综合管理系统为实现远程监测和诊断提供了强有力的保障。伴随着智能电网的发展智能化中置柜会逐渐普及，基于物联网技术的智能化中置柜将会实现现场应用和推广。

参 考 文 献：

[1]段建东，叶兵，张青山等.基于翅片散热和ZigBee的开关柜触头温度测控系统[J].电力自动化设备，2014，34（07）：157-162.

[2]童本羽，杨冠鲁.中压中置柜的智能化改造与研究[J].科技传播，2013（06）：32-33.

本文系吉林省发改委产业创新专项资金项目（2016C074）和吉林市科技局科技发展规划项目（20156406）成果之一。