基于信息感知的智能环网柜系统集成与应用

罗惠雄, 李徽胜, 刘佳

(1.广东电网有限责任公司 广州黄埔供电局, 广东 广州 510700; 2.广州南方电力集团 电器有限公司, 广东 广州 510285)

0 引言

环网柜是配电网供电系统中的重要组成部分和关键节点，环网柜的健康状态直接影响供电可靠性和电能质量[1]，在配电网中起着关键作用。运行数据显示，智能环网柜的局部放电与电缆头发热是导致故障的主要原因。一方面，环网柜在生产过程中，因材质和工艺问题，长期运行过程中，绝缘会出现老化，进而引发局部放电现象。因此，对环网柜进行局部放电检测能够有效地发现其内部的绝缘缺陷[2]；另一方面，由于电缆头制作工艺问题，在长期过负荷运行中，电缆和触头接触不良、短路等原因造成的事故时有发生[3]。

配网中环网柜存在数量与种类繁多、智能化程度较低、巡检周期长、巡检监控缺失、巡检数据和过程分析困难、运维成本高等问题。据苏东、马仲能等[4]人对配网开关柜全生命周期成本模型及敏感度分析，一个配网开关柜的巡检成本高达327万元，而故障成本高达120.44万。基于以上问题，亟需研制一种基于信息全感知的智能环网柜，支撑智能电网的发展。

1 开关柜在线监测现状分析

1.1 局部放电监测技术现状

目前局部放电测量技术主要有脉冲电流法、特高频法、暂态地电压法、超声波法等多种方法。用于离线的局部放电测试设备诞生较早，近年来逐步应用于高压GIS设备。这些技术存在各自的优缺点：特高频法具有较强的抗干扰性及较高的灵敏度；暂态地电压法(TEV)具有较高的灵敏度，并能实现定位，但分辨率不高；脉冲电流法具有较高的分别率，但抗干扰能力差；超声波检测法(AE)是一种非接触式局部放电测量技术，适用于气体表面放电，受电气上的干扰较少，且通过多个超声波探头可以实现局部放电电源定位，但超声波的衰减较快。环网柜的局部放电在线监测技术目前仍处于探索阶段。

1.2 在线测温技术现状

测温技术主要有光纤测温、红外测温、声表面波测温、高压感应电流取能测温等技术。光纤测温具有测量精度高，但影响开关柜的绝缘结构；红外测温可实现非接触式测温，不影响开关柜的绝缘结构，但受安装条件影响；声表面波是一种非接触式测温，受电气影响较少，但测量稳定性较差，且光纤测温、红外测温、声表面波均存在成本较高的问题；高压感应电流取能测温传感器受线路的负荷影响较大，测量稳定性较差。基于以上原因，本研究设计了一种无线测温与电压监测的一体化传感器，既解决了测温传感器取能、线路侧电压采集和电磁式电压互感器在智能环网柜安装位置局限性问题，又降低了设备的生产成本。

2 智能环网柜结构与系统设计

2.1 智能环网柜结构设计

智能环网柜采用模块化设计，其结构由压力气箱、操作机构室、高压电缆室及二次室组成，核心导电部件集成于SF6气箱中，可以避免设备运行过程中环境的影响。智能环网柜是在通用型环网柜的基础上，开发了一套AE+TEV局部放电装置、测温与电压一体化传感器，并融合于环网柜中，实现环网柜局部放电与温度的智能感知。其结构设计，如图1所示。

图1 智能环网柜结构

AE+TEV传感器内嵌式安装于电缆室与机构室之间的隔板，局部放电传感探头靠近高压电缆连接套管，局部放电传感器二次端通过同轴电缆与安装于二次室的局部放电数据采集终端连接；测温与电压一体化传感器堵头安装于高压电缆附件端头，通过Zigbee无线通信与测温数据采集终端进行数据交换，该设计方案具有以下优点：(1)局部放电传感器靠近高压电缆套管局部放电源端，避免超声局部放电信号的快速衰减，同时，环网柜的金属壳体可以屏蔽外部的噪声干扰源，测量更准确；(2)实现局部放电传感器的带电安装；(3)测温传感器直接与高压导体接触，并通过无线传输方式，既防止电磁干扰问题，又提高测量的准确性；(4)采用模块设计，便于安装及维护，同时可实现开关柜的全寿命周期管理。

2.2 系统架构设计

智能环网柜按四级系统架构设计，即感知层、边缘计算层、网络层和应用层。感知层与边缘计算层设置在智能环网柜中，主要包括无线测温与电压监测传感器、局部放电等传感器及基于边缘计算的采集终端与智能分布式终端；网络层包括网络通信设备硬件与软件；应用层是物联网与用户的接口，与用户的业务需求相结合，实现物联网的智能化应用。

3 局部放电在线监测装置设计

3.1 局部放电测量原理

局部放电过程中产生电磁波、光、声和化学变化等现象。通过超声传感器耦合到局部放电产生的超声波信号,检测局部放电声信号的幅度、相位、频率、噪声等实现局部放电的在线监测；开关柜产生局部放电时，放电脉冲激发的电磁波在金属壳体产生瞬态对地电压，通过安装在开关柜内的暂态地电压传感器测量开关柜金属壳体的暂态地电压，实现开关柜的局部放电在线监测。暂态地电压监测技术对绝缘件内部放电、尖端放电和电晕放电比较敏感，而超声波则对绝缘子表面及沿面放电比较敏感。同时，通过对暂态地电压与超声波两种信号进行研究发现，两种信号存在明显时延，结合两种信号特征，本研究提出了基于暂态地电压与超声波相结合的局部放电源声-电综合定位法局部放电测量技术，掌握开关柜局部放电变化趋势。

3.2 装置硬件系统设计

局部放电硬件系统主要由局部放电监测单元、非接触式超声波与暂态地电压一体化传感器、智能监控汇控柜、物联网关等组成，如图2所示。

图2 局部放电监测硬件系统图

通过安装在每面开关柜柜内的暂态地电压与超声波传感器采集到的信号，经对应的通道传输给信号调理电路，经去噪、放大、滤波，再由高速AD转换电路实现A/D转换，数字化后的信号由高速FPGA可编程门阵列电路进行时域、频域等参数、图谱的算法处理,由ARM处理器完成数据处理及存储，经RS485通信传输给信号汇控柜，并经物联网关将数据传输给电网公司的局域物联网平台。局域物联网平台通过采集的历史数据形成开关柜的局部放电变化趋势图，经分析、运算，形成开关柜的综合诊断结果，为运维提供检修决策。

3.3 装置软件系统设计

软件是系统的控制管理核心，其主要任务是负责组态任务、过程控制协调和试验数据处理、告警研判等。基于边缘计算的局部放电数据采集终端通过采集各类能反应放电现象的物理信号，采用50/100Hz相关频率分析算法、噪声自主学习、特征聚类、报警算法及历史数据统计等算法，实现开关柜局部放电阈值越限告警与开关柜健康状态评估，其主要功能如下。

3.3.1 数据监测与储存

局部放电传感器每秒采集一次数据，经信号放大及滤波后传输给数据采集终端，通过采集终端检测放电信号的放电峰值、有效值和平均值、放电频次、放电50 Hz和100 Hz相关性、放电类型。数据采集终端可储存完整的原始信号波形，并进行压缩数据节省容量，提供历史纪录回调及放电分析与辨识。

3.3.2 软件算法

(1) 噪声自主学习：计算并记录现场噪声脉冲特征，根据记录的噪声特征滤除现场干扰脉冲，使得设备抗干扰能力强。

(2) 50/100 Hz相关算法：采用相关频率分析算法，计算工频、一倍频和二倍频的特征分量，通过特征分量特征，可有效判断所测信号是放电信号还是干扰信号。

(3) 特征聚类：通过对信号进行特征聚类，可将放电信号和干扰信号进行有效分离，对分离后的信号进行二次特征分析，进而有效提取放电信号。

(4) 频率特征分析：通过特定频段的幅值比对，实现放电干扰分离。

(5) 报警算法：能够根据放电幅值、频次、相关频率分析等处理的结果，并将处理结果与阈值进行对比分析，当处理后的局部放电数据超出阈值时，准确给出三级报警指示信息。

(6) 趋势分析法：装置对历史数据进行长期跟踪，对储存的趋势图谱、周期图谱、频率图谱、噪声图谱、相位分辨的局部放电(Phase Resolved Partial Discharge, PRPD)图谱等多种分析图谱进行纵向与横向比较及统计分析，分析噪声与局部放电信号，对局部放电源进行评估，并将处理结果、PRPD和分层规则推理的局部放电(Phase Resolved Pulse Sequence, PRPS)数据传输给主站。

4 无线测温与电压监测一体化传感器设计

基于信息感知的智能环网柜需在开关柜内加装大量传感单元，小型化的全绝缘全密封智能环网柜传感单元设计应满足高度融合和方便维护。现有技术是将一些较为成熟的传感器以搭积木的形式实现，将电压传感器安装于高压气箱内部，这增大了设备的生产工艺难度，且存在设备运行中漏气几率，故障后无法更换，或直接在开关柜高压电缆室内安装大体积、高成本的电磁式电压互感器。测温传感器与电压传感器之间完全独立，多种传感器在智能环网柜内的使用，将改变设备原有的结构和电磁场均匀分布，影响设备的安全可靠性。本研究设计了一种无线测温与电压监测一体化传感器，解决了上述问题和无线测温传感器供能难题。

4.1 传感器硬件设计

一体化传感器是将高、低压电容器、低功耗变压器、铂电阻温度探头、电源稳压模块、测温处理芯片与Zigbee通信模块等元件浇注于电缆堵头内，电缆堵头安装于高压电缆附件内腔，是一种接触式测温技术。电压传感是利用浇注于电缆堵头内的电容器分压原理，将线路的高电压信号变换成一种可测量的低压信号，经低功耗变压器电压信号供给无线测温装置与配电自动化终端。原理接线,如图3所示。

图3 一体化传感器原理图

Ca1、Ca2(以A相位例)分别为高压、低压电容臂。当Ca1与ca2具有相同的精度及温度系数时，电容分压传感器的固有误差亦可以做得到最少，对地杂散电容只会影响电容分压传感器引入比差，不会引入角差[5]。电容分压传感器的低压电容臂增低功耗变压T，变压器设计两组副边绕组，供外部测量电路及零序电压，该设计方案既解决了电容分压传感器二次暂态特性，又解决零序电压测量问题。

为保证高压、低压电容臂的精度与温度特性的一致性，提高传感器输出电压的稳定性和使用寿命，本设计中的高压、低压电容采用陶瓷电容。陶瓷电容的芯子利用稀土材料烧制，介电常数是环氧树脂的几百倍甚至上千倍，因此极板总面积小，电容成型后体积小、成本低，陶瓷一旦烧结成型后特性稳定，正常条件下，寿命远远超过开关的寿命。能在-40 ℃～70 ℃的温度范围和在1 kV～10 kV电压范围时，绝缘性能达到10 kV电网前提下，电容值偏差都能小于±3%。通过采用 MATLAB 分析，得出陶瓷电容在不同电压及温度下的变化曲线,如图4、图5所示。

图4 传感器在不同电压精度曲线

图5 传感器在不同温度下的精度曲线

图中系列1和系列3是指不同电压下的电容偏差数据。

测温传感器采用于电压传感器同轴安装方式，是将电源模块、热电阻、Zigbee通信模块与主控单元用硅橡胶材料浇注后，安装与传感器铜导电杆端部，再与电压传感器一体化浇注于环氧树脂堵头内，热电阻直接与铜导电杆接触。测温传感器由电压传感器获取能量，经滤波、稳压之后，为主控单元(MCU)供能。利用热电阻的电阻值与温度成正比关系原理，控单元通过采集敷设在铜导电杆的热电阻值，经A/D变换、运算，通过Zigbee通信模块传输给无线测温数据采集终端。数据采集终端经数据采集、处理、运算分析后在本地显示测量温度值，同时通过RS48总线或以太网接口，将数据传输到云服务器。

绝缘、温度控制和抗干扰能力是一体化传感器的设计主要难题，本设计采用了高压与低压电气回路相互隔离措施。电容式传感器二次侧设计了隔离变压器，且电容元件与测温电路板之间利用环氧树脂隔离，确保电容器被击穿不会将高压串入到低压回路；测温传感器与数据采集终端之间采用无线传输方式，同时，在元器件选型上采用抗干扰力强，温度范围广的器件，在结构设计和电路设计充分考虑EMC特性，该设计方案既解决传感器的绝缘问题，又解决传感器与数据采集终端之间的电磁干扰问题；为解决传感器发热问题，测温传感器均采用低功耗设计，确保微弱能量情况下工作，传感器运行时的工作电流为微安级，通讯瞬时电流15 mA。同时，传感器应考虑高温环境下的正常工作，因此，传感器选用的材料能够保障80 ℃以上的环境温度稳定运行，150 ℃时数据能正常测量，280 ℃时传感器内部元器件不发生形变或损坏。

4.2 数据传输、储存与告警设计

本设计方案中测温传感器与测温数据终端之间采用基于Zigbee协议的无线传输方式，测温数据终端与监控主站或云平台之间采用4G或光纤传输。Zigbee是基于IEEE 802.15.4标准的个域网协议[6]。基于 Zigbee 协议的通讯技术是一种功耗低、距离较近且简单易实现的无线通讯技术，能够很好地应用于变配电站内的数据传输。

测温系统的传感器集成了无线数据传输发射模块，数据采集终端集成了接收模块，接收端实现数据集中器的功能，接收、上传、运算所在范围内温度传感模块的数据，从而实时、可靠地收集范围内的有效数据。该模块采用树状拓扑结构，具有较强的可扩展性，从而实现系统架构中的通信功能。

测温采集终端利用边缘计算，对温度传感器采集的数据进行储存、运算、分析和告警。终端对每个测温传感器进行告警设置，通过实时监测数据与预设定的阈值进行比较判断。当设备发生温度异常或由于线路中的谐波等干扰因素造成误报，系统将根据传感器所测的数字进行温度绝对值、温升加速度、绝对温差、相对温差(三相不平衡)、历史趋势这五项指标进行分析并发出报警。当状态处于正常时，监测到数据突然超出允许波动范围，装置记录次数，若记录次数达到预设次数时，装置发出告警信号，否则进入休眠状态；当监测数据超过波动范围时间持续达到时间阈值时，产生告警信息并发送。这种多次超限统计判断告警的模式，可以避免周边电磁干扰带来的误报问题。告警逻辑,如图6所示。

图6 告警与防误报程序逻辑

5 试验及应用

5.1 局部放电试验

本研究通过试验手段验证了研究的可行性，测试方法如图1所示，分别在环网柜内、外安装1组暂态地电压及超声波传感器，利用升压变压器对环网柜外施工频电压，直至环网柜产生局部放电，并用手持式局部放电测试仪与局部放电装置测量的数据进行对比，如图7、图8和表1所示。

表1 局部放电测试结果 dB

表中待测试电压设置为12 kV。由测试结果论证，内嵌式局部放电传感器更能准确反映环网柜内部局部放电情况。

5.2 应用情况

2019年3月，对佛山某电镀厂的3面高压开关柜进行升级改造，在原有开关柜上增加内嵌式暂态低电压与超声波局部放电装置和无线测温装置。2019年12月，局部放电监测系统监测到该配电房进线01柜暂态地电压幅值达36 dB，超声波测量幅值为10 dB，暂态地电压发出间歇性放电告警信号，超声波信号未告警。为验证局部放电监测装置的准确性，对局部放电监测数据进行分析比较，并采用局部放电测试仪对该开关柜进行定位分析，确定放电源位于进行01柜B相电缆头位置。

经对B相电缆头进行解剖分析，电缆终端头绝缘层有明显放电痕迹，在电缆的半导电层跟主绝缘间发现一处黄豆大的白色斑点，导致这一现象是因电缆制作工艺不规范造成，如图9所示。

图9 局部放电后电缆解剖图

将电缆头重新制作后投入运行，局部放电监测数据正常。

6 总结

局部放电和温度是最能直接反应开关柜绝缘及温升变化趋势，是电力运行部门和科研院所迫切解决的技术难题。智能环网柜通过融合各类智能传感器和边缘计算终端，实时采集设备的运行数据，利用边缘计算、云计算及移动应用APP，实现配网故障的自动隔离和自愈、故障信息的主动预警、设备的全面状态感知和设备全寿命周期管理，对提高运维效率和供电可靠性具有重大意义。在今后研究中，应朝着信息感知精度更高、设备小型化、降低成本等方向努力。