吕东飞,王 帅,张 永,宋燕山,牛丙震
(国网山东省电力公司淄博供电公司,山东 淄博 255000)
环网柜因其体积小、结构紧凑、进出线灵活等优点,广泛应用于城市配电网,其设备健康状态直接影响到用户供电可靠性[1-2]。环网柜内部空间狭小,大负荷长时间运行时,受环境温度和接头发热的影响,设备温度易升高。此外,对于北方工业城市,还存在粉尘污染,环网柜受环境污秽影响,可能导致绝缘水平下降,发生局部放电击穿等小故障,若不及时处理极易导致故障扩大引发安全事故[3]。传统的电力设备人工定期巡检模式,费时费力且难以及时准确发现故障隐患,已无法满足数量持续增长的环网柜精益运维的需要。
物联网技术通过感知层的延伸[4],基于状态感知和执行控制端设备,通过边缘计算就地评估设备状态,可实现环网柜故障点快速精准的锁定,并与站内保护装置相配合,实现就地故障自愈,满足供电安全和高供电可靠性的需要;同时,应用大数据、人工智能等技术对历史数据和实时运行状态综合处理,实现环网柜健康状态的动态评估,达到提前预警的效果。
近年来,某供电公司作为配电物联网技术试点和示范应用单位,积极探索基于物联网技术的智能环网柜、基于边缘计算[5]的智能终端等中压配电物联网关键技术,并结合工程现场开展实际应用,取得了良好的效果,有效说明了物联网技术应用于环网柜的可行性和有效性。
某典型重工业地区,辖区内配电线路复杂,粉尘污染严重,电气设备长期受环境污秽影响,易造成内部绝缘能力下降,存在击穿放电的风险[6]。经研究分析,现有配电线路及设备问题有以下方面。
1)环网柜内加热、排气、除湿等辅助装置长期处于运转状态,由于缺乏统一的管控,一旦装置损坏停运难以及时发现,易造成环网箱内环境调节失控,影响设备安全运行,缩短设备的使用寿命,甚至直接引发故障。
2)线路发生短路故障后,通过出线开关重合闸尝试恢复供电,存在对故障点重复冲击的问题,严重时可能引发故障点起火,导致事故扩大。
3)定期由人工进行的环网柜局部放电带电检测,受人员技术水平差异、放电信号不稳定、检测周期间隔长等因素的影响,无法及时发现设备隐患,一旦情况恶化将直接引发故障。
4)电缆线路大量应用集中式馈线自动化模式,自愈过程依赖于稳定的通信通道和二遥动作型“看门狗”开关可靠动作,自愈时间一般为3~5 min,已逐渐无法满足高可靠性区域的供电需求,亟须进一步减少故障自愈时间。
为解决上述问题,依托某配电线路,基于物联网技术将原有环网柜升级改造为智能环网柜,通过设备状态在线感知、就地边缘计算分析处理和云边协同优化控制,实现设备健康状态在线评估、隐患提前预警和故障快速处置。
基于物联网技术的智能环网柜系统架构自下而上分为4 层,分别为终端感知层(端)、边缘计算层(边)、网络传输层(管)和平台应用层(云),如图1所示。
图1 整体架构示意
终端感知层主要包括二次终端和传感器,实现环网柜运行状态、设备状态和环境量的监测和控制。环网柜一次设备、二次设备采用一体化设计,系统考虑整套设备一、二次设备间的接口匹配性,可增强二次终端设备的兼容性、扩展性、互换性,降低现场安装施工及调试维护强度,并可有效避免因一、二侧寿命不匹配所导致的设备利用率低及资源浪费问题。
环网柜中所有的终端感知单元均采用标准化接口和模块化设计,便于安装和后期更换维护,满足一体化、小型化、模块化、就地互换化的需求。从功能应用角度,环网柜集成多种智能传感器,如图2 所示,具备环网箱外部温度监测、烟感监测、浸水监测,环网箱内温湿度监测、局部放电监测,各间隔电缆头温度、烟雾、湿度、水位、局部放电监测等功能,实现环网柜设备状态的全面感知,满足设备健康状态评估、故障快速处置的需要,为环网柜故障分析预警及风险评估提供数据支撑。
图2 终端硬件配置示意
边缘计算层是物联网环网柜就地处理的核心,由物联管理单元实现,包括物联硬件层、操作系统层和应用层3部分,如图3所示。
图3 边缘计算架构图
物联管理单元的应用层微应用APP 可根据需求定制开发,实现边缘计算功能,并与平台应用层交互数据处理结果,避免大量数据实时上传,以获得更快的响应速度,大幅提升处理效率,实现实时可控在控。例如,对于环境监测功能,通过配置环境调节APP,在数据超限时通过本地边缘计算层启动相应的加热、除湿、排气等装置,并向云主站发送研判及指令执行情况,数据超限期间持续向主站推送相应环境量值,直至异常值降至正常范围内。云主站同时向供电服务指挥系统推送预警信息及相应监测数据,派发主动运检任务单,运维人员根据各监测点的数据,可分析出哪个间隔出现密封不良、绝缘能力下降等问题,从而开展针对性的消缺工作。消缺成效以环网箱间隔监测数据变化为评价依据,实现根本性的闭环管控。
在网络传输层方面,集成专网/公网通信设备,云-边应用MQTT 协议[7]、边-端应用CoAP 协议[8],满足本地和远程通信需求,如图4所示。
图4 网络传输层示意
本地通信组网方面,为了满足终端感知延伸层和边缘计算节点间畅通、高效、低消耗的通信,环网柜局放、机械特性、湿机等采用RS485 通信交互,电缆头测温采用就地微功率无线;各单元式数据传输单元(Data Transfer Unit,DTU)采用以太网接入交换机,实现本地快速数据交换,并经光设备与相邻环网柜单元式DTU 进行快速数据交换。远程通信组网方面,配电设备物联管理单元串联以太网加密盒子,按中压配电全数据加密要求处理后,接入以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network,EPON)通信设备系统,通过光纤网接入配电自动化系统;配电设备物联管理单元采用4G LTE[9],按照国家电网有限公司网络安全防护体系进行加密后,接入省公司主站。
在平台应用层方面,基于云架构[10],集成IoT 平台,满足微服务微应用需求。通过算力支撑、数据加工完成对数据的分析管理工作,并综合利用大数据、人工智能等技术,实现机构动作特性分析评估,电缆头测温与健康评估,局放监测与健康评估,馈线同期线损监测与异常预警,为设备状态检修提供可靠性决策,如图5所示。
图5 环网柜状态评估示意
当物联网化环网柜发生故障时,系统提供故障前状态数据,结合历史故障、缺陷、隐患等信息,拓扑图分析的故障范围,为故障快速定位提供支撑。故障抢修时,通过移动终端扫描,结合电网资产中心、资源中心获取设备基础情况,并上传抢修进度至系统。抢修结束后,抢修人员上传检修结果,各高级分析应用根据统一数据模型,获取数据,开展后续高级分析。
为满足配电网高供电可靠性要求,基于物联网化环网柜,应用物联网边缘计算就地处理,设计分布式馈线自动化故障处理模式,选择相邻智能终端之间,通过光纤以太网交换、处理线路区段两侧的故障电流的相位信息,识别故障区段,应用光纤差动保护原理[11],直接跳开故障区段两侧断路器切除故障,使非故障区段用户的供电不受影响,实现故障快速自愈。忽略故障电流传播时间,可认为故障回路上所有终端同时检测到故障电流,以终端检测到故障电流的起始时刻作为时间参考点,可实现分布式终端的同步相量测量。
如图6 所示,物联网化环网柜边缘计算终端通过智能感知状态传感器,实时采集线路电流数据,一旦发生线路故障,能及时采集故障信息,将故障信号上传并启动分布式逻辑功能,边缘计算终端进行故障定位,并启动光纤差动分布式策略[12]隔离故障,若隔离失败则启动站内保护跳闸。故障点相邻的边缘计算终端向主站推送故障研判结果、动作执行结果和故障录波波形,主站将故障区间和自愈全过程信息展示给调度员和配网抢修人员。
图6 基于边缘计算的分布式馈线自动化故障处理逻辑
以图7所示线路为例,其典型的故障处理过程如下。
图7 线路接线示意
1)F1位置发生开关站间线路故障时,CB1跳闸,开关1-1 失压分闸闭锁,启动网络备自投功能,联络开关3-1自动合上,快速恢复非故障区域供电。
2)F2 位置发生开关站间线路故障时,则CB1 保护告警,启动光纤纵差保护动作,开关1-2 和2-1 同时跳闸,系统启动网络备自投功能,联络开关3-1 自动合闸,快速恢复非故障区域供电。
3)F3 位置发生开关站母线故障时,则CB1 保护告警,母差保护动作,开关2-1和2-2同时跳闸,系统启动网络备自投功能,联络开关3-1 自动合上,快速恢复非故障区域供电。
4)F4 位置发生分支用户故障时,则开关2-3 过流/速断保护动作跳闸,直接分闸就地切除故障。若发生拒动同3)处理。
基于物联网技术设计的智能环网柜进行试点应用,形成在线监测预警应用平台如图8 所示,应用效果如下。
图8 平台应用示意
1)实现对环网柜机构动作特性分析评估,配电设备物联管理单元预置标准动作特性模型,并通信采集各间隔机构整组动作特性数据,就地多间隔、多维度、多数据对比分析,评价环网柜动作迟滞偏差值、历史偏差曲线、超限告警,主动或突变上送。通过边云协同服务获得整条馈线光差保护间隔动作特性数据,自举自身特性指标与馈线上其他环网柜的动作偏差曲线、超限告警。
2)实现对环网柜电缆头测温与健康评估,配电设备物联管理单元预置电缆头电流-温差比标准模型,并通信采集电缆头实时温度、负荷电流,参比环境温度,就地多间隔、多维度、多数据分析,设置偏离告警范围,定时或突变上报评价结果。
3)实现对环网柜局放监测与健康评估,配电设备物联管理单元通信采集各间隔局放传感器数据,本地存储各间隔数据,就地分析间隔自身局放发展趋势,并对比其他间隔局部放电发展趋势,形成统计对比数据、个体突发越限记录,定时或突变上送(含数据、事件)。
4)实现线路及环网柜故障就地快速自愈,应用物联管理单元边缘计算技术,基于光纤差动保护原理,提出分布式馈线自动化处理策略,实现故障就地快速自愈。
5)实现对馈线同期线损监测与异常预警,基于各环网柜同步对时,分析电能冻结数据、实时电气量数据,统计分析馈线各段线损情况,线损异常主动告警。
经过试点应用,基于多维的数据采集与快速处理,在故障发生前,可对箱内设备、电缆终端的绝缘水平等进行全面评估,缺陷发现及时率可达到99%以上,形成完全闭环、评价直观的消缺消隐闭环管理体系,由被动抢修转变为自动调节、主动运维。故障发生前状态可追溯并可全面分析;故障发生后,短路与接地故障自动隔离成功率大于95%,潜伏性故障检测成功率大于95%,故障测距误差小于30 m。
随着城区配电化建设和电缆化率的提升,环网柜的应用规模正快速增长。现有环网柜人工定期巡视和带电检测方式,已无法满足配电网精益化运维的需要。物联网技术的兴起为环网柜的设计、运行和运维等提供了新的思路,基于物联网技术的智能环网柜系统,可实现环网柜机构动作特性分析评估、环网柜电缆头测温与健康评估、环网柜局部放电监测与健康评估、故障就地快速处置、馈线同期线损监测与异常预警等功能,提高了环网柜运维效率和供电可靠性,实现配电网资源配置优化与效率效益的提升。应用物联网技术的智能环网柜具有广阔的应用前景,提出的设计方案和工程应用情况具有借鉴意义。