基于物联网技术的智能环网柜设计及应用

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）

0 引言

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。

1 物联网技术应用需求

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。

2 物联网化环网柜技术架构

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

2.1 终端感知层

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

2.2 边缘计算层

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。

2.3 网络传输层

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。

2.4 平台应用层

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。

3 基于边缘计算的分布式馈线自动化

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。

3.1 就地分布式故障处理逻辑

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

3.2 就地分布式故障处理示例

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。

4 应用情况

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。

5 结语

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。