基于智能监测系统的变电站开关柜安全研究

宋凯诚

（国网江苏省电力有限公司常熟供电分公司，江苏 常熟 215500）

关键字：变电站开关柜，局部放电，传感器，物联网，智能监测系统

配网开关柜在长期运行过程中由于强电场、热效应、灰尘和化学物质等作用，绝缘性能会不断恶化，进而产生局部放电。持续的放电活动将加速绝缘老化，产生高热、腐蚀性化学物质等，进一步破坏绝缘系统。严重的局部放电甚至于引起绝缘击穿，导致电力事故的发生。

造成开关柜局部放电的原因有很多，根据不同的故障类型，往往会有不同的检测手段[4]，以保证开关柜的安全运行。

然而，传统的开关柜运行监测技术存在许多缺陷，比如往往依赖人工经验，很大程度上会由于人为的疏忽而难免事故的发生，同时，单一的检测方法都会造成漏检的可能性，因此，在开展开关柜局放检测过程中有必要融合多种传感器同时进行检测，从而提高检出率。此外，伴随着新兴智能技术的发展热潮及其在各领域的应用优势突显，自动化、智能化和多融合的安全监测技术成为目前主流的研究方向。因此，本文基于物联网、智能传感器等智能化技术，构建高压开关柜局部放电在线智能监测系统，实现不停电状态下的电力设备运行状态自动监测，使其能尽早发现突发性故障，从而预防开关柜安全事故的发生。

1 智能监测系统

1.1 系统总体结构

图1所示为智能监测系统总体结构图。

图1 变电站开关柜智能监测系统

如图1所示，变电站开关柜智能监测系统由3个部分组成，分别是底层感知层，中间数据汇聚层以及顶层平台层。

底层感知层主要包含无线监测主机，它是一款集温度传感器、局放传感器工作状态的监测、现场温度显示，报警提示和输出，事件记录及数据记录于一体的智能网关设备。其中，根据传不同型号配置以及不同类型划分，传感器主要有超声波（AE）暂态地电压（TEV）传感器、特高频（UHF）传感器、温度传感器等。这些传感器用于接收局部放电产生的一系列声波信号、电磁信号、电流信号、温度参数。

中间数据汇聚层是系统的核心层，它搭建了局放集中采集在线监测主机，智能监测电力设备状态。该层通过对各类智能传感器、智能网关的管理与协调，接收实时监测数据，对数据进行智能分析，为电力设备的状态管控提供支撑。它搭载12寸液晶显示界面，可以显示传感器各类数据图谱和相关报警信息。此系统界面美观易用，包含站点总览、监测数据分析、预警告警管理、监测仪器管理、档案管理、用户中心以及系统管理等功能。在数据通信上，该层能与底层感知层中的局放传感器进行无线通信，可接收传感器检测数据和配置传感器参数，根据局放数据进行缺陷诊断，同时能对局放传感器进行同步采集控制，发送同步校时命令。此外，它还能与云平台进行通信时，实现数据和自定转发。

平台层能对电力设备状态智能监测系统进行部署，根据应用场景将其部署在包含监测主机等在内的用户终端，包含平台服务器等在内的云平台以及手机端等平台中。基于此，该平台可实现对底层智能传感器和汇聚节点的管理、协调和监控，监测数据展示、存储和管理，具备一定的数据分析和诊断功能，在发现异常信号后，主动推送预警信息。

1.2 智能传感器

本文在对开关柜局放检测过程中，同时融合多种智能传感器进行检测，如图2 所示，涉及了暂态地电压（TEV）超声波（AE）二合一智能传感器，特高频（UHF）传感器以及温度传感器等，用以提高检出率。各类智能传感器功能分析如表1所示。

图2 各类型传感器

表1 各类智能传感器功能分析

1.3 智能监测系统

智能监测系统通过以下功能模块实现对开关柜相关电力设备状态的监测。

站点总览。在一次接线图中展示所有测点位置分布及测点数据分析结果，可直观体现所辖范围内的整体运行情况。

监测数据分析。系统中的诊断算法自动对监测数据进行分析，同时提供了各测点的历史趋势分析、多测点多参量的对比分析功能，辅助分析异常发展态势。

预警告警管理。系统可集中管理预警、告警信息，提醒用户重点关注，现场处理后可对异常信息进行确认消缺。实际测量到的参数值超过报警值时进行声光报警，并带有语音报警功能。

监测仪器管理。系统可管理、配置智能网关及各类智能传感器，通过影子设备管理可设置信号的采集间隔，建立传感器与测点间的关联关系，为网关和传感器升级固件。

温度监测。在监控系统上集中显示被测各点的温度值。

档案管理。配置变电站、间隔单元、一次设备、测点等信息

用户中心。包含对用户帐户管理、用户角色管理、数据权限管理

系统管理。设置系统运行参数，查看系统日志。

远程通信。系统提供RS485 总线通信方式，以满足远程通信。

2 具体实施方案

2.1 开关室配置

10 kV 开关室长约27 m，宽约9 m，包含营13双阳北395弄11开关柜，10 kV 1号电容器开关柜和营18备用等在内的44面开关柜。因此，须安装智能传感器44只，站端监测单元1台。

2.2 传感器安装

每面开关柜前后柜面各安装一台智能传感器，采用磁吸式安装方式。前柜具体安装位于前中左上方，后柜具体安装位于后下右下方，如图3 红色方框所示。

图3 传感器在开关柜上的前柜（左）和后柜（右）安装位置

2.3 站端监测单元安装

站端监测单元安装在距离进门17 m 的墙壁上，2 号排风扇上侧，距离地面高度1.5 m。具体位置如图4所示。

图4 站端监测单元安装位置

2.4 电源及通信电缆布线

站端监测单元电源电缆布线：站端监测单元从旁边检修电源箱取电，距离站端监测单元约1.5 m距离。检修电源箱与站端监测单元之间电缆走线采用PVC穿管的方式。

智能传感器电源电缆布线（若外接电源）：当选择内置电池供电方式时，传感器不须再额外布线。当选择外接电源供电方式时，传感器须额外外接电源线。开关柜后柜带柜内照明灯，可以从该位置取电。柜内照明灯如图5所示。

图5 柜内照明灯结构图

开关柜前柜须从二次设备室取电，经过小母线箱到达传感器位置，如图6所示。

图6 前柜传感器取电走向

2.5 系统调试

传感器及站端监测电源接线完毕后，开始系统调试。确认数据能够正常上送，传感器检测位置与数据平台一一对应。调试完毕后，记录所有传感器的配置表和系统用户名、密码等关键信息，形成调试报告。系统带电试运行72 h，检查数据上传情况和传感器运行状态，确保无问题后，调试工作结束。

3 结束语

为了更有效准确地监测变电站开关柜运行状态，预防局部放电事故的发生，本文融合新兴智能技术，进行了基于智能监测系统的开关柜安全研究。首先构建了智能监测系统，该系统由感知层，数据汇聚层以及平台层构成，共同实现不停电状态下的电力设备运行状态监测。感知层通过暂态地电压、超声波、特高频、温度等智能传感器监测技术，实现对开关柜运行状态的智能感知；数据汇聚层和平台层通过智能诊断算法、多维度对比分析，实现监测数据的智能分析、设备状态的智能诊断，实时掌握运行状态，及时发现缺陷问题，评估推送异常信息及检修策略建议。最后，具体的实施方案使得智能监测系统得以落地，实现了实时在线的开关柜智能安全监测。