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基于物联网的10kV真空断路器分布式监测系统的研究

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安晓华

摘要：设计了一种基于物联网10kV真空断路器分布式监测系统。感知层通过多个传感器及分布式采集终端实时监测和采集断路器的动触头行程曲线、主回路电流、分合闸线圈电流、触头温度和辅助接点信息。网络层综合运用高效的物联网通讯技术进行信息传递和交互。应用层运用先进的多源信息数据融合算法，评估断路器的健康状态，并预测断路器运行发展趋势，为运维人员合理的维护和检修决策。

Abstract： The authors designed a distributed monitoring system for 10kV vacuum circuit breakers based on the Internet of Things. The sensor layer uses multiple sensors and distributed acquisition terminals to monitor and collect the circuit breaker's moving contact travel curve， main circuit current， coil current， contact temperature and auxiliary contact information in real time. The network layer comprehensively utilizes efficient Internet of Things communication technology for information transmission and interaction. The application layer uses the advanced multi-source information data fusion algorithm to evaluate the health state of circuit breakers and predict the operation development trend of circuit breakers， so as to make reasonable maintenance and overhaul decisions for operation and maintenance personnel.

關键词：物联网;真空断路器;在线监测;状态评估

Key words： Internet of Things;vacuum circuit breakers;on-line monitoring;state evaluation

中图分类号：TM561.2;TP277 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2020）08-0261-04

0 ?引言

真空断路器在供配电系统中数量多、分布广，其大多置于电气箱柜中用于保护和控制高压电气设备。同时，作为变电站内需经常频繁操作的开关器件之一，能否安全稳定运行对电力系统来说显得尤为重要。当断路器发生故障时，不仅对其保护的电气设备造成危害，影响正常的生产生活，还会造成严重的经济损失[1]。根据相关统计，在供配电系统中，超过六成以上的停电事故、时间及维修是由断路器故障引起的。因此，及时获知断路器开关状态，综合监测各项实时状态参数，有利于及时解决潜在的故障隐患，防止停电事故的发生及进一步扩大，降低维护成本[2-3]。

断路器传统的监测方式以离线检测和定期检测为主，运维人员通过使用试验仪器或检测设备对断路器进行检测，但这些仪器存在体积大、接线复杂、测量误差大等诸多弊端。直到上世纪90年代，断路器的在线监测技术才开始逐步发展，并随着不断深入研究和成果的取得，国内外的电力行业已开始愈来愈重视断路器监测技术的发展，如法国阿尔斯通公司首次研制成功的用于Grizzly变电站的高压断路器在线监测系统，美国哈撒威公司生产的BCM200型系统，清华大学研制了用于监测分、合闸电流、行程曲线及振动信号的CBA-1系统，国家电网电力科学研究院研制KZC-1型在线监测仪等[4-5]。虽然针对断路器的在线监测装置层出不穷，但几乎都只对其单一或少数特征参量进行监测，存在部分项目的监测方法和结果适用性不理想及缺乏综合性监测的问题。

基于断路器复杂的故障原因和多样的特征信号，本文设计一种基于物联网的10kV真空断路器分布式监测系统，实时采集断路器的动触头行程曲线、主回路电流、分合闸线圈电流、触头温度和辅助接点信息，运用分布式采集终端获取断路器的综合特征参量，并运用先进的多源信息数据分析算法，对断路器的状态进行诊断并进行评估，为运维人员合理的维护和检修决策。

1 ?泛在电力物联网

物联网技术是利用传感器或特定的采集装置将各种物体接入系统，实现物与物、物与设备信息的连接，通过通讯设备将采集的信息数据上传至控制主站或远方控制平台，对信息数据进行处理分析，进而实现人与物之间的连接[6]。物联网技术实际是在互联网技术基础上延拓的一种网络技术，自动实时对设备进行识别、监控、定位、追踪并触发相应事件，其中最重要的是对运行数据、监控指令进行无线传输，从而实现设备的实时控制和管理[7]。2019年3月，国家电网颁布了《泛在电力物联网建设大纲》，此大纲的颁布预示着物联网技术在电力系统上的应用将更加广泛，包括电力设备在线监测和状态评估将进入快速发展的阶段。

2 ?真空断路器监测内容及特征量提取

通过对开关设备运行情况的调查统计可知，拒动和误动是真空断路器发生最为严重的故障。通过对故障原因、机理及断路器性能与特征参量的关系分析，并考虑到目前实际技术水平及成本因素，本文选择以下特征量作为监测内容，这些监测内容完全能够对断路器整体性能进行评价。

2.1 断路器动触头行程的监测[8] ?断路器分、合闸行程-时间特性是反映其机械特性的重要参数，既可以对断路器的生锈、变形、机构磨损等机械故障进行诊断评价，也可以通过其得到的分合闸速度、刚分、刚合速度等参数对断路器的电寿命进行评价。由于断路器动触头位于密封的灭弧室内，而真空断路器又置于空间狭窄的电氣箱柜中，所以位移传感器的安装位置是重点考虑的问题。本文选用一种导电塑料角位移传感器，通过固定件将其与断路器侧面的主轴连接，由于主轴远离高压部分，则角位移传感器与断路器一次部分非直接接触，对断路器绝缘特性和机械特性都不会造成影响，并且主轴附近有较大的利用空间，可方便安装角位移传感器。因此，通过触头行程位移与主轴转动角度的对应关系得到分合闸角位移曲线，进而得到直线位移曲线。

2.2 分合闸线圈直流信号的监测 ?根据电流波形可以掌握断路器机械操作系统的情况。本文选用霍尔电流传感器采集整个分合闸过程中的线圈回路直流电流。该电流传感器利用半导体材料的磁敏特性，通过测量其磁感应强度，推算待测的电流值。由于磁通相互补偿，铁芯体积可以做的很小，既可做成铁芯固定的贯穿式结构，也可做成钳式结构，且分、合闸线圈回路引线穿芯而过，对断路器正常运行不会造成影响[9]。

2.3 触头温度特性的监测 ?断路器触头发热严重，将严重影响其机械特性，进而造成设备损坏及停电事故。但直接测量触头温度存在高压绝缘、强磁场干扰等问题[10]。本文采用无源无线测温传感器可有效解决直接接触式测温存在的问题，该传感器通过收集断路器周围丰富的电磁能，并将其转化为自身所需的电能，摆脱了传统电池供电和CT取电的弊端。无源无线传感器将采集的温升信号采用无线方式进行传输，实时获知真空断路器触头发热情况。

2.4 主回路电流信号的监测 ?通过电流互感器得到主回路电流的换位点，确定时间参量[11]，再根据角位移传感器得到的位移参量可确定行程-时间曲线，从而提取合分闸时间、速度、开距以及超程等机械参量。

2.5 辅助节点的监测 ?真空断路器的机械结构与辅助接点相连接，辅助节点随着断路器的动作而发生动作变位，从而有效地指示合分状态。本文为准确获取辅助接点的状态，将辅助触点开关量接入监测系统，通过系统软件界面直观判断断路器合分闸状态。

3 ?分布式监测系统结构设计

基于物联网的层次架构，本文设计的10kV断路器分布式监测系统总体结构如图1所示。该系统主要分为感知层、网络层、应用层。其中感知层由多个传感器及分布式采集终端构成，负责信号采集及上传;网络层综合运用多种通讯方式，并可以通过包括61850在内的规约进行数据传输与交互，包括传统的有线通讯以及目前最新的NB-IoT（窄带物联网）及4G通讯方式;应用层为站内主站与远端主站，站内主站负责对分布式采集终端的信号进行储存、计算、分析，并利用其内部相关算法对断路器状态进行在线监测和评估，远端主站负责接收显示断路器状态并对运维人员进行分发。

4 ?分布式采集终端硬件设计

本系统分布式采集终端硬件平台采用集成Intel J1900/2.0G主频四核核心处理单元，扩展外围功能电路，主要包括：模拟量输入调理电路、电源模块、存储器扩展模块、通信接口。（图2）

4.1 模拟量输入调理电路

模拟量输入调理模块采用AD7606芯片，16位、8通道，最大200kHz同步采样模数数据采集系（DAS）。器件内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、采样保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近模数转换器（ADC）、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口，如图3所示。

AD7606采用5V单电源供电，可以处理±10V和±5V真双极性输入信号，同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可以耐受高达±16.5V的电压。无论以何种采样频率工作，AD7606的模拟输入阻抗均为1MΩ。它采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。AD7606抗混叠滤波器的3dB截止频率为22kHz;当采样速率为200kSPS时，它具有40dB抗混叠抑制特性。灵活的数字滤波器采用引脚驱动，可以改善信噪比（SNR），并降低3dB带宽。

4.2 通讯接口

通讯接口包括常用的485/232等串口外，还有网口、USB接口以及兼容泛在物联网的4G通讯接口等。

5 ?系统软件设计

根据上述对分布式监测系统总体结构设计和硬件结构设计的描述，该系统在软件设计上需要实现以下功能：

①数据采样和处理，即对断路器分合闸线圈电流信号、动触头运动行程信号、触头温度信号、主回路电流信号、辅助节点信号进行采集，并实现对分布式采集终端所采集获得的信号进行相关算法处理;

②实现站端主站对各类监测参量的显示;

③报警处理，包括报警记录和显示;

④波形记录，包括处理前后的各种特性参数数据的记录及断路器动作参数的记录;

⑤数据通信，包括各种信号采集数据的上传及站短主站和远方主站的信息交互等。

基于以上功能要求，所设计的软件系统主要由数据采集、数据处理、波形记录、故障判别及分析、数据通信等组成。通过上述软件系统，利用多源信息数据融合技术，在故障发生之前对断路器进行积极、主动维护。软件系统的主程序流程如图4所示。

6 ?结束语

在断路器健康状态监测中应用物联网技术，将确保远方运维人员及时掌握其运行健康状态，进行状态评价和故障诊断，对延长断路器检修间隔、缩短检修时间、提高可靠性、延长使用寿命、减少运行检修维护费用等都将产生深远的影响。本文设计了一種基于物联网的10kV真空断路器分布式监测系统，通过设计的分布式采集终端采集断路器的触头行程、主回路电流、分合闸线圈电流、触头温度和辅助触点信息，利用综合性的监测技术和高效的物联网通讯技术，准确地掌握断路器运行状态，运用先进的多源信息数据融合算法，评估断路器的健康状态，并预测断路器运行发展趋势，运维人员可义此制定合理的维护计划和检修决策并可在最短时间内做出调整。

参考文献：

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[5]杨壮壮，徐建源，李斌，等.高压真空断路器机械状态监测系统研制[J].高压电器，2013，49（8）：26-34.

[6]宁焕生，徐群玉.全球物联网发展及中国物联网建设若干思考[J].电子学报，2010，38（11）：2590-2599.

[7]孙小江，李键，朱勇，等.物联网技术在小水电站在线监测及故障诊断的应用[J].电气设计，2017，10（A）：61-62.

[8]钟家喜，李保全，李亚红.高压断路器机械状态诊断与监测技术的探索与实践[J].高压电器，2011，47（2）：53-60.

[9]熊小伏，孙鑫，蔡伟贤，等.基于DSP及ARM的分布式高压断路器机械特性监测系统[J].电力系统保护与控制，2009，37（6）：64-68.

[10]陈振生，王嘉.基于Zigbee高压开关触点温度的在线监测技术[J].电工电气，2010，05：44-46.

[11]刘为.10kV真空断路器综合特性在线监测装置的设计与研究[D].沈阳工业大学，2015.

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