IMU智能运维的数字化中压柜研发.pdf

第四期2 0 2 3智慧工厂SmartFactory51IMU智能运维的数字化中压柜研发Digitalized medium voltage cabinet development for IMU intelligent operation andmaintenance江苏大全长江电器股份有限公司戴罡(DaiGang)，李亚(LiYa)，印军(YinJun)，大全集团有限公司杨全兵(YangQuanbing)，葛飞(GeFei)摘要：数字化中压柜结合传统电力设备与现代技术，可以实现新型电力系统的智能控制、远程监控和高可靠性运维。本文首先介绍了IMU智能运维数字化中压柜的基本原理和系统模块架构设计思路；其次，阐述了IMU智能运维数字化中压柜研发过程中的关键技术，以及各组成单元的功能创新；最后，从三个层面对IMU智能运维数字化中压柜的未来研究方向进行了展望。关键词：IMU传感器，数字化中压柜，智能运维Abstract:Combining traditional power equipment and modern technology,the digital MV cabinetcan realize intelligent control,remote monitoring and high reliability operation and maintenanceof new power system.This paper firstly introduces the basic principle of IMU intelligent operationand maintenance digital MV cabinet and the system module architecture design ideas;secondly,it elaborates on the key technologies in the development process of IMU intelligent operationand maintenance digital MV cabinet,as well as the functional innovations of each constituentunit;finally,it looks forward to the future research direction of IMU intelligent operation andmaintenance digital MV cabinet from three levels.Key words:IMU Sensors,Digital MV Cabinet,Intelligent O&M中图分类号 TP212.6文献标识码 B 文章编号16 0 6-512 3(2 0 2 3)0 4-0 0 51-0 5当前，中国已将低碳减排列入国家重要发展目标，推动构建以新能源为主体的新型电力系统。因此，针对传统输配电设备的能耗过高问题，有必要进行能源优化、过程优化，通过数字化管控，实现电力设备全生命周期管理，降能电力设备的能耗。本项目开展数字化中压开关柜的研发和生产，旨在降低开关柜维护成本，提升我国智能电网基础理论研究水平和工程应用水平。1基本原理和设计思路IMU智能运维数字化中压柜，采用大全智能组件，结合大全智能监测运维系统，与开关设备有机结合实现开关柜温度、断路器机械特性、分合位置等参数的自动采集和存储，通过分析开关柜运行数据，实现对设备的健康管理，减少不必要的停电检修和测试，减少维护工作量和维护费用，提高电力系统的可靠性和经济性。52DISCRETEMANUFACTURING离散制造全方位数字化采集与状态监视UDQ-12无线测温功能状态在线监故障预警与健康状态评估测功能指导运维人员检修及故障处理提高配电房综合运维效率维护检修模式智能转变与提示一级：自动语音拨号设备状态风险评估分级IMU智能运维的数字化中压柜图1IMU智能运维数字化中压柜模块架构图1.1基本原理IMU智能运维数字化中压柜利用“云、大、物、移、智”等前沿技术，打造可视、可测、可控的智慧中压柜。采用最新的在线监测技术，实时采集能二级短信推送够反映电气设备绝缘状态的信息参量，三级：无声屏幕推送根据其数值的大小及变化趋势运用智能提供数字厂牌的可视化巡检增强现实与共享视界专家远程指导实时通讯远程验收与培训动态信息发布及交互运维功能能源管理平台监控平台特点环境监测视频监控安全防卫门禁控制能耗分析系统分析技术，对多面开关柜的电缆的温度、母线桩头的温度、环境温湿度、断路器分合闸机构、及配电柜内部存在的支持在专有网络环境下对数字局部放电等特性状态进行实时分析，智化中压柜进行监视、保护、控制、计量和能耗管理温湿度、烟雾等环境参数监测记录现场图像防盗、火灾报警其他异常报警一卡通系统数字化信息记录分析电能质量、电量消耗、负荷特性及异常耗损提供优化和提升的建议能开关柜可对设备的可靠性实时诊断和对剩余寿命做出预测，根据诊断结果制定出检修方案，为状态维修提供依据。1.2设计思路IMU智能运维数字化中压柜在设计过程中，要求其具备状态在线监测、设备状态风险评估分级、增强现实与实时通讯等多种模块架构，具体如图1所示。图2 IMU智能运维数字化中压柜设计图表1.IMU智能运维数字化中压柜功能创新概述术。名称IMU智能监测单元绝缘监测单元温湿度控制器温度采集传感局放监测单元电动底盘车及及接地开关控制器视频监控单元触摸显示单元边界控制器功能分合闸线圈电流监测储能电机电流监测断路器机械特性监测直流绝缘接地故障监测开关柜环境温湿度监测触头、电缆头温度监测局放监测电动底盘车及接地开关控制断路器、接地刀开关位置监视液晶显示及触控操作功能数据计算并上云创新点概述采集分合闸线圈电流，绘制电流曲线，可以反映出机构卡涩，开关分、合不到位分、合闸铁芯卡死或机构转轴生锈等故障采集储能电机电流，绘制电流曲线，可以反映出储能电机状态。通过采集开关位移数据，计算出断路器超行程、分合闸时间、分合闸平均速度、刚合刚分速度、触头开距，可以判断出开关状态是否良好。实现柜内母线交串直告警、直流互穿告警、柜内接地告警能及时告警，并定位具体回路位置。监测温度、湿度值，能够有效防止因高温、潮湿、结露而引发的各类事故。具备自取电、温度检测和无线传输功能，可以测量断路器梅花触头温度（6 个点）开关柜进线母排搭接处温度（3个点）、开关柜出线母排搭接处温度（3个点）。局放监测单元采用三合一智能传感器，三合一智能传感器，适用于电力系统内的开关柜类设备的状态监测；该传感器集成了TEV暂态地电压、Ultrasonic空气超声、Temp柜体表面温度三种检测技控制电动底盘车和接地开关，可实现远方或就地电气化驱动控制，手动操作和电动操作能够自由切换。可以检测断路器手车电动操作电流、接地开关电动操作电流，在异常运行条件下控制单元能够实现断路器摇入、摇出位置可视化监视，接地开关位置可视化监视。主要汇集IMU监测单元、保护装置、温度监测单元、温湿度控制器、视频监视单元、直流绝缘监测单元、局放监测单元数据并展示，主要展示有主接线图、电压电流等参数、机械特性数据、一键顺控操作、温湿度数据、电动底盘车状态、接地刀状态，计算电寿命和机械寿命。接收触摸显示单元数据，通过4G上传到大全云平台。起到有效保护，防止电机烧毁和机构卡滞。第四期2 0 2 3智慧工厂SmartFactory53根据设计思路，IMU智能运维的数字化中压柜设计图如图2 所示。2关键技术与功能创新IMU智能运维数字化中压柜在研发过程中，开展了三项关键性技术的研究，并实现了多种功能性创新。2.1关键技术研究1、基于优化配置的智能化组件的状态监测技术基于IMU监测模块、无线测温传感器、位移传感器、温湿度传感器、监控摄像头的中压断路器的集成设计；电动底盘车、电动接地开关的设计和集成，提高数字化中压开关柜的安全性和可靠性；设计基于触控显示单元和数字化厂牌的数字化中压开关柜；研究实时监测、故障预警与健康状态评估、按需维修的数字化中压开关柜的产业化。2、基于预防性维护和AR远程指导的全生命周期管理技术基于IMU监测技术研究设备状态的风险等级评估模型，基于设备的风险等研究预防维护系统；基于增强现实技术和音、视频实时通讯技术，研究可视化巡检技术、动态信息发布技术、交互式运维技术，研究全生命周期管理技术的数字化中压开关柜的产业化。3、基于电力监控和能耗分析的电力控制系统及优化技术设计基于数据采集保护控制和辅助控制系统的D6000监控平台，集成基于D6000监控平台的电力监控系统；建立基于电能质量分析模块、电量消耗分析模块、负荷特性分析模块、异常损耗分析模块的能耗分析系统，基于能耗分析结果制定能耗优化策略，研究电力系统优化控制的数字化中压开关柜的产业化。2.2功能创新首先，设计基于IMU监测模块和多个传感器的非SF6气体绝缘断路器，建立实时监测、故障预警和健康状态评估模型，该断路器和模型为实现数字化中压开关柜的全生命周期管理提供了可能。其次，运用独创的基于数据采集保护控制和辅助控制系统的D6000监控平台，结合大全智能监测运维系统，实现对开关设备、断路器的监测、保护、控制、显示和预测，进而对数字化中压开关柜的负载和温升情况综合判断，对断路器和开关状态预警和报警，针对性地提出维护建议，做到提前预测风险。同时用户可借助AR眼镜，接受专家远程指导，优化数字化中压柜运维效率，从而实现全生命周期的数字化中压开关柜的远程状态监测、预警和运维。最后，所有功能创新如表1所示。3未来研究方向3.1.基于优化配置的智能化组件状态监测技术研究设计基于IMU监测技术建立实时监测、故障预警和健康状态评估模型，该断路器和模型为实现数字化中压开关柜的全生命周期管理提供了可能，如图3 所示。基于网络的变电设备在线监测系统分为“三层两网”结构，三层为过程层、间隔层、站控层，两网是站控层网络与过程层网络。其体系结构是面向服务的体系结构，即结构应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。站控层汇总整个变电站所有设备的运行状态量，然后以IEC61850协议将数据上传到省网侧(PMS)。上述的智能断路器在线监测技术的装置属于过程层设备，实时采集智能断路器运行状态模拟参量，根据传感器信号直接处理在IMU监测模块上实现断路器的储能电机电流监测、分合闸线圈电流监测和断路器机械特性监测，进而根据在线监测装置的软件算法分析设计，对采集到的原始状态参量进行计算处理。智能断路器在线监测装置在收到间隔层发送的采集命令后，及时通过CAN总线将计算后的断路器状态量结果上传至智能断路器状态监测IED，最后通过站控层的信息一体化平台送入省网侧的专家软件系统进行分析，后台监控中心专家系统内融合了“粗糙集-支持向量机”的状态评估策略，以进行故障诊断处理。网侧客户端！二GPS高精度时便同步触爱信号一正站控层卫足485/B码信断路器状态检测IEDCAN总线（过程层网络）L一在线监测装置断路器在线监测装置过录波数推程层断路器本体图3 智能断路器在线监测系统结构图基于此，断路器的故障诊断算法步骤如下：1)分析断路器监测数据，选择原始条件属性集，构造出原始决策表；2)利用粗糙集理论对样本实行预处理，首先判断各条客户端监控中心（服务器）口ET/IEC618507（站控层网络）1485/B码位断路器在线监测装置合品用线储能电机电流客户端1位数书移作54DISCRETEMANUFACTURING离散制造件属性的重要程度，将支持度较小的条件属性剔除，然后删除相同的或者错误的样本数据，统计冲突样本，保留相应数据量最大的作为训练样本，去除多余的冲突样本信息，最后对确定决策表的约简集，求出属性的核；3)组建支持向量机二分类的分类器，支持向量机训练粗糙集约简后的样本，并选择合适的核函数和训练参数，初始化其他参数，用二次规划的方法多次训练向量机，直到得到符合要求的结果；4)对输入的待诊断征兆输入到已训练好的支持向量机进行相应的异常分类；5)进行结果分析；将粗糙集一支持向量机状态评估策略融合进后台监测中心专家软件系统中，对智能断路器机械特性在线监测装置采集到的数据进行诊断，从而获得断路器的运行状况及健康程度。3.2.非SF6气体绝缘技术的环保型断路器的研发应用层通讯层感知+边缘计算层电力监控系统智能化中压柜监测单元图4数字化中压开关柜应用系统方案对于中压开关柜来说，其绝缘性能的好坏直接关系到整个开关柜的正常使用，因此对于开关柜来说绝缘性能是其一个重要的质量衡量标准。现行的各绝缘技术的绝缘基本特性和电场特性如表2所示。为了综合发挥各种绝缘材料的优点，未来研究应采用以气体绝缘为主题的复合绝缘技术，将绝缘介质由空气变成了具有更好绝缘效果的六氟化硫气体，同时使用固体能源管理系统1041/5G高以太边用控制器103IED智能电子设备IMU环境控制器智遥维系MQTT高速大网公网）触控显示单元温度智能化采集器断路器SAASS服务器电动电动接地开关底盘车现频监控单元表2.各绝缘技术的绝缘基本特性和电场特性明显绝缘主要绝方式缘材料空气大气压大多数为长间隙的极不均绝缘空气气体SF6气体绝缘固体环氧树绝缘脂油绝绝缘油缘真空绝缘电场特性匀电场通常为较短间隙的稍不均匀电场不均匀电场大多数为不均匀或稍不均匀电场真空短间隙均匀电场绝缘的基本特性击穿电压随间隙长度增加而增加，近似成线性关系，但对于大于3 m的长间隙，击穿电压有饱和趋势，空气密度降低会使击穿电压降低，电极材料及表面状况对击穿电压无明显影响，但易形成局部放电，增加放电电压的分散性间隙长度对击穿电压有明显影响，随着间隙加大，电场的不均匀度会增加，故击穿电压的增加有饱和趋势；击穿电压随气压增加而增大，电场越不均匀，气压越高，越容易饱和；电极表面状况对击穿电压的影响稍微明显一些击穿电压与树脂厚度有明显关系：环氧树脂材质的均匀性与击穿电压有关，应考虑局级发生因素间隙对击穿电压有明显影响，随着间隙增大，电场的不均匀度会增加，故击穿电压的增加有饱和趋势，温度对击穿电压有明显影响，电极材料和电极表面状况对击穿电压的影响不间隙对击穿电压有明显影响，在较长间隙时，击穿电压有饱和趋势；在真空度高于0.013Pa时，绝缘能力与真空度关系甚小；电极材料和电极表面状况对击穿电压有显著影响智慧工厂SmartFactory第四期2 0 2 355的绝缘隔板来做放电线路的绝缘，从而使中压开关柜的绝缘效果大大的提升，同时由于放电间隙大幅度减小，使得整个开关柜的体积大大减少。整个开关柜的外壳采用绝缘材料浇注而成，同时在开关柜的内部使用具有良好绝缘性能的六氟化硫气体，这样使得放电间隙得到最大程度的缩小，使整个开关柜的体积减小。3.3.智能监控平台与检测运维综合应用系统的研发运用独创的基于数据采集保护控制和辅助控制系统的D6000监控平台，结合大全智能监测运维系统，实现对开关设备、断路器的监测、保护、控制、显示和预测，进而对数字化中压开关柜的负载和温升情况综合判断，对断路器和开关状态预警和报警，针对性地提出维护建议，做到提前预测风险。同时用户可借助AR眼镜，接受专家远程指导，优化数字化中压柜运维效率，从而实现全生命周期的数字化中压开关柜的远程状态监测、预警和运维。如图4所示，应用系统采用配电物联网架构，即“系统应用、通讯管道、边缘计算、电气端设备”，以全系列的数字化产品为基础，支撑电力监控、设备运维、能源管理等系统级应用，提供数字化变电、智慧供配电、智慧用电等应用场景的整体解决方案；电力监控系统对电源、供配电设备、用电负荷等进行实时监视和控制，确保本地系统安全运行；设备运维系统提供各类电气设备的数字厂牌、设备故障诊断、预测性维护、专家远程指导等服务，全方位提升用户的设备运维能力；能源管理系统对多种能源系统进行实时监测与统计分析，通过多能互补与多源协同控制，实现节能降耗、“双碳”达标。通过采用上述应用系统，可实现数字化中压开关柜的状态监测评估，可以全方位进行数字化采集、状态监视、无线测温、故障预警与健康状态评估，及时提醒并指导运维人员进行检修及故障处理，极大提高了配电房综合运维效率，将维护检修模式从“计划检修”向“状态检修”的转变；可实现预防性维护，应用系统根据设备状态，评估出设备风险等级，系统自动分级发送相关信息，一级为自动语音拨号、二级为短信推送，三级为无声屏幕推送，警示工作人员予以操作运维；可实现AR远程指导，运用增强现实、音视频实时通讯等技术，提供基于数字厂牌的可视化巡检、共享视界专家远程指导、远程验收、远程培训等围绕设备本体的动态信息发布及交互式运维功能，优化数字化中压柜运维效率，扩展操作人员的能力范围；可实现数据采集控制，在本地专有网络环境下，支持对数字化中压柜进行监测、保护、控制、计量和能耗管理；可实现环境监测-温湿度烟雾监测，视频监控-记录现场图像监测；安全防卫-防盗监测、火灾监测，异常等报警；门禁控制-一卡通和数字化信息记录；可实现能耗分析，以直观的数据和图表对电能质量、电量消耗、负荷特性、异常耗损等进行分析，给出优化提升建议；以及实现定制功能和数据安全。4结束语IMU智能运维数字化中压柜的研发，可应用于火力发电、水力发电、城市供电等多个行业和领域，突破了非SF6气体绝缘开关柜以及智能运维的关键技术瓶颈，提升了我国智能电网基础理论研究水平和工程应用水平，有效推进了我国开关柜绝缘技术革新，降低了开关柜维护成本，加速了我国电力产业数字化，并以电网数字化转型助推了新型电力系统建设，因此具有重大战略性、前瞻性研究价值以及行业和产业技术带动性。参考文献1苏君平.浅谈中压开关柜的数字化 J.科技创新导报，2 0 19,16(28):91+93.2董如春,吴岚,廖苏等.中压配网拓扑线变中数字化无线传感器的应用 J.信息技术,2 0 2 2(0 8):16 7-17 2+17 8.3刘汉文.中压柜智能化改造系统在海上某平台的应用 J.数字技术与应用,2 0 2 2,40(12):6 5-6 7.4尹康涌,梁伟,杨吉斌等.电力作业场景中一种高效的UWB和IMU融合定位算法 J.中国电力,2 0 2 1,54(0 8):8 3-90.5刘磊,许晓伟,周桂珍等.基于UWB和IMU的电力巡检机器人定位方法 J.自动化博览,2 0 2 2,3 9(0 4):46-51.基金编号：镇江市产业前瞻性与共性关键技术重点研发项目（GY2019033)