1. 在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)簡介
泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，就是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)，包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層四層結(jié)構(gòu)。所謂電網(wǎng)狀態(tài)全面感知就是利用各種監(jiān)測傳感器將電網(wǎng)的實時狀態(tài)檢測到并通過各種通訊網(wǎng)絡(luò)傳給國網(wǎng)的大平臺上，從而實現(xiàn)電力物聯(lián)。狀態(tài)感知層中最重要的就是電力設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測和電力設(shè)備溫升監(jiān)測。我公司研發(fā)生產(chǎn)的高壓設(shè)備局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)和無源無線測溫系統(tǒng)成為了泛在物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，下面分別對這兩個系統(tǒng)做一下詳細的介紹：
A.局放在線監(jiān)測
脈沖電流法是當前普遍認可且廣泛使用的一種局部放電量測試方法，其結(jié)果是以pC為單位的視在放電量，屬于定量性質(zhì)的測量，能客觀反映電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)。每一次局部放電現(xiàn)象都伴隨著正負電荷的中和，表現(xiàn)為一個具有極陡上升沿的電流脈沖，脈沖電流法即通過測量該脈沖電流的大小來計算局部放電量的大小。此技術(shù)在實驗室內(nèi)應(yīng)用很廣，但是實際運行設(shè)備現(xiàn)場由于存在各種形式的電磁干擾，使得此技術(shù)在高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用很少。
我公司經(jīng)過長期研究開發(fā)出基于三相同步脈沖電流法的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過硬件電路很巧妙的實現(xiàn)了電網(wǎng)中各種高頻干擾的濾除，同時在局放監(jiān)測終端也采用了FFT算法進一步濾除高頻干擾，使得整套系統(tǒng)成熟穩(wěn)定的監(jiān)測高壓開關(guān)柜的絕緣狀態(tài)。
B. 無源無線測溫
溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程都與溫度有關(guān)，許多設(shè)備的故障是由異常溫升而造成。在用電緊張、負荷增長迅速的情況下，10kV~35kV開關(guān)柜往往由于制造或使用上的原因，造成觸頭的溫度異常上升；在配網(wǎng)領(lǐng)域，由于現(xiàn)場施工工人或則施工環(huán)境的影響，導(dǎo)致開關(guān)柜的電纜接頭出現(xiàn)異常溫升，如果不及時發(fā)現(xiàn)，不及時維護，有時會造成嚴重的設(shè)備事故。由這種原因造成的惡性事故在國內(nèi)經(jīng)常見諸于報刊。
比如高壓斷路器中正常的導(dǎo)電回路，在正常運行時，長期通過工作電流產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使電器材料溫度升高不會超出?guī)定范圍，但導(dǎo)電回路不正常時，會使電器材料溫度升高超出規(guī)定范圍，而使電器材料的機械強度、物理性能等下降，因此在國家標準中規(guī)定了不同電器材料允許長期工作溫度。在高壓斷路器的結(jié)構(gòu)中，靜觸頭、動觸頭是一個基本元件，在靜觸頭和動觸頭接觸時，它們之間有一個接觸電阻，當電流流過觸頭時，接觸電阻的存在，要引起觸頭的發(fā)熱，如果接觸點的溫度超過規(guī)定值，則會加速動、靜觸頭接觸處氧化，氧化結(jié)果又導(dǎo)致接觸電阻上升，這樣又促使發(fā)熱、溫度增加，因此國家標準規(guī)定了接觸電阻數(shù)值，在這個范圍內(nèi)，不會造成氧化。對額定電壓3kV及以上、頻率50Hz長期工作電器，如斷路器、隔離開關(guān)、封閉式組合電器、金屬封閉開關(guān)設(shè)備、負荷開關(guān)等產(chǎn)品，必須進行發(fā)熱試驗，以保證長期通過額定工作電流下，電器各部的溫度不超過標準允許的數(shù)值。高壓開關(guān)柜內(nèi)母線聯(lián)結(jié)處的接觸電阻有一定要求，在出廠前用“回路電阻測試儀”離線測試，其原理是在母線聯(lián)結(jié)處通過100A直流電流，測出其兩端電壓，即可求得接觸電阻。開關(guān)柜出廠后，由于運輸、安裝、碰擊等致使接觸惡化，接觸電阻增加，特別如手車推入，在插接處接觸不良造成事故，造成供電中斷的事例發(fā)生。
目前對高壓柜的接點溫度監(jiān)測手段僅局限于對接頭、本體溫度等部位進行人工巡檢，而對開關(guān)柜斷路器接點無較好監(jiān)測手段；并且變電站設(shè)備類多量大，要求大量高素質(zhì)維護人員進行設(shè)備管理。
針對在電網(wǎng)領(lǐng)域的泛在物聯(lián)網(wǎng)示范需求，杭州澤沃電子科技有限公司提出了基于局部放電和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)方案。通過局放和溫度數(shù)據(jù)綜合分析，捕捉設(shè)備運行異常，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備事故的早期征兆并采取有效措施，預(yù)防嚴重事故的發(fā)生。采用該綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)可以達到如下的目的：
1.實現(xiàn)全天24小時不間斷在線監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)一越限即報警（聲光報警）；
2.逐步替代人工巡檢，節(jié)約企業(yè)成本；
3.征兆式報警，將事故消滅在萌芽階段，防止事態(tài)的升級、惡化；
4．對各節(jié)點局放、溫度數(shù)據(jù)進行存儲，以便隨時查看及后期分析等。
2. 監(jiān)測對象
開關(guān)柜可以在開關(guān)柜主要部位安裝上無源無線測溫傳感器以達到溫度在線監(jiān)測；由于局部放電監(jiān)測技術(shù)借助于開關(guān)柜已有的帶電顯示用的電容套管傳感器，所以無需再另外增設(shè)傳感器就可以達到局部放電信號采集的目的。
3. 系統(tǒng)構(gòu)成
開關(guān)柜綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)和無源無線在線測溫系統(tǒng)，二者相互配合，綜合監(jiān)測開關(guān)柜的運行狀態(tài)，是電網(wǎng)監(jiān)測領(lǐng)域的重要組成部分，為電力設(shè)備的安全可靠運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。
3.1 系統(tǒng)拓撲圖
高壓開關(guān)柜綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成：局放傳感器、無線測溫傳感器、單通道局部放電分析主機（可接收測溫）、通訊管理機及后臺；
效果結(jié)構(gòu)圖1如下所示：
圖1 系統(tǒng)拓撲圖
4. 在線監(jiān)測系統(tǒng)單元介紹
4.1 局放在線監(jiān)測單元
我公司局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)基于三相同步脈沖電流技術(shù)，共用高壓開關(guān)柜帶電顯示裝置的絕緣子式電容傳感器進行在線局部放電監(jiān)測，檢測方法和結(jié)果符合IEC60270-2000及GB/T 7354-2003標準。
該技術(shù)的優(yōu)點如下：
（1） 高壓開關(guān)柜普遍配置了帶電顯示器，通過一個絕緣子式電容傳感器和LED燈串聯(lián)實現(xiàn)對三相母線帶電情況進行指示。該技術(shù)將該等效電容器作為脈沖電流法局部放電測試的耦合電容器，并通過集成了局放加強器的帶電顯示裝置外接測試系統(tǒng)實現(xiàn)對局部放電的在線監(jiān)測。該技術(shù)使用開關(guān)柜原有的絕緣子等效電容器來進行監(jiān)測，無須再增設(shè)電容傳感器，減少了安裝成本及布線。
（2） 局部放電信號通過高壓母線、同軸電纜傳輸，空間的無線干擾對局放監(jiān)測絲毫沒有影響。
（3） 該技術(shù)采用標準的PD信號發(fā)生器進行在線校準，這一技術(shù)在國內(nèi)還沒有，通過在線校準可以消除開關(guān)柜內(nèi)部各種等效參數(shù)的影響，進而保證檢測的精度，符合國家標準和國際標準。
局放在線監(jiān)測單元技術(shù)原理如下：
圖2 測量回路
當現(xiàn)場被監(jiān)測高壓開關(guān)柜C1產(chǎn)生一次局部放電時，脈沖電流經(jīng)過耦合電容C2在檢測阻抗Z兩端產(chǎn)生一個瞬時的電壓變化，即脈沖電壓U，脈沖電壓經(jīng)傳輸、放大和顯示等處理，可以測量局部放電的基本參量。
局部放電在線監(jiān)測單元傳感器是環(huán)網(wǎng)柜原有的耦合電容套管傳感器，通過同軸電纜將耦合到的局放信號傳輸?shù)絾瓮ǖ谰址欧治鲋鳈C上，耦合電容傳感器和單通道局放分析
主機如圖3所示。
圖 3 局放在線監(jiān)測系統(tǒng)組成
一套在線監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測1臺環(huán)網(wǎng)柜的局放和最多12點測溫，從而達到了很高的性價比。此主機同時也可以將收集到的局放和溫度信號通過433MHz無線發(fā)送到通訊終端上，組網(wǎng)非常方便。由于此技術(shù)是三相同步采集，所以可以根據(jù)上位機相圖軟件進行圖譜識別，很方便的判斷出局部放電發(fā)生在某一面柜子的某一相上。
系統(tǒng)連接圖如圖4所示
圖4 局放系統(tǒng)連接圖
現(xiàn)場安裝運行情況：
2018年青島上合峰會，100套局放在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝運行在青島的重要供電區(qū)域內(nèi)，如主會場、領(lǐng)導(dǎo)人酒店及很多旅游景點，為青島上合峰會順利召開，提供了電力保障，具體效果如下：
圖5 青島現(xiàn)場安裝圖片
當時運行了100套局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，由于施工周期很短，工人在電纜頭施工時，會存在各種問題，如：絕緣層損壞，在冷縮時里面遺留鐵屑和汽包等，這樣在線路通過高壓時，就會有局部放電產(chǎn)生，當時發(fā)現(xiàn)了7例放電，我們的技術(shù)人員就建議青島供電局著重觀察這7臺環(huán)網(wǎng)箱的放電趨勢，這樣就大大縮減了供電局運維的范圍，不僅節(jié)省了運維成本，也非常準確，及時的發(fā)現(xiàn)了電網(wǎng)存在的絕緣問題。下面就其中一處案例來介紹一下：
圖6 與英國EA的手持設(shè)備圖譜對照
如上圖6所示，此在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測到的局部放電圖譜與英國EA手持設(shè)備檢測到的放電圖譜基本一致，但是幅值明顯高于英國EA的，所以此技術(shù)的檢測靈敏度還是相當高的，青島供電局對此技術(shù)做出了很高的評價。
4.2 無源無線測溫在線監(jiān)測單元
我公司的無線溫度傳感器是基于美國TI公司的無線數(shù)字通信技術(shù)及低功耗技術(shù)、EH技術(shù)而研制的高性能產(chǎn)品。
新一代無線溫度傳感器采用了多重抗干擾措施以及特有的軟件算法，經(jīng)過了國內(nèi)西高所、開普實驗室、浙江省中試所、浙江省質(zhì)監(jiān)局等多家權(quán)威機構(gòu)測試認證，并且在國內(nèi)許多工業(yè)現(xiàn)場得以成功應(yīng)用。體積小巧，安裝方式靈活多樣，將開關(guān)柜溫升監(jiān)測提升到一個新的高度。
無線溫度傳感器參數(shù)如下表所示：
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工作環(huán)境 |
-40～85℃, ≤95%RH |
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工作頻段 |
433MHz |
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發(fā)射功率 |
<10dbm |
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傳輸距離 |
≥150m |
視距，實際情況據(jù)現(xiàn)場條件而定 |
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測溫方式 |
接觸式 |
體積輕小，優(yōu)先安裝動觸頭 |
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測溫范圍 |
-45～+125℃ |
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測量精度 |
±1℃ |
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測量間隔 |
5S |
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發(fā)送間隔 |
20～60S |
溫度越高發(fā)送間隔越短 |
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休眠功耗 |
<3.0uA |
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發(fā)射功耗 |
<15mA |
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供電方式 |
能量收集 |
啟動電流≥5A |
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使用壽命 |
10年 |
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可維護性 |
后期基本免維護 |
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外形尺寸 |
27.28×22×9.8mm |
傳感器主體尺寸 |
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安裝方式 |
固定式 |
可安裝環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭以及母排、電纜進出線 |
圖 7 無線溫度傳感器 BD 27.28×22×9.8mm
現(xiàn)場安裝運行情況：
圖9 測溫傳感器現(xiàn)場安裝圖片
如上圖所示，我公司生產(chǎn)的測溫傳感器也廣泛的應(yīng)用于配網(wǎng)領(lǐng)域，也為電力用戶監(jiān)測到了很多由于施工和設(shè)備絕緣老化導(dǎo)致的溫升狀況，為用戶避免了很多事故。
4.3 單通道綜合在線監(jiān)測主機
圖10 單通道綜合在線監(jiān)測主機圖片
具體參數(shù)如下表所示：
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局放數(shù)據(jù)處理部分 |
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原理 |
三相同步脈沖電流法 |
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通道數(shù)量 |
單通道 |
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通訊方式 |
RS485/光纖 |
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接口 |
USB-B |
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工作電壓 |
AC 220V 50Hz |
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功耗 |
5W |
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工作溫度 |
-40~70℃ |
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額定測量范圍 |
0~1000pC |
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監(jiān)測覆蓋范圍 |
電容傳感器前后5m，電纜1m |
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超限報警 |
門限可設(shè) |
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防護等級 |
IP55 |
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海拔高度 |
≤4000m |
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耦合電容 |
3PF~150PF 取決于設(shè)計 |
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額定電壓 |
5kV~36kV 取決于設(shè)計 |
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溫度接收部分 |
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RF工作頻段 |
433MHz |
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RF接收靈敏度 |
-110dbm |
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RF傳輸距離 |
＜500m（空曠） |
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傳感器采集點數(shù) |
72（8組） |
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安裝方式 |
導(dǎo)軌式、壁掛式 |
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外形尺寸（長*寬*深） |
200*120*60mm |
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后臺部分 |
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配置機型 |
根據(jù)用戶需求選擇知名品牌工控機（系統(tǒng)為WIN7及以上版本） |
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供電方式 |
AC220V或DC220V |
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硬件配置 |
內(nèi)存≥8G、硬盤1T以上、酷睿I7以上CPU |
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顯示要求 |
實時數(shù)據(jù)、歷史曲線、二級超限報警設(shè)置、一次圖、工程分組、瀏覽權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)導(dǎo)出 |
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報警功能 |
具有告警短信通知功能 |
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通訊功能 |
串口、以太網(wǎng)口、modbus協(xié)議、IEC61850協(xié)議 |
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可訪問性 |
可通過瀏覽器訪問 |
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數(shù)據(jù)容量 |
可接入不少于60000只無線測溫傳感器，并記錄數(shù)據(jù) |
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軟件系統(tǒng) |
SPV2.0系統(tǒng)，BS結(jié)構(gòu) |
5. 安裝服務(wù)
5.1 安裝準備
用戶購買我公司的產(chǎn)品后，請在下列條件滿足的情況下，請?zhí)崆耙恢芡ㄖ夜臼酆蠓?wù)部門：
5.1.1基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完工、線夾或者開關(guān)柜及戶外接點等部位固定就位、母排、進出線安裝完畢。
5.1.2需要后臺的用戶，必須提供現(xiàn)場的平面圖，包括線夾或者開關(guān)柜及戶外接點等測溫點布局、監(jiān)控室與線夾或者開關(guān)柜及戶外接點等測溫點之間平面圖，我們會根據(jù)這些資料準備現(xiàn)場所需的安裝材料，譬如通訊電纜、光纜已經(jīng)其他輔料。
5.1.3現(xiàn)場具備布線的條件，如RS485線光纜的走線槽、穿線孔等。
5.2 施工服務(wù)
5.2.1 施工計劃
施工前明確安裝進度時間，一般安裝時間為2至5個工作日，如有后臺調(diào)試則需與客戶協(xié)商施工進度及時間；如施工安裝由第三方負責(zé)，則我公司有義務(wù)負責(zé)培訓(xùn)第三方工程服務(wù)人員。
5.2.2 現(xiàn)場安全
我們的技術(shù)人員都經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，具備豐富的現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗。盡管如此，還需請用戶為我們提供1-2名現(xiàn)場服務(wù)人員，以保證施工安全和調(diào)試順利。
5.2.3 用戶培訓(xùn)
我們在安裝調(diào)試完成后，會把整個系統(tǒng)交付給用戶，請及時給我們的服務(wù)進行驗收和評價，同時我們會安排專門的用戶培訓(xùn)，指導(dǎo)用戶操作我們的后臺、進行簡單的配置和維護.
