毕昊林 王加友 黄良栋 刘峥嵘

（1．烟台东方威思顿电力设备有限公司，山东 烟台 264003；2．烟台东方威思顿电气有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

柱上开关是架空线路配电自动化的核心设备，安装数量多、分布广、运行环境恶劣，其可靠性直接影响了电网安全。近年来，电网公司联合设备厂商分阶段开展了柱上开关一二次融合的研究设计工作，取得的关键技术成果包括使用电子式传感器代替电磁式互感器，增加单相接地故障判别功能和支撑同期线损采集等。柱上开关已实现了集成化、小型化，但在智能化方面还不足，特别是设备状态感知、自诊断等方面。

目前，一二次融合开关的状态监测主要是基于电气量和馈线自动化终端本身的报警信息，通过评估算法进行间接监测。王东方等提出采用组合加权法确定指标权重并结合模糊综合评价法对一二次融合柱上开关状态进行评估[1]。侯慧等分析了目前配电开关及其控制器的可靠性，提出迫切需要采用智能化的方法对开关进行监测[2]。随着电力物联网的快速建设，迫切需要运用物联网、边缘计算技术提升设备状态的感知水平，为配电网大数据应用创造基础[3-5]，实现柱上开关“一体化、小型化、通用化、智能化、经济性”，从定期检修提升为状态检修的目标，降低开关设备的维护成本。

该文在数字式一二次融合开关的基础上，研究了利用边缘计算技术对一二次融合开关进行状态监测，对总体架构和关键技术进行了探讨，为柱上开关的智能化打下坚实的基础。

1 总体架构

柱上开关智能监测系统利用先进的传感器技术、物联网技术，通过各类传感器采集设备的运行状态，对数字化信息进行边缘计算就地处理。

选取与一次设备同寿命、低成本、高效能的传感器，传感器和汇集单元实现与一次设备本体的融合设计制造，设备状态监测传感信息与线路电气量信息融合。全面掌握设备的健康状况，实现状态检修。边缘物联代理汇集了各类传感数据，通过边缘计算分析各类业务模型，实现柱上开关的动态评估。这些业务模型将包括机械特性分析模型、发热特性分析模型、绝缘特性分析模型、灭弧室电寿命分析模型以及综合分析模型等。

2 设计方案

2.1 多源异构传感器选型

2.1.1 霍尔型电压/电流传感器

霍尔型电压/电流传感器用来监测分合闸线圈波形、储能电机波形和时间，安装在断路器操作机构箱内的导轨上，分合闸回路和储能电机回路的电流线分别穿过霍尔元件孔，通过通信电缆将实时采集的信号经过抗混叠滤波、幅值调整后，接入传感器汇集单元。

2.1.2 振动传感器

操作机构振动信号通过压电式加速度传感器进行采集，内置微型IC集成电路放大器，将断路器分/合时的振动信号转换成电信号。

2.1.3 无线测温传感器

无线测温传感器使用螺栓固定并安装在断路器进出线铜排上。无线测温收发器接收无线温度传感器温度信号，并通过RS-485接口转发至传感器汇集单元。

2.1.4 组合式电压/电流传感器

组合式电压/电流传感器采用高阻抗高温度稳定性分压器核心技术，解决温度稳定性和抗干扰问题。同时满足计量和保护的精度要求，无铁磁谐振风险，二次侧输出安全的低压信号，无开路或短路故障。

2.1.5 S F 6气体压力和温度传感器

SF6气体压力和温度传感器通过先进的温度补偿算法，实时测量计算SF6气体的压力、温度和密度。具备RS-485接口，气体状态监测结果实时传输至传感器汇集单元。

2.2 传感器汇集单元设计

为了避免各相关系统间互相切换的情况发生，对不同数据传输标准、接口和数据格式不一的监测传感器进行整合，解决一二次融合的柱上开关智能监测数据的多源化和异构化。将传感器采集的多源异构数据集成至该单元。

传感器汇集单元包括转换编码模块，该转换编码模块主要由电流信号调理电路、测量电流信号调理电路、多通道数模转换器、传输报文编码器、曼彻斯特编码器、隔离发送器、阻抗变换器以及电压信号调理电路等部件构成。

传输报文编码器按照IEC60870-5-1规定的FT3帧格式标准的数据通道，映射确定的顺序，将来自多通道模数转换器的数据组成串行通信报文，按5 Mbit/s的速率传送至隔离发送器。

传感器汇集单元与边缘物联代理（FTU）之间的通信信息建模遵循IEC 61850第二版状态监测逻辑节点[6]。

2.3 边缘物理代理设计

在满足馈线自动化终端标准化设计功能的基础上进行物联网化、智能化、模块化设计。采用符合国家电网公司标准的加密设置，确保通信安全。

按照配电物联网的边缘计算标准框架，将其分为基础设施即服务、软件即服务、平台即服务3层架构，边缘侧管理和安全贯穿始终。通过软件定义的方式，实现终端硬件和软件功能的解耦。

从功耗和行业的特性考虑，边缘计算硬件平台采用ARM-based+AI多核计算架构，对主频规格结合业务需求进行综合平衡设计。

软件平台抽象为双系统，即网络操作系统和开放平台容器操作系统。双系统间通过以太网进行通信。网络操作系统管理所有的网络通信接口，容器操作系统接入存储设备，并运行第三方客户应用。

边缘计算的核心是业务实现层，由多个独立业务应用App构成，App采用统一规范的解耦设计，可任意组合部署。

3 关键技术

3.1 数字化传输

根据前期一二次融合的实践经验，由于传感器输出的信号为模拟小信号，10 kV组合式电子传感器额定状态下的电压输出为3.25 V，电流为1 V，其余传感器多数为4 mA～20 mA信号，在10 m以上的电缆上传输时，极易受到电缆分布电容、空间杂散电容等干扰。典型表现为电缆长度变化、温度变化、抱箍松紧程度均会影响信号的准确度。

传感器汇集单元与传感器就近安装，在信号输入端进行阻抗缓冲处理，相当于负载阻抗无穷大，将传感器输出的模拟小信号转换为数字信号，在长线传输过程中不引入附加误差。采用带电插拔的设计，可通过绝缘操作杆方便进行带电更换，便于设备的运维管理。

3.2 智能分析模型

根据柱上开关状态研判需求，选择5个标准化智能分析模型，由边缘物联代理装置以微应用方式搭载，对柱上开关的运行状态进行实时评估和主动预警。

3.2.1 机械特性模型

机械特性模型用于柱上开关的操作机构的故障预判，采用霍尔电流传感器监测合/分闸线圈和储能电机电流，振动传感器监测机构关键位置的振动信号，同时与正常模式下的电流、振动信号波形进行比较，判断柱上开关的机械部件是否出现异常情况。与控制/保护系统完全隔离，即便是在故障情况下也不会对开关的正常运行操作产生任何影响。

3.2.2 发热特性模型

基于负载变化的发热特性模型用于分析柱上开关及隔离开关的运行状态，采用无线传输模式的温度传感器，实时监测核心部位的运行状态，例如环境温度以及断路器进出线触臂、隔离开关的关合位置，实时监测基于负载的温升动态变化，进而综合判断一次侧的连接是否可靠，有效避免发生故障和出现测温报警盲区。

3.2.3 绝缘特性模型

绝缘特性模型用于分析柱上开关的绝缘状态，采用温度和压力传感器，通过先进的温度补偿算法，实时测量计算SF6绝缘气体的压力、温度、密度情况，进而及时反馈，做好主动预警。

3.2.4 灭弧室电寿命模型

在真空断路器使用数量迅速增长的同时， 由于其维护量小、检修周期长等特点， 工作人员容易忽略真空断路器的电寿命问题，而影响真空断路器电寿命的主要因素是触头的电磨损，其取决于开断时的燃弧能量，燃弧能量的大小由燃弧电流和时间决定。灭弧室电寿命模型用于分析真空灭弧室的寿命预估，主要采用等效方法，通过测量开断电流与时间，采用特定的算法计算开断电流加权值和电流时间累计值，进而推算出灭弧室的电器寿命。

3.2.5 综合评估模型

综合评估模型用于分析一二次融合的柱上开关的整体运行状态。该模型包括相电流、相电压、零序电流、零序电压等基本数据的采集分析，结合机械特性模型、发热特性模型、绝缘特性模型（适用于SF6绝缘）、灭弧室电寿命模型数据，综合实现柱上开关的状态自感知、自诊断等综合研判功能。

4 结语

数字化、智能化是智能电网的发展趋势。依靠传感器、边缘计算，对电力设备进行状态监测，实现状态维修已逐步成为电力设备运维管理的核心理念。

采用边缘计算智能终端及时进行在线诊断，发现设备隐患和故障，进行故障预警，可以进一步提高配电设备的运行可靠性，缩短维修时间，减少人力物力的投入，是一二次融合的柱上开关智能化的重要方向。