一、前言
隨著我國電力事業的迅速發展和電力自動化系統的突飛猛進，電力設備的定期檢修工作越來越不適應電力生產實際的需要，實行帶電運行時健康態勢的在線監測技術逐漸引進至了電力系統運維檢修研究領域。
開關柜、空氣絕緣敞開式開關設備（簡稱AIS）、氣體絕緣金屬封閉開關設備（簡稱GIS）等開關設備在發電、輸電、配電和電能轉換的過程中進行開合、控制和保護用電設備，是電力系統中執行保護跳閘的執行元件，重要性僅次于變壓器和發電機。正常運行時開關設備完成倒換運行操作，把輸變電設備接入電網或退出運行，起運行控制作用；當輸變電設備發生故障時能快速切斷故障線路，保證設備正常運行，起保護作用。但開關設備也是集故障、檢修、參數監測頻次最多的電力設備，運行過程中存在很高的故障率，易引起事故而造成較大的經濟損失，因此對其可靠性提出了非常高的要求。
據相關統計，變電站維護費用的50%以上是用在開關設備上（其中60%是用在開關設備小修和例行檢修上，而故障的10%是由不當檢修導致）。開關設備大修須解體，且既費時又費錢（達到整套開關設備購買成本的30%~50%）；而重新裝配又會預埋了很多隱患， 因此針對開關設備帶電運行時的健康態勢在線監測與評價是極有必要。
二、系統概述
GZSC-01系列開關柜多參量監測與融合評價系統專用于變電站/配電室中開關柜的斷路器分合閘線圈電流/電壓、溫/濕度（電氣接點溫度、電纜室紅外熱成像、開關柜內外環境溫/濕度等）、局部放電以及需方的其他參數（如斷路器分合閘的時間/行程等）監測，通過融合分析監測的數據和相關歷史數據，診斷出開關柜當前的工作狀態，為狀態檢修提供決策依據。通過在線監測及時掌握開關柜的工作狀態、缺陷部位，避免過早或不必要的停電試驗和檢修，減少維護工作量和降低維修費用，有效的提高檢修的針對性，可顯著提高電力系統可靠性和經濟性。
GZSC-01系統針對開關柜運行隱患的復雜性，可靈活定制組合式的多參量監測方式。在本系統中，由各個多功能電力儀表（電流、電壓、功率、功率因數、電能等）、開關柜內外環境溫/濕度在線監測單元、電氣接點溫度在線監測單元、局部放電在線監測單元等組成的多參量采集子系統，對開關柜實現了多維度的監測。報送的各項參量在管理端電腦的大數據分析系統軟件上開展多維度融合分析后對開關柜做出健康態勢的智能研判。
三、系統組成
GZSC-01系統的采集子系統的所有監測單元采用無線聯網的方式連接到服務器以及PC端，以實現監測數據可收集以及可分析。為了便于更好的監測開關柜的性能態勢，并且能夠及時發現以及處理開關柜故障隱患，本系統具備以下特性：在線監控，數據可視化（數據收集以及分析等），數據存儲、查詢和統計，安全報警（可分預報警以及緊急報警）。GZSC-01系統主要由以下四部分組成：（系統架構圖如下頁的圖1所示）
●采集子系統：采集和接收無線無源溫度點、分合閘線圈電流/電壓、局部放電、環境溫/濕度、多功能電力儀表等信號（可根據監測需求而自由選配）。
●通訊管理機：負責協調各個監測單元和服務器之間的數據交換。
●數據服務器：存儲、管理采集的和處理的數據，B/S架構。
●管理端電腦：內置系統操控、數據分析軟件的工控電腦。
3.1采集子系統
所采集的數據通過無線連接到通訊管理機，通訊管理機可實現遠距離信息接收及整合，然后傳輸給GZSC-01系統的數據服務器。其中，開關柜內外環境溫/濕度在線監測單元、電氣接點溫度在線監測單元使用RS485通訊模式；局部放電在線監測單元使用RS485或RJ45通訊模式。
在電氣接點溫度在線監測中，溫度傳感器直接安裝在電氣接點上，以1次/秒的頻率采集電氣接點的溫度數據，然后通過無線網關以無線方式傳送到通訊管理器。
在局部放電在線監測中，以1次/小時或者2次/小時的頻率（可根據監測需求調整）采集局部放電數據。
多功能電力儀表能夠完成電量監測與計量，可以使監控人員了解開關柜的運行負荷。
分合閘線圈電流/電壓及觸點溫度在線監測子系統的主控制器以MPC 為核心，配備網絡通訊接口，本子系統的每臺主機可采集多達5路分閘電流，5路合閘電流，1路分合閘電壓，30路斷路器電氣接點溫度。
3.1.1斷路器機械特性在線監測單元
斷路器承擔了關合、承載和開斷正常回路條件下的電流并能在規定的時間內關合、承載和開斷異常回路條件下的電流。為了保障斷路器正常運行，保證在發生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路。GZSC-01系統對斷路器分合閘線圈電流/電壓進行監測，可設定這兩個參數的閾值，如超閾值可對斷路器開展實時的采集數據。單個在線監測單元可負責5臺開關柜的斷路器分合閘線圈電流/電壓信號采集，相關的技術參數如下表1所列：
序號 | 項目 | 參數 |
1 | 直流電流輸入 | 10路（0～25A/DC，卡鉗式） |
2 | 直流電壓輸入 | 1路（分合閘線圈電壓，范圍：0～300V/DC） |
3 | 供電電壓 | 12V/DC（±20%） |
4 | 通訊模式 | 以太網ModBus 協議 |
表1：開關柜斷路器機械特性在線監測單元技術參數
3.1.2局部放電在線監測單元
局部放電通常發生在高壓設備的絕緣系統中，還有可能出現在凸起，曲率半徑較小的高壓電極處。局部放電在絕緣系統中是局部范圍內的放電，但是長期的局部放電會嚴重損害設備的絕緣性，導致絕緣系統的擊穿，嚴重損毀設備。 因此，通過對局部放電的定時監測，可有效地阻止因局部放電引發的設備故障。
局部放電時產生的超聲波信號（Acoustic Emission，下文皆用AE簡稱），因其抗電磁干擾性，便于實現局部放電定點的特性，所以AE監測也可用于局部放電監測。此外，特高頻信號（Ultra High Frequency，下文皆用UHF簡稱）監測單元通常也被用于監測局部放電。
局部放電時，設備表面產生感應電流，并且在設備外層形成一個暫態對地電壓信號（Transient Earth Voltage，下文皆用 TEV簡稱）。因此，可通過監測TEV的大小對局部放電進行監測。
在開關柜局部放電在線監測中，可選擇采用AE、TEV和UHF任意組合的局部放電在線監測單元（本文以AE和TEV二合一傳感器、UHF傳感器為例；基于三種監測法在優劣勢上的互補性，我公司推薦采用三合一傳感器）。相較于AE和TEV，UHF監測法一個顯著優點就是可以精確的定位故障點，這給之后的檢修和維護提供了非常有效的信息。
基于局部放電信號的傳播路徑和傳感器安裝的便捷性，本系統的局部放電在線監測單元的傳感器吸附式安裝于開關柜柜面的外側。
3.1.2.1 AE和TEV局部放電在線監測技術
開關柜局部放電主要有內部局部放電（發生絕緣體內部）以及表面局部放電（發生在絕緣體表面突出部分）。目前常用的監測方法是同時采用AE和TEV監測，因兩者監測方式的優劣可以互補從而可以更全面地監測局部放電，優劣勢比對詳見下表2所示。
序號 | AE監測 | TEV監測 |
1 | 對絕緣的內部放電不敏感 | 對絕緣的內部放電比較敏感 |
2 | 適用于套管、電纜終端、絕緣子表面的局部放電監測 | 對頻率較低的套管、電纜終端、絕緣子表面的局部放電信號不敏感 |
3 | 易受機械振動干擾 | 易受外界電磁干擾 |
表2：AE和TEV監測法的優劣勢比對表
3.1.2.2 UHF局部放電在線監測技術
UHF監測技術是通過監測電力設備發生局部放電時產生的電流脈沖(上升沿為ns級)能在內部激勵出頻率高達數GHz的電磁波。UHF局部放電在線監測單元的傳感器可分為內置和外置，考慮到環境電磁干擾（如手機信號），在本系統中UHF監測單元采用內置式安裝，不僅能有效避免來自外部環境電磁波帶來的干擾，而且有更高的靈敏度。
●有抗力強：在現場監測中，電暈放電是常見的一種干擾。UHF監測頻率帶寬通常為300~1500MHz，而電暈放電（如高壓電纜內部）的頻率在300MHz以下。
●監測靈敏度高：局部放電時電磁波在GIS中傳播衰減很小，便于傳感器監測，因此UHF傳感器相較于另外兩種監測方式的傳感器，監測范圍更大，所需傳感器數目較少。
●可實現局部放電源的定位：根據UHF信號傳播衰減很小的特點，可根據多個安裝在不同方位的傳感器接收信號的時間差來判斷故障點或者局部放電源的位置。
●有效識別絕緣缺陷類別：可根據接收到的UHF信號的脈沖，數量，相位分布等頻譜特征來辨別絕緣缺陷類型。
序號 | 項目 | 參數 | |
1 | 供電 | （50 Hz，220 V/AC）或感應取電 | |
2 | 采樣頻率 | 1h/次 或 2h/次（可根據監測需求調整） | |
3 | 通訊模式 | RS485或RJ45無線 | |
4 | AE監測 | 頻率帶寬 | 20 kHz ~ 200 kHz |
監測范圍 | 0~30 mV | ||
靈敏度 | ≤5 pC | ||
5 | TEV監測 | 頻率帶寬 | 3 MHz ~ 150 MHz |
監測范圍 | 0~60 dB/mV | ||
靈敏度 | 1 mV | ||
6 | UHF監測 | 頻率帶寬 | 300 MHz ~1500 MHz |
靈敏度 | ≤5 pC | ||
表3：局部放電在線監測單元技術參數表（需方可訂制相關參數）
3.1.3開關柜內外環境溫/濕度在線監測單元
高溫/濕環境會使空氣介質的絕緣性下降，導致高壓電極附近更容易發生局部放電現象。對于固體絕緣材料來說，高溫/濕環境會使絕緣材料加快老化速度。開關柜內側的溫度低于空氣露點溫度時（空氣中水蒸氣達到飽和狀態而液化成露珠所需要溫度），凝露會加劇設備生銹老化，且有可能引發漏電現象，導致設備故障。引起爬電、閃絡的事故現場來看，在晝夜溫差較大時易發生。因此開關柜長期在高溫/濕環境運行存在很大絕緣性故障隱患。
當環境和開關柜金屬外框的溫度差比較大時，會導致外框內側發生凝露。由于環境空氣會從開關柜下端的電纜室進入開關柜，并且開關柜和環境存在熱交換。因此，開關柜內外環境的溫/濕度監測也至關重要。
為了防止開關柜金屬框內側凝露，當環境溫度過高時，可采用開啟配電室的通風系統，以達到配電室降溫并且除濕的目的。由于開關柜內部溫度分布不均、受潮等原因，在內部也有可能發生凝露現象。普遍的方法是開啟斷路器室以及母線室的加熱器用于消除凝露現象或者再增配通風系統。鑒于我國部分地區(如沿海地區)空氣濕度較大，因此可在柜體的通風入口處加入智能除濕器。
在本系統配置的溫/濕在線監測單元包括柜體外部和內部的環境監測。本單元相關技術參數如下表4所示。
序號 | 項目 | 參數 | |
1 | 供電 | 50Hz，220V/AC | |
2 | 通訊模式 | RS485無線 | |
3 | 溫度 | 監測范圍 | -55 ℃~+100 ℃ |
4 | 采樣頻率 | 1h/次（可調） | |
5 | 濕度 | 除濕功率 | ≤40 W |
6 | 監測范圍 | 5% RH~99% RH | |
7 | 監測精度 | ±3% RH | |
8 | 啟動范圍 | 45% RH~95% RH | |
表4：開關柜內外溫/濕度在線監測單元技術參數
3.1.4電氣接點溫度在線監測單元
針對開關柜內母排搭接點、斷路器觸頭、電纜接頭等電氣接點溫度在線監測，防止其在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發熱而引發的故障隱患。電氣接點溫度在線監測單元能夠有效地提升設備安全保障，和服務器連接，能及時、持續、準確反映設備運行狀態，避免安全事故的發生，降低設備事故率。
3.1.4.1表帶式無線無源監測法
表帶式無線無源監測法的溫度傳感器通過表帶式捆綁在電氣接點處，數據通過無線方式上傳給無線網關，無線網關收集各個溫度數據后上傳至PC機。管理人員通過PC機可看到每處被監測的電氣接點實時數據，并可對故障隱患進行報警，以便被試品及時得到維護，防止引發更大故障而造成的損失。本單元相關技術參數如下表5所示。
序號 | 項目 | 參數 |
1 | 供電 | 感應取電 |
2 | 監測范圍 | -20 ℃~+120 ℃ |
3 | 采樣頻率 | 1 S/次（可調） |
4 | 通訊模式 | RS485無線 |
表5：電氣接點溫度在線監測單元技術參數
3.1.4.2紅外可視化監測法
每臺開關柜的電纜室配置1個紅外可視化監測單元，采用磁吸式安裝于電纜室內壁。本單元內置信號調理、A/D采樣、電源、通訊模塊。本單元相關技術參數如下表6所示。
序號 | 項目 | 參數 |
1 | 分辨率 | 160×120 |
2 | 波長范圍 | 8 μm～14 μm |
3 | 范圍、精度 | -20 ℃～300 ℃、±1 ℃ |
4 | 可視化角度 | 120° |
5 | 電壓、功耗 | DC 5 V±0.1 V、0.5 W（室溫穩態） |
表6：紅外可視化監測模塊技術參數表
3.1.5多功能電力儀表
使監控人員了解開關柜運行負荷。相關技術參數如下表7所示。
序號 | 項目 | 參數 |
1 | 供電 | 50 Hz，220 V/AC |
2 | 監測項目 | 電流、有/無功功率、功率因數、電網頻率、有/無功電能。 |
3 | 采樣頻率 | 5 ~ 20 s/次（可調） |
4 | 通訊模式 | RS485無線 |
表7：多功能電力儀表
3.2通訊管理機
負責各個監測單元和服務器之間的數據協調。
序號 | 項目 | 參數 |
1 | WAN接口 | 1個10/100/1000 M以太網口（RJ45插座）， 自適應MDI/MDIX，內置1.5 kV電磁隔離保護。 |
2 | LAN接口 | 4個10/100/1000 M以太網口（RJ45插座）， 自適應MDI/MDIX，內置1.5 kV電磁隔離保護。 |
3 | 串口 | 1個RS232串口，5個RS485串口（一個和RS232接口共用），內置15 kV ESD保護；串口參數：數據位為5、6、7、8位，停止位為1、1.5(可選)、2位；校驗：無校/偶校/奇校驗、SPACE及MARK校驗(都可選)；串口速率：2400~115200 bits/s。 |
4 | 指示燈 | 具有"PWR", "SYS", "WIFI", "SIM", "Online", "Signal Strength"等指示燈。 |
5 | I/O接口 | 6腳3.5mm接線端子；2個輸入、1個輸出、1個繼電器;輸入高電平： 5~30 VDC；輸入低電平： 0~3 VDC； DO負載電流：< 50mA/30 VDC； 繼電器負載：1 A、250 VAC/30 VDC。 |
6 | 天線接口 | 蜂窩：2個標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐； WIFI：2個標準SMA陽頭天線接口，特性阻抗50歐。 |
7 | SIM/UIM卡接口 | 標準抽屜式用戶卡接口，支持1.8 V/3 V SIM/UIM卡， 內置15 kV ESD保護。 |
8 | 電源接口 | 2芯端子電源插座，內置電源反相保護。 |
9 | USB接口 | 標準USB3.0接口，支持各種USB存儲。 |
10 | TF卡接口 | 標準彈式TF卡接口，支持各種TF卡。 |
11 | Reset按鈕 | 通過此按鈕可將通信管理機的參數配置恢復為出廠值 |
表8：通訊管理機技術參數表
3.3 數據服務器
用于存儲、管理采集到的數據和運行后臺管理軟件（采用JAVA，C#等技術開發，數據庫采用MySQL），采用B/S架構。管理端電腦只需一個通用的瀏覽器就能訪問數據。
序號 | 項目 | 參數 |
1 | CPU | 志強E3（3.3 GHz，8 M緩存） |
2 | 內存 | 8 GB |
3 | 硬盤 | 1 TB |
4 | 操作系統 | Windows Server 2012 |
表9：數據服務器技術參數表
3.4 管理端電腦
用于訪問數據服務器中的數據，分析數據，查看歷史數據等。
序號 | 項目 | 參數 |
1 | CPU | i5 |
2 | 顯示器 | 17英寸 |
3 | 內存 | 8 GB |
4 | 硬盤 | 256 G，固態。 |
5 | 操作系統 | Windows 10 |
6 | 瀏覽器 | IE 8以上或Chrome |
表10：管理端電腦技術參數表（需方可自主配置或由我方定制參數）
四、大數據分析系統
為了全面、及時、精準掌握開關柜監測系統運行狀態，保障開關柜能夠正常運行，利用大數據分析技術對系統中溫/濕度，接點溫度和局部放電等參量在線監測并開展多維度數據分析以及故障預警及報警，此大數據分析系統有以下優勢：
4.1開關柜狀態評估的歷史多維數據積累。
4.2開關柜狀態異常的快速監測、快速抽取歷史數據（趨勢模擬）。
4.3開關柜狀態的多維度和差異化評價（溫度，濕度以及局部放電等）。
4.4開關柜狀態變化和故障預警、提供可靠準確的建議（精準巡檢）。
4.5局部放電故障智能診斷：局部放電源精準定位，放電種類辨別（智能診斷）。
4.6開關柜健康狀態大數據分析系統建立，實現真正的人工智能研判。
4.8數據存儲/模擬
一方面歷史數據會存儲在PC機中，以備觀察開關柜地狀態趨勢，更好地了解開關柜動態，另一方面通過前期大量的數據采集以及分析，可模擬出一套健康態勢分析系統，可精準地判斷是否存在局部放電、局部放電類型和局部放電程度等故障態勢。
4.9平臺監控：可通過PC機屏幕了解開關柜狀態，如溫/濕度、局部放電等量值。
4.10閾值報警
具備對開關柜環境溫/濕度異常、電氣接點溫度和局部放電幅值過高的報警功能。
五、供電模式
5.1 電池供電模式：本系統可采用電池供電模塊供電，可持續運行1年。相關技術參數如下表11所示。
序號 | 項目 | 參數 |
1 | 標稱電壓 | 3.7 V |
2 | 標稱容量 | 35000 mAh x4 |
3 | 持續電流 | 420 mA |
4 | 脈沖電流 | 500 mA |
5 | 工作溫度范圍 | -60 ℃~85 ℃ |
6 | 尺寸 | 33.1 mm X124.5 mm |
7 | 重量 | 195 g |
表11：電池供電模塊技術參數表
5.2 光電纜供電模式
在現場條件允許的情況下，可以通過鋪設復合型光電纜的方式一次性解決供電和通信的問題，采用4芯2.5平方與4芯光纖組合而成的復合型光電纜。GZSC-01系統的通信控制單元通過復合型光纖將DC12V電源輸送至位于電纜溝道的局部放電采集單元。為了降低線路損耗，GZSC-01系統設計為分時供電，時分采樣。通過上位機控制設備上電和斷電時間，可限度的降低系統能耗。
5.3 感應取電+電池組合供電模式
局部放電監測單元、電氣接點溫度在線監測單元均可采用感應取電來作為電力來源。
感應取電法實現了從高壓母線上獲取低壓電源的目的。感應取電法通常作為高壓系統中無法獲取其他供電法的監測系統的電力來源。相較于傳統的太陽能供電法、電池供電法等，感應取電法具有體積小、成本低等優點。
通過電磁感應原理，從高壓母線上得到感應交流電壓，然后經過整流，濾波，穩壓后可得到穩定所需的直流電壓。前端沖擊保護裝置限制了感應線圈輸出的沖擊電壓，防止雷電沖擊電流和瞬時故障大電流時燒毀電源電路，并且使后面的整流電路及DC-DC電路能正常工作。在DC-DC模塊輸入端放置了能量泄放保護裝置，避免DC-DC模塊中多余的能量以熱能的形式發散出去，當整流之后的電壓過大時，泄放電路接通，電路進入工作狀態，多余的能量將會通過泄放電路中大功率電阻泄放掉。當電壓過小時，泄放電路不接通，并且不會影響電源輸出。
為了避免設備因電流過小或CT供電電路斷開時無法正常工作，采用了感應取電結合鋰電池的供電方式。當出現上述情況時，鋰電池將代替感應取電供電或者兩者同時供電。也有文獻提出，額外設計蓄電池充放電電路，但是蓄電池始終處在充放電狀態中，這對其壽命有損害，難以保證設備長時間正常工作。
