CN105471106A - 具有设备状态监测功能的配电自动化终端及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有设备状态监测功能的配电自动化终端及监测方法，包括：测量与控制模块分别与模拟量采集模块、开关量采集模块、开关控制回路及开关储能回路相连，测量与控制模块根据接收的模拟量及开关量实现对开关控制回路及开关储能回路的控制；设备状态诊断模块相连分别与开关特性监测模块、电源状态监测模块、绝缘特性监测模块、设备振动与声音监测模块、设备温度监测模块及环境温湿度监测模块相连，设备状态诊断模块根据监测的变量对设备的状态进行诊断与评估。对配电网主设备运行健康状况的在线评估、故障分析、诊断与提前预警，为实现配电网主设备状态检修，提供了一种技术可行、成本经济的实施方案。

Description

具有设备状态监测功能的配电自动化终端及监测方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动化领域，具体涉及一种具有设备状态监测功能的配电自动化终端及监测方法。

背景技术

配电网是从输电网或地区发电厂接受电能，并通过配电设施就地或逐级配送给各类用户的电力网络，是控制和保证用户供电可靠性和供电质量的重要环节。我国配电网相对于输变电还比较落后，是电网中最为薄弱的一环。配电网由配电线路和配电网设备组成，其中配电网主设备主要包括开关柜、环网柜、柱上开关和配电变压器等，这些设备数量大、价值高，结构复杂，通常具备二次测量及控制回路，多数运行在室外环境，设备故障率相对偏高，是制约配电网供电可靠性提升的关键因素。

长期以来，配电设备检修采取故障检修模式，属于一种被动检修，仅在设备发生故障或异常后，才进行维护和修复，造成突发性故障多，抢修时间长，增加了用户停电时间。状态检修通过全过程在线监测设备主要部件运行状态量，再经专家诊断系统对监测数据进行综合分析，评估设备当前状态和变化趋势，提前识别设备隐患，主动制定出合理的检修时间及方法，因此又称为预知维修。状态检修是我国正全面推广应用的输变电设备检修新模式，既可避免定期检修所带来的过度检修，又可避免故障检修因检修不及时所导致的损失扩大，该检修模式同样可用于配电网主设备。实行状态检修，必能准确、在线获取设备运行状态的监测数据，但配电网主设备量大面广，且单台设备价值不高，为每台设备配置专用的运行状态监测终端，虽然技术上可行，但实际上很不经济，不具备应用推广价值。

配电自动化系统是提高配网可靠运行的重要手段，配电自动化系统通过配电自动化终端，实现对配电网的远程监测和控制。配电自动化终端通常按监控的设备为三类：DTU、FTU、TTU，DTU用于监控开关柜或环网柜，FTU用于监控柱上开关、TTU用于监测配电变压器。配电自动化终端与所监控的设备就地安装，通过无线或有线通信网络与配电自动后台监控系统进行交互。现有配电自动化终端仅具备对配电一次设备电压、电流、开关位置采集和开关分合状态的控制功能，不能监测设备本身的运行状态，如设备绝缘特性、设备发热情况、设备振动与噪声、开关操动机构的状态以及设备运行的环境信息等。

中国专利201420132112.8提出了一种关闭所关键设备状态在线监测装置，实现对开关柜柜体温度、电缆及电缆分接箱温度和电缆金属护层循环电流和监测，该方案采用单独的智能配电终端信息中继装置或开关信息中继装置汇集各传感器的监测信息，未将设备状态监测功能集成到配电自动化终端。中国专利201420171977.2提出一种环网柜关键配电设备状态在线监测系统，通过智能配电终端接入环网柜整体环境监测装置、开关柜状态监测装置和电缆及电缆分接箱状态监测装置，实现对环网柜状态的在线监测，该方案同样未将设备状态监测功能与配电自动化终端相集成，配电终端仅提供通信中继功能，需配置独立的开关柜状态监测装置。

配电自动化是配电网监控与运维水平提升的重要标志，大范围、分布式配电通信网络及配电自动化终端是配电自动化的基础平台和宝贵资源，可以承载更多的配电网运行信息的采集与上传，以减少各种配电网应用系统的重复投资和资源的浪费。在实现配电自动化覆盖的供电区域，基于配电主设备的配套终端，实现配电设备运行状态在线监测，为配电设备状态管控水平提供支撑，是一种在技术和应用上均经济、可行的技术方案。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了具有设备状态监测功能的配电自动化终端及监测方法，本发明为支撑配电网主设备状态检修，在配电自动化终端对配电网运行状态监控的基础上，扩展对配电设备本身健康状态的在线监测功能，通过接入各种在线设备状态传感器，实现配电设备运行状态的在线监测，分析并提取反映设备状态的特征量，评估设备健康状态，发现设备异常及时报警，推动配电主设备从故障检修向状态检修的转变。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

具有设备状态监测功能的配电自动化终端，包括外部通信接口，外部通信接口分别与测量与控制模块及设备状态诊断模块相连；

其中，测量与控制模块分别与模拟量采集模块、开关量采集模块、开关控制回路及开关储能回路相连，测量与控制模块根据接收的模拟量及开关量实现对开关控制回路及开关储能回路的控制；

设备状态诊断模块相连分别与开关特性监测模块、电源状态监测模块、绝缘特性监测模块、设备振动与声音监测模块、设备温度监测模块及环境温湿度监测模块相连，设备状态诊断模块根据监测的变量对设备的状态进行诊断与评估。

进一步的，所述外部通信接口与后台主站系统的通信，将对设备状态诊断与评估的结果及测控与保护处理的结果传输至主站系统。

进一步的，所述绝缘特性监测模块、设备振动与声音监测模块、设备温度监测模块及环境温湿度监测模块分别与现场数据总线接口相连；

进一步的，所述现场数据总线接口用于与监测设备状态的多种传感器相连。

进一步的，绝缘特性监测模块通过现场数据总线接口分别接入电缆接头泄漏电流传感器、SF6压力传感器、SF6微水传感器，实现环网柜电缆接头、SF6气体绝缘设备的开关绝缘特性的监测。

进一步的，所述设备振动与声音监测模块通过现场数据总线接口分别接入设备振动传感器和设备声音传感器，用于记录设备运行中的异常振动和声音。

进一步的，所述设备温度监测模块通过现场总线数据接口分别接入电缆头温度传感器及设备温度传感器，以监测电缆接头或开关内部发热状态。

进一步的，所述环境温湿度监测模块通过现场总线数据接口接入环境温湿度传感器，实现对设备运行环境的在线监测，用于分析环境温湿度对设备故障的影响。

进一步的，所述模拟量采集模块分别与电流互感器(TA)、电压互感器(TV)相连，实现所监测点电压及电流的采集；所述开关量采集模块接入开关位置继电器，实现开关分合位置、远方/就地手柄位置的采集；所述开关控制回路与开关操动机构相连，实现对开关电动分合操作；所述开关储能回路与开关操动机构相连，实现对开关操动机构的储能。

进一步的，所述开关特性监测模块与开关控制回路相连，监测并记录合分闸回路中的电压、电流波形，所述开关特性监测模块与开关储能回路相连，监测并记录储能回路的电压、电流波形。

进一步的，所述电源状态监测模块与终端蓄电池后备电源相连，实现蓄电池电压、电流、容量、活化时间的监测。

进一步的，所述开关特性监测模块实现对开关控制回路的合分闸回路中的电压、电流波形的监测，从波形中分析铁芯行程、铁芯卡涩、线圈状态、脱扣扣接状态等信息,记录每次开关分合动作时刻和所用时间，统计开关动作次数,判断开关控制回路及开关操动机构的工作状态，识别开关控制回路断线、开关操动机构机械卡涩问题，并可预测开关是否会发生偷跳、拒动；

开关特性监测模块实现对开关储能回路电压、电流波形的监测，记录储能持续时间，统计储能次数，判别合闸弹簧机构的弹簧压缩过程和储能状态是否存在异常。

具有设备状态监测功能的配电自动化终端的监测方法，包括以下步骤：

利用各种传感器实现对配电一次设备运行状态的信息采集，并将采集的信息通过现场数据总线接口传输至相应的监测模块，监测模块分别将处理后的信息传输至设备状态诊断模块；

利用电流互感器及电压互感器实现所监测点电压及电流的采集；利用开关位置继电器实现开关分合位置、远方/就地手柄位置的采集，监测点电压及电流作为模拟量通过模拟量采集模块传输至测量与控制模块，开关分合位置、远方/就地手柄位置作为开关量通过开关量采集模块传输至测控与保护模块；

设备状态诊断模块基于所采集的表征设备状态的特征量，对设备健康状态进行诊断，评估设备是否需进行维修；

测控与保护模块实现配电自动化终端基本的模拟量及开关量的测量、开关操作机构的控制与保护。

本发明的有益效果：

基于配电自动化终端实现配电主设备运行状态的监测和异常状态诊断，在线获取设备运行状态特征量，对配电网主设备运行健康状况的在线评估、故障分析、诊断与提前预警，为实现配电网主设备状态检修，提供了一种技术可行、成本经济的实施方案。

附图说明

图1为本发明的系统组成结构示意图。

其中，1.外部通信接口，2.测量与控制模块，3.设备状态诊断模块，4.模拟量采集模块，5.开关量采集模块，6.开关控制回路，7.开关储能回路，8.开关特性监测模块，9.电源状态监测模块，10.绝缘特性监测模块，11.设备振动与声音监测模块，12.设备温度监测模块，13.环境温湿度监测模块，14.现场数据总线接口。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，具备状态监测功能的配电自动化终端是在普通配电自动化终端对所配套的柱上开关、环网柜等一次设备进行监测和控制的基础上，扩展对配电一次设备状态监测功能。对开关特性监测和电源状态监测，无需外置新的传感器，可通过监测配电自动化终端内部的控制回路、储能回路和电源回路为实现；配电一次设备环境温湿度、电缆头温度等其它状态信息，需接入各种外置电子式传感器，通过配电自动化终端的现场数据总线接口，接入各外置电子式传感器所采集的信息。根据配电自动化终端所配套一次设备类型的不同，配电自动化终端可实现不同的设备状态监测功能。

对于开关柜、环网柜类设备，配电自动化终端可接入电缆接头泄漏电流传感器、电缆头温度传感器、环境温温度传感器。如开关柜、环网柜采用SF6气体绝缘，配电自动化终端可接入SF6压力传感器、SF6微水传感器。对于柱上断路器、负荷开关，配电自动化终端接入环境温湿度传感器、开关内温度传感器。对于配电变压器，配电自动化终端可接入环境温湿度传感器、设备温度传感器、设备振动传感器和设备声音传感器。

根据配电自动化终端所接入传感器所监测的设备状态特征量，通过终端维护工具配置传感器的类别，以及相应特征量的有效范围和报警限，配电自动化终端定时采集并分析各传感器的信息，发现设备运行状态异常时及时报警。

基本工作原理：

具备设备状态监测功能的配电自动化终端集成对配电一次设备的测量、控制与设备本身运行状态的监测功能，核心部分由外部通信接口1、测量与控制模块2和设备状态诊断模块3组成，测量与控制模块2实现普通配电自动化终端的测量与控制功能，通过外部通信接口1与配电自动化主站系统通信；设备状态诊断模块3通过各传感器采集的各个设备状态信息，分析并提取反映其健康状态的特征量，依据各特征量配置的预警限和报警限值，将设备该状态划分为正常、注意和异常三种状态，实现设备本身状态量的分析和诊断功能，诊断结果通过外部通信接口上送至配电自动化主站系统。

测控是终端的基本功能，控制输出是通过控制回路实现对开关的分合，既可由终端自动控制，也可由后台远程控制。

测量与控制模块2，分别连接模拟量采集模块4、开关量采集模块5、开关控制回路6和开关储能回路7，实现配电自动化终端基本的测量、控制与保护功能。所述模拟量采集模块4通过电流互感器(TA)、电压互感器(TV)实现所监测点电压及电流的采集；所述开关量采集模块5接入开关位置继电器，实现开关分合位置、远方/就地手柄位置的采集；所述开关控制回路6与开关操动机构相连，实现开关电动分合操作；所述开关储能回路7与开关操动机构相连，实现对开关操动机构的储能。

设备状态诊断模块3与开关特性监测模块8、电源状态监测模块9、绝缘特性监测模块10、设备振动与声音监测模块11、设备温度监测模块12和环境温湿度监测模块13相连，基于所采集的表征设备状态的特征量，对设备健康状态进行诊断，评估设备是否需进行维修。

开关特性监测模块8与开关控制回路6相连，监测并记录合分闸回路中的电压、电流波形，从波形中分析铁芯行程、铁芯卡涩、线圈状态、脱扣扣接状态等信息,记录每次开关分合动作时刻和所用时间，统计开关动作次数,判断开关控制回路6及开关操动机构的工作状态，识别开关控制回路6断线、开关操动机构机械卡涩问题，并可预测开关是否会发生偷跳、拒动；所述开关特性监测模块8与开关储能回路7相连，监测并记录储能回路的电压、电流波形，记录储能持续时间，统计储能次数，判别合闸弹簧机构的弹簧压缩过程和储能状态是否存在异常。

电源状态监测模块9与终端蓄电池后备电源相连，实现蓄电池电压、电流、容量、活化时间的监测；所述绝缘特性监测模块10通过现场数据总线接口14分别接入电缆接头泄漏电流传感器、SF6压力传感器、SF6微水传感器，实现环网柜电缆接头、SF6气体开关绝缘特性的监测；所述设备振动与声音监测模块11通过现场数据总线接口14分别接入设备振动传感器和设备声音传感器，记录设备运行中的异常振动和声音；所述设备温度监测模块12通过现场总线数据接口14分别接入电缆头温度传感器、设备温度传感器，以监测电缆接头或开关内部发热；所述环境温湿度监测模块13通过现场总线数据接口14接入环境温湿度传感器，实现对设备运行环境的在线监测，分析环境温湿度对设备故障的影响。

基于配电自动化终端实现对配电一次设备运行状态的在线监测，关键是采用各种电子式传感器，通过现场总线通讯口接入配电终端。由于采用数据总线方式接入，配电终端只需额外配置一个数据总线接口，而接入的设备状态监测传感器的数量可按需扩展。配电终端在外部硬件接口不变的情况下，通过升级终端“设备状态诊断与评估”模块的软件，可实现对设备状态监测功能的扩展。

具有设备状态监测功能的配电自动化终端可分析、诊断的配电设备运行状态异常包括：

1)通过对开关控制回路操作时电压和电流的采样，记录操作过程中电压和电流的波形，根据电压和电流的波形特征(最大值、最小值、持续时间等)，可判别操作回路断线、操动机构卡涩、分合失败等问题；

2)通过对开关储能回路操作时电压和电流的采样，记录储能过程中电压和电流的波形，根据电压和电流的波形特征(最大值、最小值、持续时间等)，可判别开关储能回路断线、储能机构卡涩、无法储能；

3)通过监测蓄电池电压、充电电流、放电电流，以及充电时间和放电时间，可推算蓄电阴内阻和容量，发现蓄电池内阻过大、容量不足、无法充电等异常；

4)通过电缆头温度传感器采集的电缆接头表面的温度可判别电缆接头发热，通过电缆接头泄漏电流传感器可发现电缆接头是否泄漏电流过大；

5)通过SF6压力传感器采集的SF6气体压力，可判别开关密封不严，气体泄漏等异常；

6)通过在配电变压器外壳体上安装声音和振动传感器，根据所采集的声音或振动值大小，可判别配电变压器是否存在运行异常。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，包括外部通信接口，外部通信接口分别与测量与控制模块及设备状态诊断模块相连；

其中，测量与控制模块分别与模拟量采集模块、开关量采集模块、开关控制回路及开关储能回路相连，测量与控制模块根据接收的模拟量及开关量实现对开关控制回路及开关储能回路的控制；

设备状态诊断模块相连分别与开关特性监测模块、电源状态监测模块、绝缘特性监测模块、设备振动与声音监测模块、设备温度监测模块及环境温湿度监测模块相连，设备状态诊断模块根据监测的变量对设备的状态进行诊断与评估。

2.如权利要求1所述的具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，所述外部通信接口与后台主站系统的通信，将对设备状态诊断与评估的结果及测控与保护处理的结果传输至主站系统。

3.如权利要求1所述的具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，所述绝缘特性监测模块、设备振动与声音监测模块、设备温度监测模块及环境温湿度监测模块分别与现场数据总线接口相连。

4.如权利要求1所述的具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，所述现场数据总线接口用于与监测设备状态的多种传感器相连。

5.如权利要求1所述的具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，绝缘特性监测模块通过现场数据总线接口分别接入电缆接头泄漏电流传感器、SF6压力传感器、SF6微水传感器，实现环网柜电缆接头、SF6气体绝缘设备的开关绝缘特性的监测。

6.如权利要求1所述的具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，所述设备振动与声音监测模块通过现场数据总线接口分别接入设备振动传感器和设备声音传感器，用于记录设备运行中的异常振动和声音。

7.如权利要求1所述的具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，所述设备温度监测模块通过现场总线数据接口分别接入电缆头温度传感器及设备温度传感器，以监测电缆接头或开关内部发热状态。

8.如权利要求1所述的具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，所述环境温湿度监测模块通过现场总线数据接口接入环境温湿度传感器，实现对设备运行环境的在线监测，用于分析环境温湿度对设备故障的影响。

9.如权利要求1所述的具有设备状态监测功能的配电自动化终端，其特征是，所述模拟量采集模块，分别与电流互感器、电压互感器相连，实现所监测点电压及电流的采集；所述开关量采集模块接入开关位置继电器，实现开关分合位置、远方/就地手柄位置的采集；所述开关控制回路与开关操动机构相连，实现对开关电动分合操作；所述开关储能回路与开关操动机构相连，实现对开关操动机构的储能。

10.具有设备状态监测功能的配电自动化终端的监测方法，其特征是，包括以下步骤：

利用各种传感器实现对配电一次设备运行状态的信息采集，并将采集的信息通过现场数据总线接口传输至相应的监测模块，监测模块分别将处理后的信息传输至设备状态诊断模块；

利用电流互感器及电压互感器实现所监测点电压及电流的采集；利用开关位置继电器实现开关分合位置、远方/就地手柄位置的采集，监测点电压及电流作为模拟量通过模拟量采集模块传输至测量与控制模块，开关分合位置、远方/就地手柄位置作为开关量通过开关量采集模块传输至测控与保护模块；

设备状态诊断模块基于所采集的表征设备状态的特征量，对设备健康状态进行诊断，评估设备是否需进行维修；

测控与保护模块实现配电自动化终端基本的模拟量及开关量的测量、开关操作机构的控制与保护。