CN219018540U - 一种开关柜多维度状态检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种开关柜多维度状态检测设备，包括数据采集模块、边缘网关模块和后台监测模块；数据采集模块采集开关柜的运行状态参数，包括运行环境检测单元、一次回路温度检测单元、一次母线电流电压检测单元、避雷器检测单元、开关柜机械特性检测单元、开关量检测单元、局放检测单元和图像采集单元；边缘网关模块与数据采集模块和后台监测模块相连，用于将数据采集模块采集的开关柜运行状态参数发送至后台监测模块；后台监测模块包括显示单元，显示单元实时显示开关柜的运行状态参数。与现有技术相比，本实用新型实时监测开关柜多维度的运行状态信息，可以实现对开关柜状态的全方位、多维度监测，降低了人力成本。

Description

一种开关柜多维度状态检测设备

技术领域

本实用新型涉及开关柜技术领域，尤其是涉及一种开关柜多维度状态检测设备。

背景技术

伴随着国家智能电网的建设及电力物联网的逐步推进，电力设备正向着高可靠性、高智能化的方向发展。开关柜是电力系统中的一种重要电气设备，主要作用是开合、控制和保护用电设备。

开关柜的工作状态直接影响电力系统工作的稳定性，随着智慧变电站建设的进一步推广，越来越多的电力节点和应用场景产生了在开关柜本地安装在线监测装置的需求。但是，目前的监测系统多数只能实现单一状态量的监测和本地显示功能，且多数停留在温度及机械特性两方面数据的集成，监测维度和集成度不足。

因此，有必要开发一种开关柜多维度状态检测设备，实时监测开关柜运行状态的各类信息参量和运行环境信息。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种开关柜多维度状态检测设备。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种开关柜多维度状态检测设备，包括数据采集模块、边缘网关模块和后台监测模块；

所述数据采集模块用于采集开关柜的运行状态参数，包括运行环境检测单元、一次回路温度检测单元、一次母线电流电压检测单元、避雷器检测单元、开关柜机械特性检测单元、开关量检测单元、局放检测单元和图像采集单元；

所述边缘网关模块与数据采集模块和后台监测模块相连，用于将数据采集模块采集的开关柜运行状态参数发送至后台监测模块；

所述后台监测模块包括显示单元，所述显示单元用于实时显示开关柜的运行状态参数；

所述开关柜机械特性检测单元包括线圈电流传感器和位移传感器，所述线圈电流传感器设置在开关柜中断路器的分闸线圈、合闸线圈和储能电机回路上，所述位移传感器设置在开关柜中断路器的机构主轴或拐臂上，用于监测断路器动作时间和速度特性；

所述局放检测单元包括多个局放传感器，所述局放传感器的类型包括特高频传感器、暂态地电压传感器和超声波传感器，所述局放传感器设置在母线室和电缆室。

进一步地，所述运行环境检测单元包括多个温湿度传感器，所述温湿度传感器安装在开关柜的仪表室和电缆室内，以及配电室内。

进一步地，所述一次回路温度检测单元包括多个温度传感器，所述温度传感器安装在开关柜内的电气连接部位，包括但不限于开关柜动触头、静触头、母排搭接处、电缆连接点。

进一步地，所述一次母线电流电压检测单元包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器和电压传感器设置在开关柜中断路器的极柱内，与断路器极柱一体化浇筑，所述电流传感器为采用穿心式流变结构的电流传感器，所述电压传感器为采用电容分压原理的电压传感器。

进一步地，所述避雷器检测单元被配置为测量避雷器的泄漏电流，并进行动作计数。

进一步地，所述开关量检测单元包括开关量信号采集器，用于检测开关柜中的开关量信号，所述开关量信号包括但不限于断路器分合闸位置信号、手车位置信号、地刀位置信号、柜门位置信号。

进一步地，所述图像采集单元包括多个摄像头，所述摄像头用于采集开关柜内接地开关图像、电缆孔图像、手车隔离断口图像及开关柜柜前图像。

进一步地，所述边缘网关模块包括数据接收单元和网关，所述数据采集模块与数据接收单元相连，所述数据接收单元与网关相连，所述网关连接后台监测模块。

进一步地，所述边缘网关模块还包括存储器和定时器。

进一步地，所述数据采集模块与数据接收单元设有集线器。

进一步地，所述后台监测模块还包括监控仪，所述监控仪包括数据比较单元和报警单元，所述数据比较单元与报警单元相连。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)在设备侧安装数据采集模块，对开关柜的多维度运行参数进行采集，并在后台监测模块显示，从而实时监测开关柜运行状态的各类信息参量和运行环境信息，可以实现对开关柜状态的全方位、多维度监测，实现了开关柜的数字化升级，并降低了人力成本。

(2)数据采集模块采集的数据涵盖环境温湿度、一次回路温度、一次母线电压电流、避雷器泄漏电流、机械特性、开关量、局部放电、图像监测等，克服了单一状态量的监测局限。

(3)在边缘网关模块设置了存储器和定时器，可以实现本地采集的数据定时上传至后台监测模块，大大减少了数据传输量。

(4)设置了监控仪，利用数据比较单元可以将采集的各类数据与设定的数据进行比对，发现数据异常，并通过报警单元报警，还能够结合多要素综合研判预警，从而对开关柜的缺陷故障进行监测和预警，降低事故率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

一种开关柜多维度状态检测设备，如图1所示，包括数据采集模块、边缘网关模块和后台监测模块；数据采集模块用于采集开关柜的运行状态参数，包括运行环境检测单元、一次回路温度检测单元、一次母线电流电压检测单元、避雷器检测单元、开关柜机械特性检测单元、开关量检测单元、局放检测单元和图像采集单元；边缘网关模块与数据采集模块和后台监测模块相连，用于将数据采集模块采集的开关柜运行状态参数进行汇总和预处理后发送至后台监测模块；后台监测模块包括显示单元，显示单元用于实时显示开关柜的运行状态参数。

本申请在设备侧安装数据采集模块，对开关柜的多种运行参数进行采集，并在后台监测模块显示，从而实时监测开关柜运行状态的各类信息参量和运行环境信息，可以实现对开关柜状态的全方位、多维度监测，实现了开关柜的数字化升级，并降低了人力成本。

(1)运行环境检测单元

运行环境检测单元包括多个温湿度传感器，温湿度传感器安装在开关柜的仪表室和电缆室内，以及配电室内。温湿度传感器器可采用有源有线通用型。

通过测量开关柜柜内温湿度，不但能了解开关柜柜内运行的综合环境情况，还可以对触头温度、局放监测等参数的监测和报警提供参照数据。通过配电室内环境的监测，可以判断设备综合运行环境，设备是否存在凝露现象等。

(2)一次回路温度检测单元

一次回路温度检测单元包括多个温度传感器，温度传感器安装在开关柜内的电气连接部位，包括但不限于开关柜动触头、静触头、母排搭接处、电缆连接点。

温度传感器目前市场主流技术为RFID测温传感器及电流/电压取电的无源传感器。主要参数如表1。

表1温度传感器参数表

采用RFID技术的测温传感器，如测温触头、测温垫片、测温螺母等，其产品体积小，与设备的融合性较好。使用电流/电压取电的无源传感器，如绑扎式测温带、卡扣式测温环、测温触臂、测温堵头等。本实施例中，对开关柜的电气连接部位进行了比较，在开关柜动触头、静触头、母排搭接处和电缆连接点安装了温度传感器。

(3)一次母线电流电压检测单元

一次母线电流电压检测单元用于感知一次母线的电流和电压，包括电流传感器和电压传感器，电流传感器和电压传感器设置在开关柜中断路器的极柱内，与断路器极柱一体化浇筑，电流传感器为采用穿心式流变结构的电流传感器，电压传感器为采用电容分压原理的电压传感器。

(4)避雷器检测单元

避雷器检测单元被配置为测量避雷器的泄漏电流，并进行动作计数。

(5)开关柜机械特性检测单元

开关柜机械特性检测单元包括线圈电流传感器和位移传感器，线圈电流传感器设置在开关柜中断路器的分闸线圈、合闸线圈和储能电机回路上，位移传感器设置在开关柜中断路器的机构主轴或拐臂上，用于监测断路器动作时间和速度特性。

利用线圈电流传感器可以对分闸线圈、合闸线圈和储能电机电流等参数进行采集，位移传感器可以确定开关设备动作过程中触头分合时刻、分合闸速度等。

本实施例中，采用的传感器的参数如下：

表2霍尔电流传感器参数

序号	参数名称	值
			1	工作环境温度	-20～+85℃
2	环境湿度	≤85％
			3	匝数比	1：1000
4	测量电流范围	0～10A
			5	电流测量精度	2％
6	采样频率	256点/周波，或12.8kHz
			7	时间分辨精度	0.1ms

表3位移传感器参数

(6)开关量检测单元

开关量检测单元包括开关量信号采集器，用于检测开关柜中的开关量信号，开关量信号包括但不限于断路器分合闸位置信号、手车位置信号、地刀位置信号、柜门位置信号。

(7)局放检测单元

局放检测单元包括多个局放传感器，局放传感器的类型包括特高频传感器、暂态地电压传感器和超声波传感器，局放传感器设置在母线室和电缆室。

开关柜局部放电监测是电力设备运行中的重要监测手段。采用人工巡检的方法对局部放电进行检测不但成本高，且存在漏检的可能。本申请利用多种局放传感器对高压开关柜进行局部放电在线监测。

局放传感器类型包括特高频(UHF)、暂态地电压(TEV)和超声波(AE)传感器。本申请中，开关柜母线室及电缆室分别安装了特高频(UHF)、暂态地电压(TEV)和超声波(AE)三种类型的局放传感器，支持幅值图谱等多种数据类型上传，本实施例中使用了三合一传感器，参数如表4所示。

表4局放传感器参数表

(8)图像采集单元

目前视频监控技术已非常成熟，本申请利用摄像头采集开关柜的图像并上传，包括开关柜内接地开关图像、电缆孔图像、手车隔离断口图像及开关柜柜前图像等，这些图像可以体现开关柜内接地开关状态、电缆孔状态、手车隔离断口状态及开关柜柜前状态等。

(9)边缘网关模块

边缘网关模块包括数据接收单元和网关，数据采集模块与数据接收单元相连，数据接收单元与网关相连，网关连接后台监测模块；数据接收单元主要进行数据格式转化，能够将数据采集模块所采集的柜内温湿度数据、机械特性数据、局放数据传感器等数据进行汇总和格式转化；网关主要用于实现数据传输，数据采集模块采集的数据送入边缘网关模块，边缘网关模块基于网关，利用边缘代理服务器和网络交换机，采用4G/5G外网、MQTT协议等实现数据采集模块和后台监测模块的数据传输。

数据接收单元可以将各种数据信号转化为数字信号，如A/D数据转换、电磁波信号转化为数字信号等。为了满足数据采集模块的多种传感器的要求，数据接收单元具备扩展功能，支持多种modbus-RTU通讯协议数据的接入，部分开关量接点信号统一接入其I/O开关。数据采集模块与数据接收单元设有集线器，可以将数据采集模块的多种传感器的接线进行整理，便于管理和维护，且整齐美观。

此外，边缘网关模块还包括存储器和定时器。考虑到数据采集模块采集的多种数据全部上传后台监测模块的数据传输量较大，为减少边缘网关模块的能耗，可以将数据采集模块采集的数据存储在存储器，并分别为每种数据设置上传频次，再由定时器按照上传频次发送对应的脉冲信号，触发数据上传。如图像视频数据存储在开关柜设备侧的存储器，然后每隔5s截取一帧图像并上传，同理，温度数据、电流电压数据等，也可以定时截取并上传。后台监测模块在需要完整数据时(如需要进行运行状态评估、数据分析等)，可以主动从设备侧提取完整数据。

可以理解的是，边缘网关模块的格式转换、数据传输、定时传输等均可以使用现有技术实现，类似于物联网中将采集的传感器数据汇总、预处理和上传的终端设备。

(10)后台监测模块

后台监测模块包括显示单元，显示单元以图表的形式展示数据采集模块上传的数据。

后台监测模块还包括监控仪，监控仪包括数据比较单元和报警单元，数据比较单元与报警单元相连。报警单元可以包括蜂鸣器、LED灯等装置，从而发出报警信息。

数据比较单元可以对传感器信号进行检测，如：用于温湿度数据大小检测的逻辑比较电路、温度数据大小检测的逻辑比较电路、电流电压数据大小检测的逻辑比较电路、信号峰值检测的检测电路等。一定程度上，数据比较单元可以帮助自动识别开关柜数据的异常，进而可以对开关柜的缺陷故障进行监测和预警，从而降低事故率。

除了由显示单元进行数据显示外，本申请在后台监测模块加入了数据比较单元和报警单元，数据比较单元可以将数据采集模块上传的数据与设定的数据进行比较，从而判断是否数据是否存在异常，若存在异常，则可以由报警单元进行报警，实现了开关柜的智能化升级。

可以分别设定各项数据的正常范围值，数据比较单元判断数据采集模块上传的数据是否落在正常范围值内，从而判断数据是否存在异常，由报警单元进行报警。也可以建立数据库，其中存放开关柜的标准状态参数和历史状态参数，数据比较单元与数据库相连，获取各项数据的标准值和历史值，将数据采集模块上传的数据与标准值和历史值进行纵向和横向逻辑比较，从而根据比较结果判断数据是否存在异常，由报警单元进行报警。

运行环境检测单元采集的温湿度数据送入数据比较单元，后台监测模块可以根据数据比较单元的输出判断开关柜的运行环境是否存在异常，如环境温度、湿度过高，由报警单元进行报警。一次回路温度检测单元采集的温度数据送入数据比较单元，后台监测模块可以根据数据比较单元的输出判断开关柜动触头、静触头、母排搭接处、电缆连接点等处是否异常，如触头/母排温度高于阈值、三相温度不平衡等情况，由报警单元进行报警。一次母线电流电压检测单元采集的电流数据和电压数据送入数据比较单元，后台监测模块可以根据数据比较单元的输出判断一次母线的电流电压是否异常，由报警单元进行报警。避雷器检测单元采集的数据送入数据比较单元，后台监测模块可以根据数据比较单元的输出判断开关柜的避雷器的状态，如雷击动作次数超出阈值等，由报警单元进行报警。

开关柜机械特性检测单元采集的数据送入数据比较单元，数据上传后，后台监测模块可以分析储能时间、分合闸时间、速度、开关动作行程、刚分速度、刚合速度等，利用数据比较单元判断分/合闸速度超差、分/合闸回路异常、储能回路异常等，由报警单元进行报警。

开关量检测单元可以检测开关柜中的开关量信号，开关量信号包括但不限于断路器分合闸位置信号、手车位置信号、地刀位置信号、柜门位置信号。一方面，可以根据各个开关量信号判断分合闸位置、手车位置等是否到位，并在出现异常时由报警单元进行报警，另一方面，可以综合多个开关量信号，实现断路器分合闸“位置双确认”、设备位置和分合闸状态感知等，并在出现异常时由报警单元进行报警。

局放检测单元采集到的数据送入数据比较单元，后台监测模块利用数据比较单元可以判断是否存在异常，由报警单元进行报警，如母线室和电缆室的特高频超标报警、超声波超标报警、暂态地电压超标报警以及各类传感器设置时间段内检测到超标值的次数高于设定值报警等；后台监测模块利用局放检测单元采集到的数据，能够评估开关柜的运行状态和绝缘强度，及时发现开关柜绝缘的薄弱环节，找出故障原因并及时进行处理，具有重要的意义

图像采集单元包括摄像头，能够采集图像视频数据，数据比较单元可以通过图像视频数据判断开关柜的状态是否改变。

此外，还可以综合数据采集模块多个传感器的参数，对开关柜的状态进行评估，如：依据温湿度、开关柜局部放电情况、触头温度等评估开关柜的绝缘状态。

可以理解的是，局放检测单元上传的数据为幅值图谱数据类型，图像采集单元上传的是图像视频数据，其他的运行环境检测单元、一次回路温度检测单元、一次母线电流电压检测单元、避雷器检测单元、开关柜机械特性检测单元和开关量检测单元上传的数据类型也各有不同，因此，数据比较单元需要根据数据类型进行适应性调整，如针对图像采集单元，设置用于图像检测的AI模型，判断图像数据是否存异，实现对开关柜手车、电缆孔等状态的在线监测，针对运行环境检测单元，可以设置用于数值大小比较的逻辑电路，从而判断温湿度是否正常，等等。现有技术中，针对图像数据、幅值图谱数据、温湿度、电流电压以及其他数据，可以利用数值转换、图像识别、数据分析等技术进行在线分析、监测和诊断，本领域人员实施时可以直接使用现有技术实现，如中国专利CN113884846A、CN112234718A、CN106568533A、CN205670247U等，本领域人员可以理解，在此不再赘述。

当数据比较单元检测到数据异常时，报警单元发出报警信号，同时，可以反馈至边缘网关模块，可以适当增加数据的上传频次，以保证开关柜的状态实时更新。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，包括数据采集模块、边缘网关模块和后台监测模块；

所述数据采集模块用于采集开关柜的运行状态参数，包括运行环境检测单元、一次回路温度检测单元、一次母线电流电压检测单元、避雷器检测单元、开关柜机械特性检测单元、开关量检测单元、局放检测单元和图像采集单元；

所述边缘网关模块与数据采集模块和后台监测模块相连，用于将数据采集模块采集的开关柜运行状态参数发送至后台监测模块；

所述后台监测模块包括显示单元，所述显示单元用于实时显示开关柜的运行状态参数；

所述开关柜机械特性检测单元包括线圈电流传感器和位移传感器，所述线圈电流传感器设置在开关柜中断路器的分闸线圈、合闸线圈和储能电机回路上，所述位移传感器设置在开关柜中断路器的机构主轴或拐臂上；

所述局放检测单元包括多个局放传感器，所述局放传感器的类型包括特高频传感器、暂态地电压传感器和超声波传感器，所述局放传感器设置在母线室和电缆室。

2.根据权利要求1所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述运行环境检测单元包括多个温湿度传感器，所述温湿度传感器安装在开关柜的仪表室和电缆室内，以及配电室内。

3.根据权利要求1所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述一次回路温度检测单元包括多个温度传感器，所述温度传感器安装在开关柜内的电气连接部位，包括但不限于开关柜动触头、静触头、母排搭接处、电缆连接点。

4.根据权利要求1所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述一次母线电流电压检测单元包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器和电压传感器设置在开关柜中断路器的极柱内，与断路器极柱一体化浇筑，所述电流传感器为采用穿心式流变结构的电流传感器，所述电压传感器为采用电容分压原理的电压传感器。

5.根据权利要求1所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述开关量检测单元包括开关量信号采集器，用于检测开关柜中的开关量信号，所述开关量信号包括但不限于断路器分合闸位置信号、手车位置信号、地刀位置信号、柜门位置信号。

6.根据权利要求1所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述图像采集单元包括多个摄像头，所述摄像头用于采集开关柜内接地开关图像、电缆孔图像、手车隔离断口图像及开关柜柜前图像。

7.根据权利要求1所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述边缘网关模块包括数据接收单元和网关，所述数据采集模块与数据接收单元相连，所述数据接收单元与网关相连，所述网关连接后台监测模块。

8.根据权利要求7所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述边缘网关模块还包括存储器和定时器。

9.根据权利要求7所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述数据采集模块与数据接收单元设有集线器。

10.根据权利要求1所述的一种开关柜多维度状态检测设备，其特征在于，所述后台监测模块还包括监控仪，所述监控仪包括数据比较单元和报警单元，所述数据比较单元与报警单元相连。

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