基于广义物联网的监测一体数字开关柜全过程控制关键技术及应用研究
摘 要：本文从城乡配电网数字化建设与多元性负荷、分布式发电基础建设深入开展，为全面落实开关设备数字化与广义物联网工程精益化监控需求入手，首先介绍了实现开关设备全过程控制的必须解决的几个关键技术点：基于多种数据结构与通信方式的多源异构数据统一处理方法，开关设备关键参数趋势预测，基于时间敏感网络的的边缘计算平台构建，展示了全数字开关设备物联网“终端、网络、平台、应用、安全”五位一体的技术构成体系。最后，将该项目实施的结果和国内外同类技术产品进行对比，分析其优劣，并说明其广泛的应用现状和前景。 关键词：异构多源数据处理；全寿命周期维护；数字化监控；广义物联网；系统构架
城镇配电网处于电网末端，是智慧城市、新型城镇化发展的电力保障线，是保障电力“落得下、用得上”的关键环节，也是“十四五”期间落实城镇配电网“高质量、智能化、泛在物联网化”的攻坚环节。随着城乡配电网数字化建设与多元性负荷、分布式发电基础建设深入开展，为全面落实开关设备数字化与广义物联网工程精益化监控提出了新的挑战[1-4】：①配电网开关设备实现物联网监控需要解决应对异构多源数据的接入与建模复杂性问题；②日益错综复杂的配电网设备与网络结构存在信息更新频繁，数字化开关全寿命周期监控指标量化追溯系统监控与定性困难；③全数字物联网智能开关设备监控一体化平台建设需要进行智能化监测与辅助决策的问题；④配网设备大批量数字化监测出现资源无效占用管控缺失，全数字开关设备物联网“终端、网络、平台、应用、安全”五位一体的技术支撑难度大[5-8】。
1 成果及创新
本项目的总体目标是在广义物联网框架下，创建基于电网结构化管理和图形化展现的多种数据结构与通信方式的多源异构数据统一建模方法，并在此基础上，完善现有的基于跟踪性能退化的数据量测融合原理的基准信号提取技术，与多传感器信息冲突模式下自适应分配融合权重技术，研究建立一套系统完整的能够短期内实现开关设备绝缘、机械特性、温升等估和趋势预测机理，结合针对复杂配网开关设备专用RFID 终端，实时监控技术监测节点+现场监测单元，构建统一的广义物联网监测一体化平台DigPower。创造性地提出了基于事件触发的广义物联网模糊控制理论与实施机制的控制策略，通过策略优化与调度机制，提升了国网数据维护精益化水平，有力支撑了状态检修、全寿命周期维护、决策智能分析、电力泛在物联网工程等应用。本项目的主题创新逻辑关系如图1所示：
图1 成果体系的框架结构
创新点1：在广义物联网体系下，构建了多源异构通信数据统一处理构架。
针对目前城镇配电网能源结构日趋多样化、配网体系日趋复杂化的形式需要，为了解决了配网开关设备关键部件数字化底层模型统一化难题，综合考虑下配电网络等效频谱阻抗网络模型；研究电能质量参数监控与开关过程动态匹配时序关系，建立复杂工况下配电网多源异构数据整合规则。根据工业物联网需求，构建如图2所示的边缘数据采集与可视化平台和可视化工业APP（明翰宝）
目前城镇配网开关设备的监测数据主要由结构化数据、非结构化数据、实时数据和外部接入性数据构成，其多源异构数据的处理一般框架如图3所示[2】，目前较好实现故障预警、状态监测等运维要求，在运维策略优化、故障定位和状态评价等方面还能结合用户需求做定制化方案。
图3 多源异构数据处理一般框架
创新点2：针对缘计算能力指标弱问题，构建了基于功率密度谱分析的时间敏感网络的云-边-物的边缘计算平台“Smart-Switch”。
研发了基于事件触发的模糊控制理论与实施机制，揭示了边缘计算的策略优化与调度机制内在规律，首次采用了基于放电介质参数评价指标的功率谱雷达图综合估计方法，提升国网数据维护精益化水平，创新形成了时间敏感网络的云-边-物的边缘计算平台“SmartSwitch”，使得事故状态下主机和网络的负载率低于35%，事故站间分辨率小于1 ms；
项目组提出了基于事件触发的广义物联网模糊控制理论与实施机制的控制策略，揭示了调度机制的规律，并实现了策略优化。针对广义物联网条件下，特别是大范围多源能源负荷冲突、配网开关协调控制余量不足等难题，发明了一种基于多阶渐进性模糊控制的调度策略，同时研制了由PLM产品生命周期管理系统、多源协同控制系统、关键部件条码管理系统、智能配电管理系统DigiPower、明翰私有云、配电宝APP、BMP APP所构成一个闭环控制系统，从而实现了开关设备数字化信息有效收集、快速传递与信息资料共享，并实现智能辅助决策的全景运维系统，为全数字开关设备物联网监控平台提供基础的控制策略与辅助分析如图4所示。
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图4 智能辅助决策的全景运维系统
采用了基于放电介质参数评价指标的功率谱雷达图综合估计方法，利用盲元分离和功率谱分析(PSD)时间差分定位技术，并集成多传感器信息冲突模式下自适应分配融合权重技术，实现了开关设备的数字化绝缘监测与诊断。跟踪性能退化的数据量测融合原理的基准信号提取技术、基于功率密度谱分析时间差分定位法、基于DS理论多传感器匹配模型，来构建基于放电介质参数评价指标的功率谱雷达图综合估计法等问题展开研究，从而进一步改进现有方案的局限性。通过研制具有盘状旋开结构的局部放电检测装置，避免以往局部放电测试设备外置式精度不高、内置式工作空间需求过大的缺点。提出一套适用于电力设备复杂工况的绝缘质量动态评估与趋势预测分布式量化测控系统设计方法，为运行的诊断分析系统提供支撑。
创新点3：针对开关设备数字化改造和广义物联网的底层设计，突破了开关设备数字化的主要零部件与载体优化的关键技术。研发新型断路器核心结构，并对周边装置进行优化。首次提出盘状旋开、伞状推拉的操作机构，以此优化开关柜操作机构载体的出力特性与控制精度；针对开关柜的触臂套和固封极柱进行铜铝并行的结构改造，通过ANSYS、Adams、ProE、Matlab多种软件联合仿真，提高开关柜的可靠性、体积缩小15%并降低安装施工成本30%以上。
图5 基于数字化改造的盘状旋开、伞状推拉结构的操作机构设计
为了实现开关设备小型化、轻量化改造，针对开关柜的触臂套和固封极柱进行铜铝并行的结构改造，提高开关柜的可靠性、缩小体积并降低安装施工成本：减少了数字开关关键部件断路器的体积，优化了结构，并为进一步数字化改造预留了空间。系统性地发明了一种VD4高压真空断路器触臂套、一种VD4真空中压断路器触臂与固封极柱的连接装置和一种VD4真空断路器触臂与触头的安装结构；该三种结构通过整合设计与空间布局，特别是铜铝并行的结构改造，集成安装与实施过程中可以缩小安装体积15%，降低总体重量10%，并且降低了关键零部件生产成本20～30%（以ZS8N-1250为例，同样整柜配置14年售价7.5万元，18年售价才3.8万元，年均售价降幅达5 000元/年，整柜生产成本2.5万元左右），取得了极好的市场竞争能力与销售优势，带动了相关行业和配套企业的竞争力，为此明翰相关产品ZS8N550获得科技部火炬计划示范工程奖励。
在保证原有温升、结缘和机械性能的基础上，通过ANSYS、Adams、ProE、MATLAB等多种软件联合仿真，提高整个装备的可靠性、优化了实物载体:通过多种软件联合仿真分析（如图7所示），可以更好复原开关设备运动物理过程，通过有限元方法追溯影响物理和机械、电气耦合情况下的影响要素，并进行定量分析，从而获得更加实用的参考与分析效果，从而从根本上解决开关数字化后的前期设计有效与定量问题。
图7 多种软件联合仿真分析实例
成果核心技术：数字化断路器及周边结构；数字化开关柜三大特性监测（机械特性、温升、绝缘 特性）；边缘计算平台SmartSwitch；广义物联网监测一体化平台DigiPower等；表1为国内外数字化开关的结构参数对比表，由表1可知成果产品在开关柜机械特性、温升、绝缘特性的监测等方面具有技术优势。
2 结 论：该项目以智能制造和数字化生产的行业需求为出发点，紧密围绕行业生产与施工的三大构成要素，主要针对目前配电网能源结构日趋多样化、配网体系日趋复杂化的形式需要，针对电网基础薄弱、缺乏全寿命周期全过程维护能力弱、配网设备与整体规划缺乏协调、设备分布不合理与电力设备监测与负荷预测不精确等行业痛点开展相关建设工作。该项目紧密围绕高电压开关柜数字物联网全过程监控过程开展研发与产业化工作。项目组经多年合作攻关，突破了城镇配电网开关设备数字化与广义物联网工程精益化监控平台关键技术，取得了如下创新：
（1）创建了基于电网结构化管理和图形化展现的多种数据结构与通信方式的多源异构数据统一建模方法，实现了配网开关设备关键部件数字化难题，提高了城镇配电网关键设备数字监控与辅助决策能力，对接国家电网装置设施近5万套，为约30万个数字开关监测点设备统一构建分析模型。
（2）采用盲元分离和功率谱分析(PSD)时间差分定位技术，并完善现有的基于跟踪性能退化的数据量测融合原理的基准信号提取技术,与多传感器信息冲突模式下自适应分配融合权重技术，研究建立一套系统完整的能够短期内实现开关设备绝缘、机械特性、温升等估和趋势预测机理，结合针对复杂配网开关设备专用RFID 终端，实时监控技术监测节点+现场监测单元，构建统一的广义物联网监测一体化平台DigPower。已大规模应用到各级电网企业，降低了数字化开关设备运行安全风险，提高了数字化开关的巡检及隐患排查效率。
（3）创新性地研发了基于盘状旋开、伞状推拉结构的开关设备的操作机构、触臂套、固封极柱、安装结构和保护装置的断路器结构与周边装置设计，在保证原有温升、结缘和机械性能的基础上，提高整个装备的可靠性、缩小了体积与降低了安装施工成本，为城镇配电网小型化、轻量化、数字化改造，数字化监控一体化网络监控的实施优化了实物载体。
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（4）针对目前多传感器检测系统，采集信息冲突、先验信息不易获取、分布假设不符合实际、背景噪声干扰大于局部放电信号，从安装位置、定位方法、传感器复合化模式等多个角度进一步完善基于放电介质参数评价指标的功率谱雷达图综合估计法和改进的多水平异质性模型；提出并完善了基于功率密度谱分析的时间敏感网络的云-边-物的边缘计算平台“SmartSwitch”，创造性地提出了基于事件触发的广义物联网模糊控制理论与实施机制的控制策略，通过策略优化与调度机制，提升了国网数据维护精益化水平，有力支撑了状态检修、全寿命周期维护、决策智能分析、电力泛在物联网工程等应用。
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