1.引言
高压开关柜作为电力系统中的关键设备，承担正常线路的开合、故障线路的切除，对电网的安全稳定运行起着控制和保护双重作用，其运行状态的好坏直接影响电力系统的可靠运行[1]。通过对近10年来全国高压开关设备运行情况的调研，可知开关柜中常见的故障可分为：热故障、机械故障、开合故障、载流故障、绝缘故障及其他故障，其中热故障、绝缘故障以及机械故障是所有故障中发生频率最多的故障[2]。因此，有必要对高压开关柜的温度、机械以及绝缘状态进行重症监护。
以往的高压开关柜重症监护系统只针对开关柜的某个单项性能，本文设计一套监测内容全面的开关柜多参数重症监护系统，该监护系统对开关柜进行全面的综合状态监测以及开关柜的检修维护具有重要的工程实际意义。
2.开关柜重症监护内容
开关柜重症监护的内容是在对历年事故分析的基础上建立起来的，根据开关柜故障机理的相关分析，普遍认为开关柜重症监护包括了以下内容[3]：
（1）热参数监护：A、B、C三相开关侧和电缆侧的触头温度，柜内温度等；
（2）机械特性参数监护：断路器振动信号、操作次数、行程以及分、合闸线圈电流等；
（3）绝缘状态参数监护：泄露电流、局部放电、介损等；
（4）电气性能参数监护：三相的电流、电压，断路器的开断电流等。
上述监护内容是从不同的角度反映高压开关柜的运行状态，在实际的监护系统中，可根据不同的需要，选择不同的内容进行监护。本文从高压开关柜常见的热故障、绝缘故障及机械故障出发，为全面监测开关柜的运行状态，选取温度、泄露电流、局部放电、振动等信号作为监测内容。
3.开关柜重症监护系统的设计
开关柜多参数重症监护系统是指对存在疑似缺陷的设备，利用先进的传感技术，综合应用多种先进的状态监测技术，通过专业人员实时、长期监测其缺陷发展过程，防范故障发生的一种开关柜状态监测设备。
3.1重症监护系统总体设计方案
本开关柜重症监护系统的总体设计方案如图3-1所示，整个设计系统分为硬件数据采集系统、通信系统、上位机监控软件三部分[4]~[5]。硬件数据采集系统负责将采集到的特征信号通过RS485总线传送到监测上位机，上位机中的监测软件通过对原始数据进行处理得到反映设备运行状态和用于故障诊断的状态参量，判断开关柜是否存在故障。
图3-1 开关柜重症监护系统整体结构
3.2重症监护系统硬件设计
本开关柜重症监护系统的硬件部分主要由传感器、数据采集单元、RS-485通信总线组成，如图3-2所示。
图3-2 重症监护系统硬件框图
局部放电是导致开关柜绝缘老化和绝缘故障的主要原因，作为表征绝缘状态最为有效的特征量，通过监测开关柜发生局部放电时产生的电脉冲、超声波、电磁辐射等信号，可对开关柜的绝缘特性进行监测，本文选取TEV传感器、4路超声传感器和HFCT传感器实现开关柜局部放电的监测与定位，有助于及时发现设备早期绝缘缺陷，实现对开关柜绝缘潜伏性故障的早期预警；断路器的机械振动信号是一个丰富的载体，包含着设备的大量状态信息，它由一系列的瞬态波形构成，而每一个瞬态波形都能与机械构件的运动状态变化找到对应的关系，本文选取压电式传感器监测断路器操动时发出的机械振动信号，判断断路器的工作状态，从而发现在机械部件中出现的某些故障；本文选取温度传感器监测开关柜内母线室、电缆室、开关室等重要部位连接处的温度来判断是否发生过热故障。
3.3开关柜重症监护系统软件设计
软件程序作为重症监护系统的灵魂，支配着系统中各个模块和组件协调、有序地运转。本系统软件实现方法采用LabVIW与Matlab的混合编程方法。开关柜重症监护系统以windows7系统工控机为基础，采用LabVIEW作为虚拟仪器开发平台，LabVIEW采用可视化的G语言，广泛应用于控制监护系统的开发。LabVIEW编译简单，函数库齐全，可以实现数据采集、波形显示、数据分析、报警显示和数据储存等功能，如图3-3所示。但其对所接收数据的处理能力稍显不足，在构建的LabVIEW平台中引入Matlab脚本节点，将Matlab融入LabVIEW，关键在于使用MathScript节点技术。当LabVIEW接收到数据，并进行数据处理时，会知行MathScrip节点，借助ActiveX控件，达成LabVIEW与Matlab的通信，所需处理的数据由此发送给后台运行中的Matlab。Matlab处理完数据再按原通道发回处理后的数据。由此，将Matlab的强大数据处理能力融入到了LabVIEW的监测平台中[6]。
图3-3 LabVIEW编程软件
依据重症监护系统的功能需求和LabVIEW的编程特点，同时考虑高压开关柜运行状态参数处理、显示的实时性和人机交互的便利性，本系统的软件设计主要从在线监测模块、人机交互模块、数据存取模块、数据处理模块四个部分进行，其总体方案如图3-4所示。在人机交互模块中，用户有由登录模块输入账号密码进入开关柜重症监护系统，并通过参数配置模块，选择信号通道，设置采样率、采样点数等；在线监测检测模块包括局放信号、振动信号等信号波形图的显示，温湿度、电压、电流参数的实时显示以及实时数据超出设定阈值后的报警显示；数据存取模块不仅可以对当前的数据进行实时数据存储及存储位置修改，还可对原有保存的数据进行即时查询，数据格式为exl格式，导入即可看到原有数据的分布趋势；数据处理模块，通过MathScript和Matlab结合的数据分析脚本节点，实现对数据的深层处理。
图3-4 重症监护系统软件总体设计框图
4.开关柜重症分析与故障诊断
高压开关柜在实际运行过程中，受到电、热以及机械的应变或是外界环境因素的影响，会造成其特性与性能降低等劣化现象。针对目前开关柜设备缺陷原因的分析主要依赖阈值判定和人工估测，其诊断结论过于主观粗糙，无法有效指导检修维护工作的不足。本文提出将故障树分析法和基于规则的诊断专家系统有机的结合起来[7]，对开关柜的多种参数进行监护，不仅能发现开关柜各主要装置存在的故障及故障原因，而且能对一些基本的故障类型进行预测，为开关柜的检修提供改进方案和维修建议。
5.结束语
本文通过总结以往开关柜重症监护系统的不足，提出基于LabVIEW的高压开关柜多参数重症监护系统，系统由开关柜内参数采集传感器、数据处理单元、监控上位机组成。该系统结构合理、性能可靠，具有良好的系统可扩展性，能够实现现场实时监测开关柜的断路器机械振动、三相电压电流、触点温度、柜内环境温湿度以及局部放电等多个参数，并通过LabBIEW编写的上位机界面实时展现开关柜的运行情况。通过对开关柜的重症监护，可以及时地发现异常状况，规避故障积累，有效地进行故障预警和报警，确保高压开关柜安全可靠的运行。同时，借助专家诊断系统可以及时找出故障发生的具体原因，有利于提供开关柜改进方案和维修建议，提高电力企业的效率。
论文作者:梁建锋,付蓉,梁建辉,李科,叶继宁,罗东江
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/11
标签：开关柜论文; 故障论文; 重症论文; 系统论文; 数据论文; 参数论文; 模块论文; 《电力设备》2019年第3期论文;