一种物联网一二次融合环网柜的制作方法

1.本发明涉及一种环网柜，具体而言，涉及一种物联网一二次融合环网柜。


背景技术：

2.环网开关设备作为配电网中的关键设备，对于降低故障风险、减少故障损失和人工运维成本具有十分重要的意义。随着物联网技术的飞速发展，电网与物联网技术的结合为配电网发展带来了新的突破。因此，一二次融合环网柜物联网化将为配电物联网建设提供基础保障。
3.现有的一二次融合环网柜只能实现对电压、电流和温湿度等基本状态量的检测，而对于电缆连接和绝缘缺陷等缺少有效的监测手段，已无法满足当前配电网的需求，具体存在以下缺陷：(1)缺少本体状态自主监测功能，而是靠人工定期巡视来排除隐患；(2)集中式fa不能满足快速隔离自愈的需求；(3)集中式dtu无法兼顾出线保护需求；(4)设备独立生产和独立检测，内部关联度低。
4.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：现有的一二次融合环网柜缺少对本体状态的自主监测功能，导致无法对自身故障进行快速地隔离保护。目的在于提供一种物联网一二次融合环网柜，将一次开关、二次终端和在线监测设备深度融合，实现一二次融合环网柜的一体化生产、监测和调试功能，使一二次融合环网柜能够对本体故障进行快速地自主判断和切除。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一次开关、物联网终端和在线监测设备；
8.所述物联网终端和所述在线监测设备设置在所述一次开关内，所述物联网终端与所述在线监测设备和主机站通信连接；
9.所述物联网终端包括：
10.主控模块，用于电压电流进行采样、计算和故障判定，完成配电自动化终端与主站系统之间的通信，以及完成遥信、遥测、遥控以及遥调的实时监测转发；
11.遥测模块，用于采集ac模拟量，并将采集的ac模拟量进行电压信号转换、滤波和ad采样后发生到所述主控模块；
12.遥信模块，用于采集开入量，并对开入量进行光电隔离和过压保护后输入所述主控模块的可编程逻辑器；
13.遥控模块，用于对开出量进行光电隔离后输出到所述主控模块和开关辅助接点。
14.作为对本发明的进一步描述，所述物联网终端包括：dtu公共单元和dtu间隔单元；所述dtu公共单元与所述dtu间隔单元和所述主机站通信连接；所述dtu间隔单元包括：网络通信单元、信号处理单元和显示装置；
15.所述信号处理单元包括：遥测装置、遥信装置和遥控装置；
16.所述遥测装置包括：电缆电流监测器、环境温湿度传感器、sf6气体传感器和接头节点温度监测器；
17.所述遥信装置包括：接地刀动作出发开关、断路器分合闸出发开关和gis地理信息系统；
18.所述遥控装置包括：接地刀电动执行机构、断路器电动执行机构和负荷开关电动执行机构。
19.作为对本发明的进一步描述，所述在线监测设备包括：温度在线监测设备、局放在线监测设备和机械特性在线监测设备；所述温度在线监测设备、所述局放在线监测设备和所述机械特性在线监测设备与所述dtu间隔单元通信连接。
20.作为对本发明的进一步描述，所述温度在线监测设备包括：测温堵头、rfid读写器和监控主机，所述测温堵头内置温度传感芯片；所述测温堵头与所述rfid读写器通信连接，所述rfid读写器与所述监控主机电性连接；所述测温堵头设置在所述物联网一二次融合环网柜的电缆插头的尾部，所述电缆插头位于所述一次开关的进/出线套管处。
21.作为对本发明的进一步描述，所述温度传感芯片为无机非金属材质的高精度超低功耗温度传感芯片。
22.作为对本发明的进一步描述，所述温度传感芯片内置数据存储单元。
23.作为对本发明的进一步描述，所述局放在线监测设备包括：uhf天线传感器和信号处理单元，所述uhf天线传感器与所述信号处理单元通信连接，所述信号处理单元用于监测局放信号。
24.作为对本发明的进一步描述，所述uhf天线传感器包括：天线、高通滤波器、放大器、耦合器和屏蔽外壳。
25.作为对本发明的进一步描述，所述局放在线监测设备包括：噪声传感器，所述噪声传感器与所述信号处理单元通信连接；所述信号处理单元用于对噪声干扰进行分离；所述信号处理单元内置用于排除瞬时脉冲冲击干扰的数据处理芯片。
26.作为对本发明的进一步描述，所述机械特性在线监测设备包括：磁场发生器、机械特性传感器和终端处理器；所述磁场发生器设置在所述一次开关的断路器机构主轴上；所述机械特性传感器与所述断路器机构主轴不接触，所述机械特性传感器通过电磁感应与所述终端处理器连接。
27.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28.1、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，将物联网终端和在线监测设备设置在一次开关内，实现了一次设备、二次设备和在线监测设备的深度融合，通过物联网终端连接位于传感网络层的在线监测设备和位于传输网络层的主机站，部署了一二次融合环网柜的“端-层”结构，为一二次融合环网柜部署了一体化的生产、监测和调试功能，使一二次融合环网柜能够对本体故障进行快速地自主判断和切除。相较于传统配电环网柜采取将高压设备装在金属或非金属绝缘柜体内并做成拼装间隔式环网供电单元的电气设备的方式，本技术高度集成配电开关设备，是在传统配电环网柜基础上，集成二次系统数据采集、通信、电源监测等模块，实现主设备和辅助设备的深度融合，优化系统接口，减少内部线缆布线、全方面提高系统可靠性，同时在一定程度上降低了设备成本，减少了现场安装及调
试的工作量。
29.2、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，将物联网终端和在线监测设备设置在一次开关内的方式，相较于现有的一二次融合环网柜独立生产、独立检测的特点而言，设备的融合度更高、体积更小，且便于维护；
30.3、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，通过加装无源测温系统、sf6气压检测仪、柜门监测等辅助功能，能使工作人员在主站、子站通过远端设备直接了解环网柜设备情况，使环网柜自动化应用更具有智能性。同时新型自动化环网柜的显示控制面板，简化传统环网柜的仪表，方便运维人员操作或检修，保证了通信的时效性；
31.4、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，一体式测温堵头安装在电缆插头尾部，电缆插头安装在一次开关的进/出线套管处，实现了出线保护功能；
32.5、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，温度传感芯片为无机非金属材质，不会对引起一次设备局部放电和击穿；
33.6、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，测温堵头、rfid读写器和监控主机配合工作，实现了导体温度的直接测量，且不影响绝缘性能，无需外部电源；
34.7、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，uhf天线传感器采用屏蔽外壳，可防止外部信号干扰；
35.8、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，通过信号处理单元将噪声传感器和uhf天线的信号进行对比分析，分离噪声干扰，可排除干扰开关操作造成的瞬时脉冲冲击干扰，从而提高局放监测准确度；
36.9、本发明实施例提供的一种物联网一二次融合环网柜，械特性传感器与断路器主轴之间为非机械接触结构，避免了因为固定不牢固导致监测的速度、位移数值不准确的问题。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
38.图1为本发明实施例提供的物联网一二次融合环网柜整体结构示意图；
39.图2为本发明实施例提供的物联网终端结构示意图；
40.图3为本发明实施例提供的在线监测设备结构示意图；
41.图4为本发明实施例提供的温度在线监测设备结构示意图；
42.图5为本发明实施例提供的rfid系统的工作原理图；
43.图6为本发明实施例提供的局放在线监测设备结构示意图；
44.图7为本发明实施例提供的局放在线监测设备的工作原理图；
45.图8为本发明实施例提供的机械特性在线监测设备的结构示意图；
46.图9为本发明实施例提供的机械特性在线监测设备的工作原理图；
47.图10为本发明实施例提供的机械特性在线监测设备的工作流程示意图。
48.附图中标记及对应的零部件名称：
49.101-一次开关，102-物联网终端，103-在线监测设备，201-dtu公共单元，202-dtu间隔单元，301-温度在线监测设备，302-局放在线监测设备，303-机械特性在线监测设备，401-测温堵头，402-rfid读写器，403-监控主机，501-uhf天线传感器，502-噪声传感器，503-信号处理单元，601-磁场发生器，602-机械特性传感器，603-终端处理器。
具体实施方式
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
51.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
52.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
53.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
54.实施例
55.由于现有的一二次融合环网柜只能实现对电压、电流和温湿度等基本状态量的检测，而对于电缆连接和绝缘缺陷等缺少有效的监测手段，已无法满足当前配电网的需求，表现为：(1)缺少本体状态自主监测功能，而是靠人工定期巡视来排除隐患；(2)集中式fa不能满足快速隔离自愈的需求；(3)集中式dtu无法兼顾出线保护需求；(4)设备独立生产和独立检测，内部关联度低。
56.针对上述缺陷，本实施提供了一种物联网一二次融合环网柜，如图1所示，包括：一次开关101、物联网终端102和在线监测设备103；所述物联网终端102和所述在线监测设备103设置在所述一次开关101内；所述物联网终端102用于根据所述在线监测设备103的监测数据进行故障判断并故障切除；所述物联网终端102与所述在线监测设备103和主机站通信连接。所述物联网终端包括：
57.主控模块，用于电压电流进行采样、计算和故障判定，完成配电自动化终端与主站系统之间的通信，以及完成遥信、遥测、遥控以及遥调的实时监测转发；
58.遥测模块，用于采集ac模拟量，并将采集的ac模拟量进行电压信号转换、滤波和ad采样后发生到所述主控模块；
59.遥信模块，用于采集开入量，并对开入量进行光电隔离和过压保护后输入所述主
控模块的可编程逻辑器；
60.遥控模块，用于对开出量进行光电隔离后输出到所述主控模块和开关辅助接点。
61.上述物联网一二次融合环网柜中，将物联网终端102和在先监测设备一体化安装在一次开关101的内部；其中，物联网终端102一方面与在部署在传感网络层的在线监测终端通信连接，另一方面与部署在传输网络层的主机站通信连接，为物联网一二次融合环网柜搭建了“端-层”结构，实现了一次设备、二次设备和在线监测设备103三者深度融合，使物联网一二次融合环网柜具备了一体化生产、监测和调试功能，从而能够对环网柜本体故障进行快速地自主监测和切除，相较于现有的一二次融合环网柜独立生产、独立检查的特点而言，具有更高的融合度，并且与人工定期巡查的故障排除方式相比，具有更高的排除效率和准确度。此外，一体式的部署使得物联网一二次融合环网柜具有更小的体积，便于维护。
62.另外，
63.主控芯片模块采用功能强大的arm dsp双核cpu，具有强大的运算能力和易扩展性。数据处理单元采用高速数字信号处理器dsp为主处理器，负责10kv线路电压电流交流采样、计算和故障判定，每块数据处理单元可处理60个ac模拟量输入，4个dc模拟量的输入。同时主控芯片模块负责配电自动化终端与主站系统之间的通信，可完成遥信、遥测、遥控以及遥调的实时监测转发功能。主控芯片模块可提供2个rs232口、2个rs485口、2个100/10base-t以太网口、1个gps接口、1个can接口，可通过外挂modem或以太网与自动化主站或子站系统之间保持实时通信，上传配电终端采集信息、接受远程遥控命令。
64.每块遥测芯片可采集10个ac模拟量，和1个dc电压采集。交流模拟量经电压/电流互感器隔离后转换为电压信号，经滤波、ad采样后，送主控芯片模块处理。通过主控芯片对采集模拟量的灵活配置，可实现对高压侧环网柜的数据计算处理与监测功能。
65.每块遥信芯片可采集8个开入量，开入量经过光电隔离及过压保护措施，然后通过数据缓冲器输入到cpld，此举可消除了开关量状态误报、避免雷击损坏装置，提升装置的可靠性。
66.每块遥控芯片有2个开出量，开出量经光电隔离输出到开关辅助接点，提高了输出控制的可靠性和抗干扰性。每回路数字量输出均由输出使能和相应的数字输出控制位控制，只有当输出使能和数字输出控制位同时有效时，数字量输出才有效，芯片采用多级校验，提升了操作的正确性，输出接点容量为：dc24v\16a或者ac250\16a。
67.如图2所示，本实施例提供的物联网终端102具有1个dtu公共单元201和6个dtu间隔单元202。其中，dtu公共单元201与所述dtu间隔单元202和所述主机站通信连接：dtu公共单元201采用基于边缘计算的操作平台，负责汇集各dtu间隔单元202的数据，并将汇集的数据上传至主机站；另外，dut公共单元也接收主机站下发的遥控命令，根据接收到的遥控命令控制每个dtu间隔单元202工作。每一个dtu间隔单元202都包含过程层交换机和5g差动保护模块，通过过程层交换机和5g差动包含模块接入5g网络，对物联网一二次融合环网柜实施5g差动保护，就地快速判断故障并切除故障，提高电网供电可靠性。并且，dtu间隔单元202与dtu公共单元201实时通信，dtu公共单元201支持以太网、5g、nb-iot等传输方式，将dtu间隔单元202的数据上送到主机站，保证通信的时效。
68.如图3所示，在线监测设备103包括：温度在线监测设备301、局放在线监测设备302和机械特性在线监测设备303；所述温度在线监测设备301、所述局放在线监测设备302和所
述机械特性在线监测设备303与所述dtu间隔单元202通信连接，实现对环网区域的全息感知。所述信号处理单元包括：遥测装置、遥信装置和遥控装置；
69.所述遥测装置包括：电缆电流监测器、环境温湿度传感器、sf6气体传感器和接头节点温度监测器；
70.所述遥信装置包括：接地刀动作出发开关、断路器分合闸出发开关和gis地理信息系统；
71.所述遥控装置包括：接地刀电动执行机构、断路器电动执行机构和负荷开关电动执行机构。
72.其中，
73.温度在线监测设备301的结构如图4所示，包括：一体式测温堵头401、rfid读写器402和监控主机403。一体式测温堵头401安装在电缆插头尾部，电缆插头安装在一次开关101的进/出线套管处。一体式测温堵头401内置有具有高精度超低功耗的温度传感芯片，用于对电缆进/出线端的连接器(电缆插头)处的温度进行实时监测。温度传感芯片内含512比特可擦写非易失性数据存储单元，并且温度传感芯片为无机非金属材质，不会引起一次设备局部放电和击穿。rfid读写器402安装在一次开关101的电缆仓内，靠近可分离连接器。
74.温度在线监测设备301的工作原理及过程为：温度传感器芯片将监测到的温度信号反馈给rfid读写器402；rfid读写器402发射电磁扫频信号并接收所述温度信号，对接收到的温度信号进行识别后通过工业总线上传至监控主机403。
75.该过程采用了rfid技术实现了导体温度的直接测量，且不影响绝缘性能，无需外部电源。整个rfid系统由rfid读写器402(芯片)、电子标签(芯片)和数据管理系统组成。rfid系统采用电感耦合的方式，电子标签工作所需的能量由rfid读写器402提供；rfid读写器402的天线线圈产生高频的强电磁场，使位于附近的电子标签的天线产生电磁感应。由于使用的频率范围内的波长远大于rfid读写器402的天线线圈与电子标签的天线线圈之间的距离，所以电子标签到rfid读写器402间的电磁场可认为是交变电场。rfid读写器402的天线线圈产生的高频磁场穿过电子标签的天线线圈，在电子标签的线圈上产生一个电压，经整流、滤波、稳压后作为温度传感芯片的工作电源。温度传感芯片通过内部逻辑电路随温度变化输出变化的电压信号，rfid读写器402的天线线圈随之变化，经过rfid读写器402内部解调及数据处理，获得温度信息。rfid系统的工作原理如图5所示。
76.局放在线监测设备302的结构如图6所示，uhf天线传感器501、噪声传感器502和信号处理单元503。所述uhf天线传感器501和所述噪声传感器502与所述信号处理单元503通信连接，所述信号处理单元503用于监测局放信号并对噪声干扰进行分离。
77.uhf天线传感器501安装在一次开关101的电缆仓内，用于收集放电产生的电磁波信号，并将电磁波信号转变为电压信号，然后对电压信号调节放大，再经过信号处理单元503进行a/d转化、数据处理和实现局放信号监测。因此，uhf天线传感器501主要由天线、高通滤波器、放大器、耦合器和屏蔽外壳组成。天线所在面为环氧树脂用于接收放电信号，其他部分采用金属材料屏蔽，防止外部信号干扰。
78.噪声传感器502安装在一次开关101仪表箱中，结构上与uhf天线传感器501相似，主要用于收集外部电磁波信号，并上传至信号处理单元503。信号处理单元503将噪声传感器502和uhf天线传感器501收集的信号进行对比，分离噪声干扰，提高局放信号采集准确
性。
79.局放监测系统采用了独立设计的“异常周期数”统计法，可排除干扰开关操作造成的瞬时脉冲冲击干扰。一次开关101操作产生的冲击电磁波在个别工频周期只出现1-5次，且这种异常周期都比较单一，通过统计这种异常周期数，即可判别是开关操作还是局部放电信号。
80.通过安装在检测点附近的uhf天线传感器501和安装在开关外部的噪声传感器502，对信号进行对比，分离噪声干扰，并通过“异常周期数”统计法，可排除干扰开关操作造成的瞬时脉冲冲击干扰，从而提高局放监测准确度。局放在线监测设备302的工作原理如图7所示。
81.机械特性在线监测设备303的结构如图8所示，包括：磁场发生器601、机械特性传感器602和终端处理器603；所述磁场发生器601设置在所述一次开关101的断路器机构主轴上；所述机械特性传感器602与所述断路器机构主轴不接触，所述机械特性传感器602通过电磁感应与所述终端处理器603连接。
82.其工作原理及过程参考图9和图10为：磁场发生器601通过螺栓固定在断路器主轴上，机械特性传感器602固定在于磁场发生器601同轴方向上的另一端，与断路器主轴不存在机械接触。利用电磁感应原理，磁场发生器601安装在断路器主轴上，产生旋转磁场，位于旋转磁场中的机械特性传感器602获得感应电流，在断路器动作过程中，感应电流信号会随之发生变化，电流信号经过终端处理器603处理和分析，从而获得位移、速度、时间等信息。终端处理器603通过实时检测分合闸线圈电流是否有流，来判别断路器是否动作，有流定值iset可人为设置。分合闸线圈有流之后装置发送触发指令，机械特性传感器602开始记录机械特性曲线，同时装置启动电流录波。电流录波完成之后再读机械特性曲线数据，进行录波合成和存储。
83.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。