基于5G通信的便携式安全智能应急分合闸装置_王伟.pdf

第26卷 第1期2023年2月Vol.26 No.1Feb.2023山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power College0引言10 kV和35 kV高压开关柜是保障电网稳定运行的重要设备。随着变电站监控水平的提高，变电站的操作已由纯粹的手动控制过渡到手动控制与遥控操作共存的阶段，一些主要设备例如断路器、隔离开关等都可在监控主站上遥控操作，但变电站内还有一些操作例如挂接地线等目前尚不能实现遥控操作1。遥控分合闸是目前高压开关柜操作的重要方式，但是当高压开关柜无法实现远方分合闸时，运维人员需要在开关柜上手动进行分合闸操作，增加了发生人身安全事故的风险2。本文设计了一种基于5G通信的便携式安全智能应急分合闸装置，当运维人员需要就地手动操作高压开关柜时，可降低其所承担的安全风险。1目前存在的问题高压开关柜长期运行后，可能出现各种缺陷，例如断路器触头接触不良、灭弧速度过低、灭弧室受潮绝缘降低、SF6断路器灭弧室气体严重泄漏、开断短路电流能力不够和真空密封件损坏等。进行分合闸操作时，若开关柜存在上述缺陷，开关柜可能发生爆炸。若此时开关柜附近有人工作，爆炸会危及现场人员的生命安全。根据高压开关柜检修安全管理的要求，停送电操作时，严禁就地分合断路器，远方分合断路器时，现场人员应撤离至安全位置。但在某些情况下（例如下文所述的两种情况），运维人员不得不进行就地分合闸操作，这将带来很大的安全风险。1）恢复送电命令下达，必须立即送电，但是现场基于5G通信的便携式安全智能应急分合闸装置王伟1，何登森2，赵燕1，彭金灿1，王赛1（1.国网唐山供电公司，河北唐山063000；2.国家电网有限公司技术学院分公司，山东济南250002）摘要：针对选择就地方式对高压开关柜进行分合闸操作时存在的安全隐患，研制了一种基于5G通信的便携式安全智能应急分合闸装置，并介绍了该装置的具体结构。现场测试结果表明，该装置在保持一定的安全距离下可实现分合闸操作，规避了手动操作开关柜所带来的安全风险。关键词：高压开关柜；遥控分合闸；5G；无线通信中图分类号：TM507文献标志码：B文章编号：2096-9104（2023）01-0038-04Portable Safe Intelligent Emergency Opening and Closing DeviceBased on 5G CommunicationWANG Wei1，HE Dengsen2，ZHAO Yan1，PENG Jincan1，WANG Sai1（1.State Grid Tangshan Power Supply Company，Tangshan 063000，China；2.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China）Abstract：In allusion to the potential safety hazards in local opening and closing operation of highvoltage switchgear cabinet，aportable safe intelligent emergency opening and closing device based on 5G communication is developed，and the specific structure of the device is introduced.The field test results show that the device can realize opening and closing operation at a certainsafe distance，which can avoid the safety risks caused by manual operation of the switchgear cabinet.Keywords：highvoltage switchgear cabinet；remote opening and closing；5G；wireless communication收稿日期：2022-10-21作者简介：王伟（1982），男，高级工程师、高级技师，主要研究方向为继电保护及自动化运维。38的通信电源、交换机、网络、串口通信等出现异常，不具备遥控操作条件，例如远方调度端或当地后台均无法与开关柜上的保护测控装置进行通信，此时只能进行就地合闸操作。2）当需要遥控操作断路器时，虽然具备通信条件，但是开关柜上的保护测控装置损坏，不能执行遥控命令，此时只能进行就地分合闸操作。2装置设计本文以安装简单、便于操作、提高异常情况下倒闸操作和事故处理的速度、降低操作引起的事故数量为目的，研发了两种便携式安全智能应急分合闸装置。2.1便携式安全智能应急分合闸装置1）装置面板。装置面板主要由接收天线、接线端子和电源模块3 部分组成，如图 1 所示。其中接线端子包括公共端接线端子、合闸回路接线端子、分闸回路接线端子，均为可直接插拔实验线的橡胶插座。公共端接线端子的输出端与开关柜的五防闭锁负端相连；合闸回路接线端子输出端、分闸回路接线端子输出端分别与开关柜分合闸把手的合负电端、分负电端相连。电源模块包括电源开关和装置指示灯。图1便携式安全智能应急分合闸装置面板2）装置结构。该装置由无线脉冲遥控模块、遥控合闸继电器、遥控分闸继电器、接收天线、接线端子、电源模块等部分构成，如图2所示。遥控合闸继电器J1、遥控分闸继电器J2分别与遥控接收模块相连；电源模块、遥控接收模块、接收天线依次连接，遥控器设有无线脉冲遥控模块，通过接收天线与遥控接收模块实现远程通信。图2便携式安全智能应急分合闸装置结构该便携式安全智能应急分合闸装置利用无线脉冲遥控模块实现接点遥控接通功能，由于变电站断路器遥控分合闸时间不能过长，选择了瞬动接点遥控模块，接点动作时间选在0.10.2 s之间，在断路器正常遥控时间范围内。由于无线脉冲遥控模块功率小，其接点所能承受的功率较低，另外使用两块动作功率低、接点功率高的中间继电器作为遥控出口，以保证遥控的可靠性和安全性。2.2基于5G通信的便携式安全智能应急分合闸装置为实现便携式安全智能应急分合闸装置的功能，需要变动开关柜内部二次接线，存在误接线的风险，利用 5G 通信、单片机、摄像头等技术，对便携式安全智能应急分合闸装置进行了改进，研发了基于 5G 通信的便携式安全智能应急分合闸装置。为构建符合“双碳”目标的新型电力系统3，智能电网要能够对内全面深度感知源网荷储等设备的运行状态和环境信息，提升智能化运营水平，并逐步加大清洁能源的使用；对外向能源生态系统服务商转型，构建能源互联网生态圈。5G以其大带宽、广连接、低时延、高可靠的特性，结合网络切片、边缘计算等新技术，能够很好地满足能源互联网的通信需求4。5G在电力系统的输电、变电、配电、用电等各个环节均可发挥重要作用，能够深刻变革电力通信网，全面提升电力信息化水平5-6。基于5G通信的上述优点，通过反复试验和比较论证，装置的通信方案采用轻型化5G工业级通信模王伟，等：基于5G通信的便携式安全智能应急分合闸装置39山东电力高等专科学校学报第26卷 第1期Vol.26 No.1组，该模组具有轻型、小尺寸 LGA（land grid array，LGA）封装、内置eSIM、支持宽温工作等优点，配备的高性能双核Open CPU处理器搭载Linux操作系统，支持用户开发应用程序，尺寸小，专为工业行业应用精简设计。本装置应用上述5G模组实现分合闸命令的发送，保证数据传输的低时延、高可靠性。该通信方式采用点对点通信，在软件端部署防火墙和加密算法，保证数据传输的安全。研发的基于5G通信的便携式安全智能应急分合闸装置包括执行装置、遥控装置、摄像装置三部分。装置整体结构如图3所示，执行装置结构如图4所示，遥控装置结构如图5所示。图3装置整体结构图使用时，操作人员手持遥控装置，根据摄像装置传回来的现场画面发送遥控合闸或分闸指令，执行装置接收到遥控指令后，通过电动机驱动转换开关手柄转动执行合闸或分闸操作。经过调查统计，多种变电站断路器分合闸把手的最大旋转角度为90，用指针式扭力测试扳手对分合闸操作时把手所需旋转扭矩进行测试，测得旋转把手所需扭矩大于1.65 Nm，因此转换开关手柄选择依据为输出扭矩大于1.65 Nm，扭矩偏差小于0.5 Nm；旋转角度可控在90，误差精度小于1。1摄像装置；2无线通信接收端；3固定机构；4机械卡扣；5外壳；6开关元件。图4执行装置结构图1显示屏；2无线通信发送端；3供电电源；4合闸按钮；5分闸按钮；6开关元件；7预动作按钮。图5遥控装置结构图控制信号下达与执行流程如图6所示。装置的使用示意图如图7所示。图6控制信号下达与执行流程该装置的使用方法如下：401）将执行机构扣在转换开关手柄上，强力电磁铁将执行机构紧贴在开关柜控制面板上。2）视频装置开始拍摄，并将拍摄画面实时传送至遥控器的显示屏上。3）工作人员步行至离所操作开关柜100 m外。4）工作人员手握遥控器发出指令，无线通信接收端接收到指令后，通过电动机驱动转换开关手柄转动，实现分合闸操作。图7使用示意图3装置测试结果及功能特点对装置各模块和整体进行测试，测试结果如表1所示。表1装置测试结果序号123456测试对象5G无线通信单片机电动机把手卡扣传动强力电磁铁固定安装调试及整体测试测试结果隔墙通信距离大于50 m，不隔墙通信距离大于 100 m，丢包率小于 1%，传输速率大于10 Mbps电路板在静电2 000 V干扰下故障率小于1%，输出信号无畸变电动机输出扭矩大于1.65 Nm，扭矩偏差小于 0.5 Nm，旋转角度可控在90，误差精度小于1传动时卡扣脱落率小于10%，把手破损率小于1%承重大于500 g，脱落率小于10%视频画面连通率大于95%，花屏率小于5%；遥控分合闸成功率大于99%从测试结果可见，该装置图像传输清晰，控制指令下发迅速无延时，执行机构动作准确无误，各模块及整体功能稳定可靠，可有效实现远方分合闸功能，具有以下特点：1）安全可靠。保障了运维人员的人身安全，操作时运维人员与被操作设备保持一定的安全距离即可实现就地操作，既达到了就地操作的目的，又规避了就地操作的风险。2）操作简单。运维人员只需按动按钮即可进行操作，不存在任何技术障碍。3）不涉及任何接线工作，不需要变动装置内部接线，不存在误接线的风险，所有运维人员均可使用。4）电磁感应在可接受的范围内，对继电保护、断路器跳合闸线圈等正常运行不造成任何影响。5）操作结果快速准确，不受人为因素影响。运维人员采用传统就地操作方法时，因为转动断路器分合闸把手时用力大小不同，转动时间不同，可能造成操作失败甚至烧坏内部线圈。使用该装置进行操作时，扭力大小和转动延时均由PLC编程控制，可保证断路器分合闸把手每次受力的大小和时间都符合标准要求，且固定不变，提高了操作的成功率。4结语本文研制了一种基于5G通信的便携式安全智能应急分合闸装置，介绍了该装置的基本组成及使用方法。现场测试结果表明，该装置能够在保持一定安全距离的情况下实现分合闸操作，功能稳定可靠，规避了就地操作的风险，具有较好的工程应用价值。参考文献1周洪涛，付斌杰，赵晓冬，等.安镇变电站10 kV开关柜程序控制J.电力自动化设备，2006，26（4）：98-101.2苏贤，刘思议，卓俊彦，等.一种适用于户内手车高压真空断路器的遥控合闸装置 J.电气开关，2021，59（3）：87-89.3周勤勇.如何构建符合“双碳”目标的新型电力系统 J.能源，2021（10）：28-32.4徐群，李坤.5G确定性网络使能智慧电网 J.通信世界，2020（17）：42-43.5徐群，程琳琳，孟建，等.5G在智能电网的应用研究 J.信息通信技术，2022，16（4）：55-62.6孙柏林.5G技术在电力系统的应用 J