1 中压开关设备的定义、功能及发展趋势
中压开关设备是指3.6～40.5kV的交流金属封闭开关设备和控制设备，装有以断路器为主要开关元件的成套开关设备。它在配电网中的功能是对电能进行传输、分配与控制，其智能化水平的高低和应用状态的好坏对智能电网将起到关键作用。开关设备的发展趋势是向着大容量、智能化、小型化、组合化、免维护以及远程故障诊断技术等方向发展。
2 传统中压开关设备维护方法的不足
传统的中压开关设备主要维护方法是故障维修、定期检修以及风险维护。故障维修是检测到异常以后的维护。定期检修主要技术手段是开关设备的的定期预防性试验。目前，社会对用电的可靠性要求越来越高，定期检修造成的停电难免会造成不可避免的经济损失。风险检修是依据标准进行定期维护，通过整合分析报告、测量数据以及定期测试活动而执行的活动。以上3种方法不仅浪费人力物力，而且降低设备的使用寿命，已无法满足当前社会的要求。
3 中压开关设备智能化解决方案
传统维护方法主要受困于不能直观、智能地感知开关设备在不同阶段所处的状态。ABB Ability工业云平台是一组用于搭建ABB Ability解决方案且支持数字化功能的通用技术。现利用ABB Ability工业云平台，构建一套智能化系统，通过一系列的智能化操作，对设备中的各节点进行物联，实现对设备状态的感知。这里主要采用了云计算技术，将应用程序部署到ABB Ability工业云平台上，不要考虑服务器购买的问题，可以依据需求购买资源，从而减少资源的浪费，降低操作和硬件成本，也无需要专门人员来维护大量服务器和网络资源，可以把主要的精力放在系统的核心应用上。此外，还运用先进的移动通信技术，将现场被监测开关设备的状态数据（如柜体电缆及母线部位、断路器上下触臂的温度等）进行实时地传输并且存储到ABB云端服务器。ABB 云端服务器将每天获取的大量数据进行过滤、提炼和保存。ABB专家和客户可以通过电脑、手机APP以及其他的移动设备，查看中压开关设备的监控数据以及数据历史曲线。同时借助大数据的诊断分析，利用ABB的阈值算法、温升算法对各种事件进行初步地过滤，对于设备疑似变坏的趋势发出报警并通知本地的服务中心。设备维护人员收到通知后，联系客户并可对存在隐患的设备给予诊断检修，从而避免事故的发生。由此可见，文章提出的中压开关设备智能化解决方案不仅能够降低非预期停电的风险，而且可以节省因为定期计划性的停电、设备的检修而带来的经济损失，提高了用电效率，符合我国智能电网的发展需要。
4 基于ABB Ability的中压开关设备智能化解决方案的构建
4.1 UniGear-ZS1型开关柜、MDC4和MyRemoteCare Gateway简介
UniGear-ZS1型智能金属铠装式开关柜由ABB公司设计、生产的居世界先进技术的开关设备，融入了ABB公司最先进的真空开关制造技术。它由固定的柜体和可移开部件两大部分组成，主要包括母线室、断路器室、电缆室以及低压室4个不同功能的单元。柜内的测温传感器均利用无线射频识别技术（RFID），使得测温传感器与接收单元（MDC4）完全隔离。此外，断路器、接地开关的电动化操作，可实现开关设备的可动部件的远程程序化操作，保障了操作人员的安全并提高了工作效率。
MDC4是一款集控制和保护电机驱动系统，实时监视开关柜内关键接点的运行温度，以及监测断路器控制回路状态参数为一体的智能监测控制单元。它包括4个子功能系统，名称与功能如下：温升实时在线监测系统（低压室环境温度、断路器梅花触指的温度、母线搭接处的温度、出线电缆头搭接处的温度）；断路器状态参数监测系统（断路器储能电机的储能时间、断路器合/分闸脱扣器动作电流等）；电机驱动手车控制系统（控制和保护带有电动手车操作的断路器）；电机驱动接地开关控制系统（控制和保护带有电动操作的接地开关）。
MyRemoteCare是ABB全球中压开发的数字化解决方案——云数据资产健康管理平台。文章中系统的网关指的是MyRemoteCare Gateway（以下简称MRC Gateway），具体功能见网关模块部分。
4.2 系统的总体设计方案
系统使用了Visual Studio 2017下的ASP.Net开发环境，开发了基于模型-视图-控制器模式的云端服务平台。与此同时，利用ABB Ability云数据平台实现了对海量数据的存储及管理功能。系统主要由硬件数据采集、通信网关、ABB Ability云数据平台、MyRemoteCare App Service（以下简称MRC App Service）、网页客户端及APP五部分构成，系统架构见图1。
图1 系统架构
4.3 数据采集终端硬件模块
Modbus通信技术广泛应用于工业控制系统中，用来连接数据采集设备、控制器和执行机构等。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信网络，将Zigbee无线网络技术融合到传统的工业控制网络是当前的热点。
系统的数据采集终端模块部分采用了Zigbee通信技术，实现了Modbus协议报文的无线传输，扩展了Modbus报文的传输和应用范围。Modbus符合“请求/响应”的通信模式，通信链路的两端分别是Modbus主机和Modbus从机，两者之间遵循着“主-从”通信原则，即主机请求数据，从机提供数据。一个完整的通信过程分为查询周期以及响应周期，查询周期由Modbus主机发起，从机收到主机发来的查询指令并进行验证，验证通过后在响应周期里回传主机需要的数据信息（或者是报告异常）。在系统中，负责采集中压开关设备的关键信息的智能传感器将采集到的数据通过Zigbee的物理通道与MDC4进行Modbus通信。
4.4 通信网关模块
MRC Gateway主要有两个功能，在系统中承担着上传下达的作用：第一，MRC Gateway作为主机，MDC4作为从机，两者间进行Modbus通信；第二，与ABB Ability云数据平台的抽象数据接口通过WebSocket协议进行通信。
网关与MDC4的通信主要包含中压开关设备的入网、设备状态上传等功能，详细过程已在数据采集终端硬件中说明，不再赘述。网关与ABB Ability云数据平台的抽象数据接口在通信前有用户认证过程，通信内容主要包括网关联网、设备加入网关、设备状态上传至云端服务器等功能。
4.5 ABB Ability云数据平台模块
ABB Ability云数据平台具有三大功能：第一，连接MRC Gateway网关，通过网关对底层硬件设备进行与网关的通信，在通信网关模块已经分析，此处不再赘述；第二，把获取的大量中压开关设备的数据进行存储，构成了ABB Ability的历史数据库；第三，结合MRC App Service，与网页客户端或APP进行通信。
需要注意的是，出于安全考虑，ABB Ability云数据平台的抽象数据接口在与 MRC Gateway或MRC App Service进行通信时都必须要有安全认证过程。
4.6 MRC App Service模块
软件架构最有名的是三层体系架构，即客户端不直接和数据库进行交互，而是在客户端与数据库之间加入一个“中间层”。通常三层架构可将整个服务划分为：数据访问层（DAL）、业务逻辑层（BLL）以及表示层（UI）。数据访问层直接负责操作云端的数据库，负责对数据进行增添、删除、修改、查找等；业务逻辑层负责处理数据访问、业务规则、合法性校验等工作；表现层负责展示给用户的界面。
ASP.NET MVC是微软公司推出的基于ASP.NET的MVC模式的Web应用程序开发框架，MVC指模型（Model）、视图（View）、控制器（Controller）。Model负责定义格式数据以及数据访问接口，包含业务逻辑以及数据验证；View负责和用户进行交互提供信息给用户并收集用户提交的请求；Controller负责接收用户的输入并且调用模型和视图来完成用户的需求。
系统是将传统的三层体系架构上引入MVC框架模式，采用微软公司提供的ASP.NET MVC 模板创建基于ASP.NET MVC的Web 应用。这样不仅可以具有三层架构的优点，让开发人员只需关注整个结构中的其中某一层，降低了层与层间的依赖，使得结构更加明确。而且也发挥出MVC框架模式的优势，把业务处理和显示严格地分离开来，可以更好地复用和维护。
4.7 网页客户端及APP模块
网页客户端及APP在功能上主要包括用户的注册管理、网关绑定、设备状态实时更新等。如果用户在电脑上使用客户端软件，只需登录Web浏览器即可。若用户使用手机（iOS、安卓系统均可），则需登录APP客户端。这两种方式都是通过连接网站提供的数据接口，来实现对云数据库的查询、管理等操作，从而能让用户不受地点和时间的限制，随时随地了解中压开关设备的运行状态。考虑到系统的安全性，用户通过客户端访问云数据库之前，得验证身份合法后，才可进行下一步的操作。不论是网站还是APP，访问界面在设计上都十分简洁大方，便于用户的操作。
5 结语
文章分析了传统中压开关设备维护方法的不足，利用ABB公司已有的ABB Ability工业云平台、UniGear-ZS1、MDC4、MyRemoteCare Gateway等软硬件，提出了一种基于ABB Ability的中压开关设备智能化解决方案。此方案运用先进的数字化和自动化技术，能智能感知开关设备的各种状态。根据大数据的诊断分析，整合设备状态的在线检测评估、离线评估，基于阈值、温升算法算法及运行环境参数进行诊断及预警，及时提供前瞻性预测，对于设备可能的失效提出预测，用户能根据设备健康状态安排进行相应的维护及检修工作。此方案满足我国阶段电网智能化发展的需要，具有良好的发展前景与应用价值。
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（作者王晓岚系厦门理工学院电气工程与自动化学院硕士研究生）
