斷路器運(yùn)行在線自動監(jiān)測

邰 超

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030）

斷路器（CB）是電力系統(tǒng)的一部分，它的功能對提供持續(xù)的電力供應(yīng)至關(guān)重要。按需成型一個電力系統(tǒng)需要使用斷路器，用它來控制負(fù)載電流以及斷開系統(tǒng)中任何的故障部分。安裝好斷路器后，它的使用壽命大概為40年。當(dāng)斷路器位于開關(guān)調(diào)度劇烈的轉(zhuǎn)換站時，它的運(yùn)行狀態(tài)會頻繁改變。斷路器本身并不是智能的，它是通過保護(hù)繼電器來執(zhí)行動作的，保護(hù)繼電器檢測出系統(tǒng)中的故障，然后打開相應(yīng)的斷路器以隔絕故障，以使系統(tǒng)能夠繼續(xù)運(yùn)行。另外，斷路器可以由電力系統(tǒng)操作人員遠(yuǎn)程或維護(hù)人員現(xiàn)場發(fā)出手動命令來操作。有時，斷路器可能不按照命令開合，這會導(dǎo)致操作開關(guān)動作的中斷，進(jìn)而引起不完整的控制動作或清除故障的失敗，最終導(dǎo)致故障持續(xù)時間超出系統(tǒng)損壞前能夠承受的故障時間。斷路器的誤動作可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能中的不利變化，這種改變可能引起系統(tǒng)的不正常狀態(tài)，也可能導(dǎo)致停電事故。斷路器代表保護(hù)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分，除此之外還有監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)。

其實(shí)已經(jīng)有人設(shè)計出和提議過用不同的監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測斷路器的狀態(tài)和預(yù)測最理想的維護(hù)計劃，此維護(hù)計劃基于以下測量值：機(jī)械裝置的動作速率、相電流、氣壓、溫度和振動信號等。國際大電網(wǎng)委員會的一份報告稱在使用中的斷路器發(fā)生的所有故障中，大約有25%的失誤是由控制電路故障引起的。當(dāng)前可用于檢測控制電路信號的某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不適用于在包含多個斷路器的開關(guān)序列中對斷路器性能在線監(jiān)測。正因如此，那些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)沒有記錄足夠的信息去對可能發(fā)生在多個斷路器上的開關(guān)性能惡化做出精確的識別。

斷路器運(yùn)行與狀況的系統(tǒng)廣泛實(shí)時監(jiān)測一般使用SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端單元（RTUs）來執(zhí)行。這些單元基于檢測到的斷路器開關(guān)觸頭處的電壓電平提供關(guān)于斷路器最終狀態(tài)的信息，例如“打開”或“關(guān)閉”。

新方案基于新的斷路器監(jiān)測數(shù)據(jù)采集 IED，也將它稱為斷路器監(jiān)控器（CBM），它會永久地與變電所斷路器相連接。不管運(yùn)行是由操作人員手動開始還是由保護(hù)與控制裝置自動開始，CBM都獲得關(guān)于每臺實(shí)時斷路器運(yùn)行的詳細(xì)信息，并且將信息以COMTRADE文件格式存儲。相關(guān)的斷路器控制電路信號一經(jīng)記錄和由無線連接傳送給集線器PC，分析軟件就會自動執(zhí)行分析。

斷路器監(jiān)測與分析（CBMA）通過監(jiān)測與分析斷路器控制電路系統(tǒng)的模擬和數(shù)字信號的擴(kuò)展裝置來提供對每臺斷路器狀況和運(yùn)行性能的更好理解。在分析軟件中執(zhí)行的專家系統(tǒng)的高級信號處理算法和知識庫顯著改進(jìn)了分析結(jié)果的可靠性與一致性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：①硬件，包括智能電子設(shè)備（IED）及與數(shù)據(jù)存儲計算機(jī)的通信；②軟件，其對開關(guān)動作相同的一組斷路器運(yùn)行的現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)執(zhí)行自動分析。

1.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

斷路器監(jiān)控（CBM）硬件由開關(guān)站內(nèi)斷路器櫥柜處的IED、控制室內(nèi)的集線器PC和GPS時鐘接收機(jī)以及控制室內(nèi)帶有 PC的開關(guān)站處的連接 IED的無線點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組成。這種配置擔(dān)當(dāng)主從式架構(gòu)；開關(guān)站內(nèi)每個斷路器上都有從屬 CBM 單元，這些 CBM 單元通過硬件線路獲得來自斷路器控制電路的信號。主部件（集線器PC）位于控制室內(nèi)，用來收集變電站內(nèi)所有從屬單元收集到的數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理。圖 1顯示了變電站內(nèi)CBMA系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)。

當(dāng)一個斷路器運(yùn)行時，CBM就會記錄下控制電路的信號波形，并使用無線通信傳送記錄的文件給集線器PC。

1.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

斷路器監(jiān)控軟件為不同的使用者分析數(shù)據(jù)和輸出信息。圖2顯示了軟件體系結(jié)構(gòu)。這項應(yīng)用使各種類型的使用者能夠使用自定義視圖，因為他們對斷路器性能、斷路器操作程序和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)也許有不同的興趣。對某些使用者來說，知道精確的系統(tǒng)拓?fù)浜兔恳粫r刻斷路器的狀態(tài)很重要；而對某些使用者來說，在識別出并且清除故障之后了解一組斷路器的精確操作程序很重要。

圖1 CBMA系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

圖2 斷路器監(jiān)控軟件體系結(jié)構(gòu)

2 硬件

變電所中的系統(tǒng)硬件包括開關(guān)站中每臺斷路器上的斷路器監(jiān)控器和裝在控制室中的用于收集數(shù)據(jù)的集線器PC。

2.1 斷路器監(jiān)控器IED

斷路器監(jiān)控器（CBM）IED有三個主要功能：

1）對來自斷路器控制電路的信號執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，以及記錄脫扣和關(guān)閉的序列。

2）將獲得的信號轉(zhuǎn)換成與COMTRADE文件格式相符的文件。

3）把文件無線傳送給集線器設(shè)備。

斷路器控制電路的CBM智能電子裝置監(jiān)控器的15個電氣信號如圖1所示，在斷路器的脫扣和關(guān)閉期間收集這些信號。在這15個信號中，11個是模擬信號，4個是狀態(tài)信號。表1列出了所監(jiān)測的信號。

表1 CBM監(jiān)測的斷路器控制電路的信號

圖3給出了CBM記錄波形的一個實(shí)例，從中可明顯看出對信號軌跡變化的緊密追蹤。

圖3 斷路器控制電路原理圖及其相關(guān)波形

最重要的信號是脫扣觸發(fā)信號和關(guān)閉觸發(fā)信號。由繼電器或操作人員觸發(fā)的這些信號產(chǎn)生了其他一些信號，這都是斷路器脫扣或關(guān)閉的結(jié)果。所有監(jiān)測到的信號都是電壓信號。從分流器中獲得代表電流的信號，從而將它們轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號。在最壞的情況中，在發(fā)生故障與停止斷路器之間的動作時間大約為1min。監(jiān)控設(shè)備正是記錄和存儲這個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

無線傳輸方案劃算且容易實(shí)現(xiàn)。如果在整個變電站里的每個斷路器處都裝配數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，那么布置電線連接單元與變電站里的控制室將非常昂貴。連接斷路器的CBM單元包含4個重要的模塊，即信號調(diào)節(jié)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換、處理和無線傳輸模塊。圖4顯示了從屬單元的組件關(guān)系圖。

圖4 CBM硬件體系結(jié)構(gòu)

1）信號調(diào)節(jié)模塊。信號調(diào)節(jié)與隔離模塊為數(shù)據(jù)采集提供合適的電壓等級。在把表1中的輸入信號轉(zhuǎn)換成用于處理和存儲的數(shù)字形式之前，必須將其適當(dāng)縮放。大多數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求輸入信號在±10V或±5V范圍內(nèi)。信號調(diào)節(jié)電路必須縮放信號至A/D轉(zhuǎn)換器需要的范圍內(nèi)。這個信號調(diào)節(jié)面板應(yīng)該保護(hù)設(shè)備的其余部分免受在脫斷或關(guān)閉線圈操作過程中產(chǎn)生的高壓脈沖的影響。輸入處模塊也提供信號的電隔離，以防止模塊輸入端的故障破壞系統(tǒng)的其他部分。

2）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成為分辨率足夠高的數(shù)字形式，這樣才可進(jìn)行精確分析。12～16比特的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用程序是足夠的。采樣速率一定要足夠高以便于分析所需信號的精確復(fù)原，10kHz的采樣速率對大多數(shù)應(yīng)用軟件是足夠的。

3）微處理器模塊。

除時間同步外，微處理器模塊執(zhí)行以下功能：

（1）控制A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集參數(shù)。

（2）設(shè)定數(shù)字信號的信號采樣頻率和比例因子。

（3）探測活動和記錄存儲器中指定時間的數(shù)據(jù)。

（4）用通信協(xié)議和無線收發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)給集線器PC。

（5）接收和執(zhí)行集線器發(fā)送的指令。

4）無線通信模塊。集線器PC通過無線通信從所有從屬單元處收集數(shù)據(jù)，用傳輸距離為 200m的一個無線系統(tǒng)來傳送記錄數(shù)據(jù)給集線器PC。收發(fā)模塊工作在單點(diǎn)對多點(diǎn)模式。在這種模式中，從屬單元與主單元通信，反之亦然；但在從屬單元之間沒有通信。在這種模式下，主從數(shù)據(jù)線路通常是穩(wěn)健的，它確保了數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

2.2 集線器

集線器設(shè)備包括一個與存儲和處理數(shù)據(jù)的 PC相連的高容量無線接收器。用軟件可以把集線器設(shè)定成兩個模式中的一個模式。

1）連續(xù)監(jiān)測。在這個模式中，集線器不斷接收每個IED同時記錄的數(shù)據(jù)。這個應(yīng)用程序要求的傳輸帶寬很高，n×1.4Mbps，其中n是系統(tǒng)中斷路器監(jiān)控器的數(shù)量。

2）結(jié)果監(jiān)測。在這個模式中，集線器不斷檢測IED的狀態(tài)，如果發(fā)生了任何脫扣或關(guān)閉事件，那么就下載了所記錄的數(shù)據(jù)。由于離線傳送數(shù)據(jù)，這項應(yīng)用的傳輸頻帶寬度也許會非常低。

3 軟件

CBM軟件分析應(yīng)用程序的三個主要功能是：

1）對單個斷路器運(yùn)行的實(shí)時自動分析。

2）對一組斷路器運(yùn)行的自動分析。

3）使用者各異而不同的圖形用戶界面的視圖和報表的結(jié)果分布。

對單個斷路器行為的詳細(xì)分析對維修工作組來說十分重要。像保護(hù)工程師這樣的其他通用工作組更感興趣的是與一組斷路器相關(guān)聯(lián)的事件序列。他們樂衷于弄清楚：序列何時發(fā)生，運(yùn)行由何引發(fā)以及最終序列是否會正確地執(zhí)行。

為了滿足以上要求，為從一組斷路器到中央存儲器的同步數(shù)據(jù)提供自動檢索很有必要。這使得比較來自相同時間范圍內(nèi)的不同斷路器的控制電路信號出現(xiàn)了新特征。CBM結(jié)構(gòu)就是為了支持圖5所示的這些特征。

圖5 CBM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在第一次迭代里，CBM客戶軟件使用當(dāng)?shù)刈冸娝鶖?shù)據(jù)進(jìn)行了分析。之后，把從當(dāng)?shù)孛總€變電所中提取的信息轉(zhuǎn)移到中央存儲器中。位于中央的CBM服務(wù)器軟件分析了一組斷路器的行為，這些斷路器可能屬于不同的變電所。本地提取信息的主要優(yōu)勢在于中央部件和通訊通道很少過負(fù)荷。

4 結(jié)論

斷路器的檢測技術(shù)大致經(jīng)歷了從離線測試、周期性在線檢測和長期在線監(jiān)測的發(fā)展過程。斷路器在線監(jiān)測的研究在國內(nèi)已經(jīng)開展多年，并且取得了許多成果。針對斷路器多個參量進(jìn)行綜合監(jiān)測，目前也有一些研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行這方面的工作。

采用本文描寫的 CBM 和自動分析軟件策略，可以將新信息提供給多個維修組。這種新策略使系統(tǒng)操作員能夠獲得關(guān)于斷路器運(yùn)行的更加詳盡的信息；將允許維護(hù)工程師追查所需斷路器開合順序的必需細(xì)節(jié)，這么做可以檢驗在清除故障期間繼電器與斷路器運(yùn)行之間時間協(xié)調(diào)的精確性；將為維護(hù)人員提供斷路器運(yùn)行機(jī)理的詳細(xì)動作。

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