智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

董中和 宋曉航 唐昱恒 王盛威 王義波

智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

董中和1宋曉航1唐昱恒1王盛威2王義波2

（1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司，武漢 430000； 2. 武漢凱默電氣有限公司，武漢 430223）

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中必不可少的電氣設(shè)備，斷路器跳合閘回路的完好是保證斷路器正常工作的必要條件。對跳合閘回路進(jìn)行在線監(jiān)測，是實(shí)現(xiàn)跳合閘回路預(yù)知性維修的前提，是保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素。本文對跳合閘回路的工作狀態(tài)與回路電流變化情況進(jìn)行原理分析，并設(shè)計(jì)了跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電流采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、主控系統(tǒng)和通信電路組成，完成跳合閘回路電流采集、量化、控制、過濾和發(fā)送等操作，配合使用在線監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測軟件，可以實(shí)現(xiàn)跳合閘回路實(shí)時(shí)監(jiān)視和故障報(bào)警等多種功能。

跳合閘回路；高壓斷路器；實(shí)時(shí)監(jiān)測；電流采集

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的容量與能量需求的不斷增加，電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行顯得越來越重要。斷路器是電力系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備之一，起著保護(hù)和控制的雙重作用。斷路器能夠根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要可靠投入或切除相應(yīng)的線路或電氣設(shè)備。斷路器故障會(huì)造成電網(wǎng)供電能力減弱，甚至導(dǎo)致一系列連鎖事故，造成供電系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響著人們正常生產(chǎn)和生 活[1-3]。2018年3月21日，巴西電網(wǎng)因?yàn)閿嗦菲鬟^載保護(hù)后的一系列連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致其14個(gè)州發(fā)生停電事故，9個(gè)州供電受到影響，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[4]。2015年3月31日，土耳其電網(wǎng)因斷路器跳閘發(fā)生了大規(guī)模停電事故，導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰和癱瘓，影響了其國內(nèi)約90%的人口，造成的經(jīng)濟(jì)損失約7億美元[5]。

斷路器跳合閘回路是斷路器重要的控制和保護(hù)回路。相關(guān)研究文獻(xiàn)表明，跳合閘回路故障是導(dǎo)致斷路器故障的主要原因。經(jīng)查閱相關(guān)研究文獻(xiàn)，將我國近幾年來斷路器發(fā)生的故障類型及比例數(shù)據(jù)整理成表1[6]。從表1中數(shù)據(jù)可見，絕緣故障是所有故障類型中占比最大的。降低絕緣故障發(fā)生的次數(shù)，將顯著減少因斷路器故障導(dǎo)致的停電事故，極大地提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

表1 斷路器故障類型及比例統(tǒng)計(jì)表

對斷路器跳合閘回路進(jìn)行監(jiān)控能有效減少斷路器故障的發(fā)生，是保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行的重要措施[7-10]。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的斷路器跳合閘監(jiān)視方法有以下4種[11]：①紅綠燈回路直接監(jiān)視法，紅燈監(jiān)視合閘，綠燈檢測跳閘，電路結(jié)構(gòu)簡單，但無法實(shí)現(xiàn)全工況監(jiān)視；②跳合閘位置繼電器間接監(jiān)視法，將跳合閘位置繼電器線圈串接于合跳閘回路中，兩者常閉接點(diǎn)串接至中央信號(hào)，與紅綠燈監(jiān)視方式一樣，無法實(shí)現(xiàn)全工況監(jiān)視；③操作箱中自帶監(jiān)視信號(hào)燈法，利用操作箱附設(shè)了跳閘回路完整性監(jiān)視燈，相當(dāng)于紅綠燈監(jiān)視方式的紅燈，只能監(jiān)視合閘，無法監(jiān)視跳閘；④串接高內(nèi)阻繼電器于跳閘回路法，對跳閘回路利用串接高內(nèi)阻繼電器，可以實(shí)現(xiàn)跳閘回路全工況監(jiān)視，但不能實(shí)現(xiàn)合閘回路全工況監(jiān)視。

從對上述4種監(jiān)視方式的分析發(fā)現(xiàn)，上述方法均不能對跳合閘回路進(jìn)行全工況監(jiān)視。在對國內(nèi)外跳合閘回路相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文搭建了一個(gè)斷路器跳合閘監(jiān)測診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測跳合閘回路電流，通過采集終端獲取霍爾電流傳感器數(shù)值，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和過濾后，以采樣值（sampled value, SV）和面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）報(bào)文上傳至在線監(jiān)測設(shè)備上，在線監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)處理報(bào)文數(shù)據(jù)，達(dá)到對跳合閘回路的全工況監(jiān)視和故障診斷的目的。

1 原理分析

以往在斷路器跳合閘監(jiān)測方法中，基本采用串聯(lián)或者并聯(lián)其他元器件來實(shí)現(xiàn)斷路器跳合閘回路狀態(tài)監(jiān)測。本文以斷路器跳合閘回路的異常工作的結(jié)果為導(dǎo)向，通過溯源性原理，分析斷路器跳合閘回路在異常發(fā)生前后的電流變化情況，達(dá)到對跳合閘回路實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。同時(shí)針對回路故障進(jìn)行了回路電流量化分析，快速對故障位置進(jìn)行輔助診斷與定位。

1.1 跳合閘回路工作原理

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，繪制跳合閘回路原理圖，如圖1所示。

圖1 跳合閘回路原理圖

工作原理如下：當(dāng)跳合閘回路處于跳閘狀態(tài)需要合閘時(shí)，回路中各觸點(diǎn)狀態(tài)如圖1所示，ZHJ自動(dòng)合閘接點(diǎn)或者SHJ手動(dòng)合閘接點(diǎn)閉合，HTJ合閘保持繼電器得電，HTJ觸頭立即閉合，形成自鎖，合閘回路通電，HQ合閘繼電器線圈得電，驅(qū)動(dòng)合閘繼電器進(jìn)行合閘操作。正常情況下，此時(shí)QF1斷路器輔助常閉觸頭斷開，QF2斷路器輔助常開觸頭閉合，合閘回路失電；如果出現(xiàn)因機(jī)械原因等導(dǎo)致的QF1斷路器輔助常閉觸頭無法斷開的情況，HTJ合閘保持繼電器的延時(shí)動(dòng)作觸頭T_HTJ就將斷開，防止長時(shí)間大電流燒毀HQ合閘繼電器線圈，合閘回路失電。TWJ跳位監(jiān)視繼電器線圈失電，HWJ合位監(jiān)視繼電器線圈得電，將表示此時(shí)跳合閘回路處于合閘狀態(tài)。

同理，當(dāng)跳合閘回路處于合閘狀態(tài)需要分閘時(shí)，原QF2斷路器輔助常開觸頭閉合，ZTJ自動(dòng)跳閘接點(diǎn)或者STJ手動(dòng)跳閘接點(diǎn)閉合，TTJ跳閘保持繼電器得電，TTJ觸頭立即閉合，形成自鎖，跳閘回路通電，TQ跳閘繼電器線圈得電，驅(qū)動(dòng)跳閘繼電器進(jìn)行跳閘操作。正常情況下此時(shí)QF2斷路器輔助常開觸頭斷開，QF1斷路器輔助常閉觸頭閉合，跳閘回路失電；如果出現(xiàn)因機(jī)械原因等導(dǎo)致的QF2斷路器輔助常開觸頭無法斷開的情況，TTJ跳閘保持繼電器的延時(shí)動(dòng)作觸頭T_TTJ就將斷開，防止長時(shí)間大電流燒毀TQ跳閘繼電器線圈，跳閘回路失電。TWJ跳位監(jiān)視繼電器線圈得電，HWJ合位監(jiān)視繼電器線圈失電，將表示此時(shí)跳合閘回路處于跳閘狀態(tài)。

1.2 回路狀態(tài)與電流變化

在對跳合閘回路的分析過程中，將合閘的過程分為3段狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和說明，這3段狀態(tài)分別是監(jiān)視態(tài)、合閘態(tài)與合后態(tài)，各個(gè)狀態(tài)對應(yīng)的回路電流各不相同。

1）監(jiān)視態(tài)。在此狀態(tài)中，TWJ跳位監(jiān)視繼電器線圈，QF1斷路器輔助常閉觸頭閉合，并與HQ合閘繼電器線圈一起構(gòu)成回路，有

式中，H1為合閘過程中監(jiān)視態(tài)的電流值。

為了保證TWJ跳位監(jiān)視繼電器的長期熱穩(wěn)定性，通常TWJ內(nèi)阻較大，一般按TWJ取20kW計(jì)算。HQ合閘繼電器一般內(nèi)阻較小，粗略在50～200W，按HQ取100W計(jì)算?？刂苹芈冯妷喝?20V，根據(jù)式（1）計(jì)算，此時(shí)電流H1約為11mA。

2）合閘態(tài)。在此狀態(tài)下，合閘回路各觸點(diǎn)閉合，控制回路電壓全部加在HQ合閘繼電器線圈上，有

式中，H2為合閘過程中合閘態(tài)的電流值。

根據(jù)式（2）計(jì)算，此時(shí)電流H2約為2.2A。

3）合后態(tài)。在此狀態(tài)下，因?yàn)镼F1斷路器輔助常閉觸頭已經(jīng)斷開，合閘回路處于斷路狀態(tài)，所以合閘回路電流H3為0。

同樣，也可將跳閘的過程分為3段狀態(tài)，這3段狀態(tài)分別是監(jiān)視態(tài)、跳閘態(tài)、跳后態(tài)，其計(jì)算類似合閘過程，計(jì)算得出監(jiān)視態(tài)電流T1約為11mA，跳閘態(tài)電流T2約為2.2A，跳后態(tài)電流T3為0。

綜上所述，無論是跳閘過程還是合閘過程，相應(yīng)的回路電流值都有一個(gè)11mA→2.2A→0的變化過程，其示意圖如圖2所示。

1.3 故障監(jiān)測原理

在圖1所示的原理圖中，CT3用來檢測合閘回路中回路電流，即用來檢測H1、H2和H2的變化過程；CT4用來檢測跳閘回路中回路電流，即用來檢測T1、T2和T3的變化過程；CT1與CT2是用來檢測KM+和KM-電流。在跳合閘回路未發(fā)生對地漏電流時(shí)，根據(jù)基爾霍夫電流定律可知，回路中節(jié)點(diǎn)的流入與流出電流應(yīng)該相等。同時(shí)干路電流應(yīng)為支路電流之和，即KM+與KM-電流在任意時(shí)刻都相等，并且在任意時(shí)間均等于跳閘回路與合閘回路電流之和，即

圖2 回路電流變化示意圖

同時(shí)，干路電流應(yīng)為支路電流之和，即母線電流在任意時(shí)間均等于跳閘回路與合閘回路電流之和，即

對于實(shí)際運(yùn)行的跳合閘回路，若傳感器采集到KM+與KM-電流不相等（下文簡稱“控制回路差流”），則需要考慮以下兩種原因：①傳感器本身的誤差；②跳合閘回路中出現(xiàn)對地漏電流，即發(fā)生對地絕緣降低。針對傳感器本身的誤差，解決措施是選用更高精度的傳感器和增加補(bǔ)償算法兩種方法，該部分受傳感器自身因素影響，與本文主要內(nèi)容無關(guān)，對該原因不進(jìn)行探討。同時(shí)，本文電流傳感器電流值的大小比較，均不涉及傳感器自身誤差。如果檢測到的控制回路差流大于設(shè)置的電流告警閾值，就需要考慮跳合閘回路發(fā)生絕緣故障，其差值電流即為對地漏電流o，即

接著判斷CT3與CT4的電流值，若CT3與CT4的電流之和等于CT1的電流值，即

則可以判斷絕緣故障發(fā)生在機(jī)構(gòu)箱處。

同理，若CT3與CT4的電流值之和等于CT2的電流值，即

則可以判斷絕緣故障發(fā)生在操作箱處。

同理，若CT3與CT4的電流值之和與CT1和CT2的電流變化值均不相等，即

則可以判斷在操作箱和機(jī)構(gòu)箱均發(fā)生了絕緣故障。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)由采集單元與管理單元組成，為適應(yīng)變電站惡劣的電磁環(huán)境與長距離的數(shù)據(jù)傳輸，采集單元與管理單元之間通過光纖進(jìn)行通信。采集單元是跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)完成斷路器跳合閘線圈電流的實(shí)時(shí)采集，并對電流數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和過濾，通過通信光網(wǎng)口，以標(biāo)準(zhǔn)GOOSE報(bào)文和SV報(bào)文將數(shù)據(jù)上傳給管理單元，采集單元采用標(biāo)準(zhǔn)的1U機(jī)箱設(shè)計(jì)，安裝在圖1所示的智能終端柜里，開合式霍爾電流傳感器通過撥開卡扣將待測回路電纜穿線后壓緊卡扣，即可完成對該回路的電流測試，其安裝位置如圖1中的CT1、CT2、CT3和CT4所示，傳感器輸出通過接線端子連接至采集單元。管理單元由在線監(jiān)測設(shè)備組成，在線監(jiān)測設(shè)備上運(yùn)行開發(fā)的監(jiān)控軟件，主要完成與采集單元的通信、數(shù)據(jù)的分析處理、運(yùn)行參數(shù)波形曲線的顯示、綜合診斷分析等功能，實(shí)現(xiàn)對跳合閘回路的實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障報(bào)警。

系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

3 采集單元硬件設(shè)計(jì)

采集單元硬件主要由開合式霍爾電流傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、主控系統(tǒng)、百兆光以太網(wǎng)口電路和電源系統(tǒng)組成。開合式霍爾電流傳感器用于將被測電流轉(zhuǎn)換成一定比例的電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)輸入至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將電壓信號(hào)進(jìn)行量化后，送入主控系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算、判斷和過濾；主控系統(tǒng)將過濾后的電流數(shù)據(jù)打包通過百兆光網(wǎng)口發(fā)送至在線監(jiān)測設(shè)備。電源系統(tǒng)主要是為智能采集單元各硬件電路提供不同電壓等級的電能需求，供其正常穩(wěn)定的工作。

3.1 開合式霍爾電流傳感器

目前在傳統(tǒng)變電站中，一般不能斷開正在工作的斷路器跳合閘回路，加入電流檢測元器件檢測回路電流，因此既要在不斷開回路電路的前提下，又要保證在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能有效檢測出回路電流。綜合考慮霍爾傳感器檢測技術(shù)是首要選擇?；魻杺鞲衅鳈z測技術(shù)是經(jīng)過多年發(fā)展的一項(xiàng)成熟的檢測技術(shù)，既可以克服傳統(tǒng)電磁式互感器的非線性缺點(diǎn)，又解決了電參量測量時(shí)的隔離問題?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)原理構(gòu)造的，若在半導(dǎo)體（或金屬）薄片的長度方向上通入控制電流C，在厚度方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為的磁場，則在寬度方向上會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢H，這種現(xiàn)象即稱為霍爾效應(yīng)，H稱為霍爾電勢，其大小可表示為

式中：H為霍爾系數(shù)，由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定；為半導(dǎo)體材料的厚度。這兩個(gè)參數(shù)均對傳感器靈敏度產(chǎn)生影響。定義為靈敏度，值越大，靈敏度就越高，其值為H與的比值，則可將式（9）改寫為

由式（10）可見，值一定時(shí)，霍爾電壓H與控制電流C及磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積成正比。在式（10）中，若控制電流C為一定值常數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測電流成正比，則可以設(shè)計(jì)成霍爾電流傳感器；同理，若磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測電壓成正比，則可以設(shè)計(jì)成霍爾電壓傳感器。

考慮到霍爾傳感器易受溫度的影響，本系統(tǒng)中采用的霍爾電流傳感器屬于定制模塊，廠家提供了溫度補(bǔ)償電路和零漂校準(zhǔn)電路，使霍爾傳感器輸出盡量不受溫度的影響，只與待測電流成線性關(guān)系。霍爾效應(yīng)原理的簡圖如圖4所示。

圖4 霍爾效應(yīng)原理簡圖

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

霍爾電流傳感器輸出的是一個(gè)與被測電流成線性關(guān)系的模擬電壓信號(hào)，主控系統(tǒng)并不能直接識(shí)別其電流大小，需要將模擬電壓信號(hào)量化成數(shù)字信號(hào)后，再送入主控系統(tǒng)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入為模擬信號(hào)，輸出為量化后的數(shù)字量信號(hào)，可供主控系統(tǒng)識(shí)別，并通過計(jì)算得出電流值的大小。

本系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以AD7606芯片核心，其是16位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有8通道同步采樣能力、極低的功耗和高分辨率。芯片采用5V單電源供電，集成片上2.5V精密基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電壓緩沖器，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，可處理±5V和±10V真雙極性模擬輸入信號(hào)，同時(shí)所有通道均能以高達(dá)200kHz的吞吐速率采樣。輸入鉗位保護(hù)電路可以耐受高達(dá)±16.5V的電壓。無論以何種采樣頻率工作，其模擬輸入阻抗均為1MW。二階模擬抗混疊濾波器的3dB截止頻率為22kHz；當(dāng)采樣速率為200kHz時(shí)，其具有40dB抗混疊抑制特性。靈活的數(shù)字濾波器采用引腳驅(qū)動(dòng)，可以改善信噪比，并降低3dB帶寬。并行和串行SPI輸出接口，可與主控系統(tǒng)直接連接[12]。

3.3 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)以現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array, FPGA）為核心，負(fù)責(zé)整個(gè)采集單元的電流數(shù)據(jù)獲取、電流值判斷與過濾、數(shù)據(jù)通信和控制。FPGA是一種可編程芯片，具有廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)中以Altera公司的型號(hào)5CEFA5U19I7N為主控芯片，該FPGA有77 000個(gè)邏輯元件數(shù)量，29 080個(gè)邏輯數(shù)組塊，4 884kbit總內(nèi)存，224個(gè)輸入輸出端口，最大工作頻率為800MHz。

3.4 百兆光以太網(wǎng)口

采集單元與管理單元之間通過光纖進(jìn)行通信，本系統(tǒng)使用百兆光網(wǎng)口，采用LC接口類型，62.5/ 125mm多模光纖，波長1 310nm，發(fā)送功率不小于-15dBm，接收靈敏度不大于-30dBm，收、發(fā)IEC 61850-9-1/2格式為SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)分為采集單元中FPGA程序設(shè)計(jì)與管理單元在線監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

4.1 采集單元程序設(shè)計(jì)

采集單元以FPGA為主控，實(shí)現(xiàn)采集單元的電流數(shù)據(jù)獲取、電流值判斷和過濾、數(shù)據(jù)通信和控制等功能。其程序設(shè)計(jì)思路為：FPGA實(shí)時(shí)獲取ADC芯片中的數(shù)據(jù)，通過算法計(jì)算出此時(shí)回路的電流值，如果采集的各通道電流均小于報(bào)警閾值，F(xiàn)PGA將判斷回路正常，不觸發(fā)GOOSE變位報(bào)警，GOOSE報(bào)文以5s心跳間隔向在線監(jiān)測設(shè)備發(fā)送電流數(shù)據(jù)包，SV報(bào)文以4K速率向在線監(jiān)測設(shè)備發(fā)送實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)包；如果采集的任一通道電流大于報(bào)警閾值，F(xiàn)PGA將判斷回路異常，立即置位該通道報(bào)警標(biāo)志位，GOOSE報(bào)文以2ms→2ms→4ms→8ms間隔發(fā)送報(bào)文，SV報(bào)文依舊以4K速率向在線監(jiān)測設(shè)備發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包。FPGA軟件流程圖如圖5所示。

圖5 FPGA軟件流程圖

4.2 管理單元監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

管理單元在線監(jiān)測設(shè)備上運(yùn)行開發(fā)的監(jiān)控軟件，主要完成與采集單元的通信、數(shù)據(jù)的分析處理、運(yùn)行參數(shù)波形曲線的顯示、綜合診斷分析等功能，實(shí)現(xiàn)對跳合閘回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障報(bào)警。其軟件設(shè)計(jì)思路為：管理人員可以設(shè)置跳變起動(dòng)錄波、穩(wěn)態(tài)起動(dòng)錄波、越界起動(dòng)錄波等錄波起動(dòng)方式，每種錄波起動(dòng)方式可獨(dú)立設(shè)置閾值，在線檢測設(shè)備接收到智能采集單元發(fā)送的SV與GOOSE報(bào)文后，解析報(bào)文內(nèi)容，獲取各通道電流值和報(bào)警信息等內(nèi)容，并將通道電流波形實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，按前文1.3節(jié)所述故障監(jiān)測原理中的內(nèi)容，判斷回路是否出現(xiàn)異常。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，起動(dòng)故障錄波設(shè)備，對通道電流變化進(jìn)行錄波，自動(dòng)保存錄波文件，并進(jìn)行報(bào)警和判斷回路的故障位置等信息，方便管理人員查看。管理單元監(jiān)控軟件界面如圖6所示。管理單元監(jiān)控軟件流程圖如圖7所示。

圖6 管理單元監(jiān)控軟件界面

圖7 管理單元監(jiān)控軟件流程圖

5 測試與驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)室模擬仿真平臺(tái)

為了能夠準(zhǔn)確驗(yàn)證跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)，依據(jù)前文所述的內(nèi)容，搭建了實(shí)驗(yàn)室模擬仿真平臺(tái)。該平臺(tái)能夠模擬跳閘與合閘回路，具有模擬跳合閘回路對地絕緣故障的功能，以更加趨近于現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境。下面以選取控制回路差流監(jiān)視和與故障位置判斷為例加以詳細(xì)說明：控制回路差流監(jiān)視是用來實(shí)現(xiàn)對跳合閘回路的實(shí)時(shí)監(jiān)測，判斷回路有無故障；故障位置判斷是用來判斷回路出現(xiàn)故障后，及時(shí)向檢修人員給出故障位置，提高檢修效率。實(shí)驗(yàn)室模擬仿真平臺(tái)如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)室模擬仿真平臺(tái)

5.2 控制回路差流監(jiān)視

控制回路差流監(jiān)視是指對控制回路KM+與KM-進(jìn)行電流監(jiān)測，以快速判斷出跳合閘回路是否發(fā)生絕緣故障，也是后續(xù)判斷故障點(diǎn)的必要條件，因此控制回路差流監(jiān)視是該監(jiān)視系統(tǒng)的首要測試項(xiàng)。在變電站中，控制回路KM+與KM-如果差流高于50mA，可能并不會(huì)馬上導(dǎo)致供電系統(tǒng)癱瘓，但會(huì)給供電系統(tǒng)造成隱患，如果不加以防范與排查，就可能導(dǎo)致事故的擴(kuò)大，因此在測試中設(shè)置50mA的漏電流報(bào)警閾值。

具體實(shí)施為：在模擬仿真平臺(tái)上，任選一處回路節(jié)點(diǎn)對地依次串接一個(gè)可調(diào)電阻、開關(guān)和電流表。開關(guān)斷開，回路無對地漏電流，即電流表為0；開關(guān)閉合，改變電阻值，模擬該節(jié)點(diǎn)對地電流的變化。記錄電流表與電源母線傳感器的電流值，同時(shí)在在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面上觀察是否觸發(fā)報(bào)警。其測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 控制回路差流監(jiān)視測試數(shù)據(jù)表

由表2的數(shù)據(jù)分析可知：①在序號(hào)1實(shí)驗(yàn)中，開關(guān)開路，即未發(fā)生絕緣故障時(shí)，CT1與CT2電流傳感器采集的電流基本相等，與前文1.3節(jié)中式（3）理論分析結(jié)果相同；②在序號(hào)2和3實(shí)驗(yàn)中，逐漸減小對地絕緣電阻，同時(shí)觀察到控制回路差流也在逐漸增大，驗(yàn)證了電流傳感器對回路變化電流采集的有效性，同時(shí)過程中故障點(diǎn)對地漏電流均小于50mA，無法觸發(fā)報(bào)警；③在序號(hào)4和5實(shí)驗(yàn)中，繼續(xù)減小對地絕緣電阻，觀察到控制回路差流在逐漸增大到報(bào)警閾值后，跳合閘檢測診斷系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，與前文1.3節(jié)中式（5）理論分析結(jié)果相同。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有效驗(yàn)證了控制回路差流監(jiān)視原理及方法的可行性和有效性。

5.3 故障位置判斷

故障判斷是指在出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)后，根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件分析與計(jì)算各傳感器的值，按前文1.3節(jié)的判斷邏輯，判斷回路出現(xiàn)故障的位置，幫助現(xiàn)場檢修人員快速定位故障點(diǎn)，減小工作量，提高檢修效率。

具體實(shí)施為：在模擬仿真平臺(tái)上，在合閘回路（跳閘回路實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似）中的操作箱處節(jié)點(diǎn)對地各連接一個(gè)1kW電阻和開關(guān)，在機(jī)構(gòu)柜處節(jié)點(diǎn)對地各連接一個(gè)2kW電阻和開關(guān)，通過閉合操作箱與結(jié)構(gòu)箱處的開關(guān)，來模擬操作箱和機(jī)構(gòu)柜對地發(fā)生的絕緣故障，記錄此時(shí)電源母線和跳合閘回路中傳感器的電流值，同時(shí)在在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面上觀察觸發(fā)報(bào)警后是否給出故障位置。其測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 故障位置判斷測試數(shù)據(jù)表

由表3的數(shù)據(jù)分析可知：①在序號(hào)1實(shí)驗(yàn)中，對地絕緣電阻開路，即未發(fā)生絕緣故障時(shí)，電流傳感器采集的電流基本相等，與表2中序號(hào)1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果基本相同；②在序號(hào)2實(shí)驗(yàn)中，對機(jī)構(gòu)箱進(jìn)行絕緣故障模擬，對4個(gè)傳感器數(shù)據(jù)記錄可知母差電流超過了50mA報(bào)警閾值，并且CT3與CT4電流之和基本等于CT1電流，與前文1.3節(jié)中式（6）理論分析結(jié)果相同；③在序號(hào)3實(shí)驗(yàn)中，對操作箱進(jìn)行絕緣故障模擬，對4個(gè)傳感器數(shù)據(jù)記錄可知母差電流超過了50mA報(bào)警閾值，并且CT3與CT4電流之和基本等于CT2電流，與前文1.3節(jié)中式（7）理論分析結(jié)果相同；④在序號(hào)4實(shí)驗(yàn)中，對機(jī)構(gòu)箱和操作箱同時(shí)進(jìn)行絕緣故障模擬，由4個(gè)傳感器數(shù)據(jù)記錄可知母差電流均超過了50mA報(bào)警閾值，并且CT3與CT4電流之和與CT1和CT2電流均不相等，與前文1.3節(jié)中式（8）理論分析結(jié)果相同。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有效驗(yàn)證了故障位置判斷原理及方法的可行性和有效性。

6 結(jié)論

斷路器在電力系統(tǒng)中起著重要的作用，斷路器跳合閘回路的完好是保證斷路器正常工作的必要條件，因此設(shè)計(jì)變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)具有非常重要的意義。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對跳合閘回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障報(bào)警，是實(shí)現(xiàn)跳合閘回路預(yù)知性維修的前提，更是保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

在對跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)的功能測試中，制作了模擬仿真平臺(tái)，在模擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行了模擬故障測試，配合在線監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測軟件，可以有效判斷回路是否出現(xiàn)異常，實(shí)現(xiàn)跳合閘回路的智能化運(yùn)行，減少檢修與運(yùn)維人員的工作量。當(dāng)回路出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)報(bào)警，告知工作人員，避免回路異常的工作狀態(tài)進(jìn)一步惡化，以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。同時(shí)針對回路故障進(jìn)行了回路電流量化分析，快速對故障位置進(jìn)行輔助診斷與定位，為檢修人員節(jié)省了檢修時(shí)間、減小了維護(hù)工作量，在保障變電站跳合閘回路安全與可靠運(yùn)行的同時(shí)提高了檢修效率。

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Research and application of the on-line monitoring system for tripping and closing circuit in intelligent substation

DONG Zhonghe1SONG Xiaohang1TANG Yuheng1WANG Shengwei2WANG Yibo2

(1. Wuhan Power Supply Company of State Grid Hubei Electric Power Co., Ltd, Wuhan 430000; 2. Wuhan Kemov Electric Co., Ltd, Wuhan 430223)

High voltage circuit breaker is an essential electrical equipment in the power system. The integrity of tripping and closing circuit is necessary to ensure the normal operation of the circuit breaker. The on-line monitoring of the tripping and closing circuit is the premise of realizing the predictive maintenance of the tripping and closing circuit, and the key to ensure the safety and reliability of the power grid. This paper has analyzes the operating state of tripping and closing circuit and the change of loop current, and design the monitoring system of tripping and closing circuit. This system consists of current acquisition circuit, analog-to-digital conversion circuit, main control system and communication circuit, and can complete the operation of current acquisition, quantification, control, filtering and sending. Cooperating with on-line monitoring software, it can realize real-time monitoring and fault alarm of tripping and closing circuit.

tripping and closing circuit; high voltage circuit breaker; on-line monitoring; current acquisition

2019-09-16

2020-10-20

董中和（1984—），男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。