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  • 頭條一種新型智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng),可有效提升檢修效率
    2021-12-02 作者:董中和 宋曉航 等  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語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。對跳合閘回路進行在線監(jiān)測,是實現(xiàn)跳合閘回路預(yù)知性維修的前提,是保證電網(wǎng)安全可靠運行的關(guān)鍵因素。 國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司、武漢凱默電氣有限公司的研究人員董中和、宋曉航、唐昱恒、王盛威、王義波,在2021年第1期《電氣技術(shù)》上撰文,對跳合閘回路的工作狀態(tài)與回路電流變化情況進行原理分析,并設(shè)計了跳合閘監(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,可以實現(xiàn)跳合閘回路實時監(jiān)視和故障報警等多種功能。

    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,起著保護和控制的雙重作用。斷路器能夠根據(jù)電網(wǎng)運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,嚴重影響著人們正常生產(chǎn)和生活。2018年3月21日,巴西電網(wǎng)因為斷路器過載保護后的一系列連鎖反應(yīng),導(dǎo)致其14個州發(fā)生停電事故,9個州供電受到影響,造成了嚴重的經(jīng)濟損失。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)濟損失約7億美元。

    斷路器跳合閘回路是斷路器重要的控制和保護回路。相關(guān)研究文獻表明,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,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。

    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)運行的可靠性和安全性。

    一種新型智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng),可有效提升檢修效率

    表1 斷路器故障類型及比例統(tǒng)計表

    對斷路器跳合閘回路進行監(jiān)控能有效減少斷路器故障的發(fā)生,是保證電網(wǎng)可靠運行的重要措施。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:

    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,兩者常閉接點串接至中央信號,與紅綠燈監(jiān)視方式一樣,無法實現(xiàn)全工況監(jiān)視;

    ③操作箱中自帶監(jiān)視信號燈法,利用操作箱附設(shè)了跳閘回路完整性監(jiān)視燈,相當于紅綠燈監(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,可以實現(xiàn)跳閘回路全工況監(jiān)視,但不能實現(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時監(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)報文上傳至在線監(jiān)測設(shè)備上,在線監(jiān)測設(shè)備實時處理報文數(shù)據(jù),達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,達到對跳合閘回路實時監(jiān)測的目的。同時針對回路故障進行了回路電流量化分析,快速對故障位置進行輔助診斷與定位。

    2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

    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,主要負責完成斷路器跳合閘線圈電流的實時采集,并對電流數(shù)據(jù)進行判斷和過濾,通過通信光網(wǎng)口,以標準GOOSE報文和SV報文將數(shù)據(jù)上傳給管理單元,采集單元采用標準的1U機箱設(shè)計,安裝在智能終端柜里。

    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、運行參數(shù)波形曲線的顯示、綜合診斷分析等功能,實現(xiàn)對跳合閘回路的實時監(jiān)測與故障報警。

    系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

    一種新型智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng),可有效提升檢修效率

    圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

    3 采集單元硬件設(shè)計

    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,并將電壓信號輸入至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將電壓信號進行量化后,送入主控系統(tǒng)進行計算、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。

    4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

    一種新型智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng),可有效提升檢修效率

    圖2 FPGA軟件流程圖

    一種新型智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng),可有效提升檢修效率

    圖3 管理單元監(jiān)控軟件界面

    一種新型智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng),可有效提升檢修效率

    圖4 管理單元監(jiān)控軟件流程圖

    一種新型智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng),可有效提升檢修效率

    圖5 實驗室模擬仿真平臺

    5 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)可以實現(xiàn)對跳合閘回路進行實時監(jiān)測與故障報警,是實現(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,在模擬仿真平臺上進行了模擬故障測試,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,實現(xiàn)跳合閘回路的智能化運行,減少檢修與運維人員的工作量。

    當回路出現(xiàn)異常時,及時報警,告知工作人員,避免回路異常的工作狀態(tài)進一步惡化,以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。同時針對回路故障進行了回路電流量化分析,快速對故障位置進行輔助診斷與定位,為檢修人員節(jié)省了檢修時間、減小了維護工作量,在保障變電站跳合閘回路安全與可靠運行的同時提高了檢修效率。

    本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》,論文標題為“智能變電站跳合閘監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用”,作者為董中和、宋曉航、唐昱恒、王盛威、王義波。

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