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的線路或電氣設備。

斷路器故障會造成電網(wǎng)供電能力減弱，甚至導致一系列連鎖事故，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，導致其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致的停電事故，極大地提高電網(wǎng)運行的可靠性和安全性。

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)測設備上，在線監(jiān)測設備實時處理報文數(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機箱設計，安裝在智能終端柜里。

管理單元由在線監(jiān)測設備組成，在線監(jiān)測設備上運行開發(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。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

3 采集單元硬件設計

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)軟件設計

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

圖2 FPGA軟件流程圖

圖3 管理單元監(jiān)控軟件界面

圖4 管理單元監(jiān)控軟件流程圖

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)研究與應用”，作者為董中和、宋曉航、唐昱恒、王盛威、王義波。