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(lái)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。2018年3月21日，巴西電網(wǎng)因?yàn)閿嗦菲鬟^(guò)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。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(guó)內(nèi)約90%的人口，造成的經(jīng)濟(jì)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(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(guó)近幾年來(lái)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(jiàn)，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(duì)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。目前，國(guó)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(cè)跳閘，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但無(wú)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(wú)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(wú)法監(jiān)視跳閘；

④串接高內(nèi)阻繼電器于跳閘回路法，對(duì)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(duì)上述4種監(jiān)視方式的分析發(fā)現(xiàn)，上述方法均不能對(duì)跳合閘回路進(jìn)行全工況監(jiān)視。在對(duì)國(guó)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(cè)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(cè)跳合閘回路電流，通過(guò)采集終端獲取霍爾電流傳感器數(shù)值，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和過(guò)濾后，以采樣值（sampled value, SV）和面向通用對(duì)象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）報(bào)文上傳至在線監(jiān)測(cè)設(shè)備上，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)處理報(bào)文數(shù)據(jù)，達(dá)到對(duì)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(cè)方法中，基本采用串聯(lián)或者并聯(lián)其他元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器跳合閘回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)。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(guò)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(duì)跳合閘回路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。同時(shí)針對(duì)回路故障進(jìn)行了回路電流量化分析，快速對(duì)故障位置進(jìn)行輔助診斷與定位。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

跳合閘監(jiān)測(cè)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(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸，采集單元與管理單元之間通過(guò)光纖進(jìn)行通信。

采集單元是跳合閘監(jiān)測(cè)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(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和過(guò)濾，通過(guò)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)，安裝在智能終端柜里。

管理單元由在線監(jiān)測(cè)設(shè)備組成，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備上運(yùn)行開(kāi)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(duì)跳合閘回路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障報(bào)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(shè)計(jì)

采集單元硬件主要由開(kāi)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(kāi)合式霍爾電流傳感器用于將被測(cè)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(guò)濾；主控系統(tǒng)將過(guò)濾后的電流數(shù)據(jù)打包通過(guò)百兆光網(wǎng)口發(fā)送至在線監(jiān)測(cè)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(jí)的電能需求，供其正常穩(wěn)定的工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

跳合閘監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

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(shí)驗(yàn)室模擬仿真平臺(tái)

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(jì)變電站跳合閘監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有非常重要的意義。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)跳合閘回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)跳合閘監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能測(cè)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(cè)試，配合在線監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)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(duì)回路故障進(jìn)行了回路電流量化分析，快速對(duì)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。

本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“智能變電站跳合閘監(jiān)測(cè)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。