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。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。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。
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。
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。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(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,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。
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。
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(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1所示。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖
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(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。
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)。
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
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,在模擬仿真平臺上進(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。
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。