斷路器運行在線自動監測

邰 超

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200030）

斷路器（CB）是電力系統的一部分，它的功能對提供持續的電力供應至關重要。按需成型一個電力系統需要使用斷路器，用它來控制負載電流以及斷開系統中任何的故障部分。安裝好斷路器后，它的使用壽命大概為40年。當斷路器位于開關調度劇烈的轉換站時，它的運行狀態會頻繁改變。斷路器本身并不是智能的，它是通過保護繼電器來執行動作的，保護繼電器檢測出系統中的故障，然后打開相應的斷路器以隔絕故障，以使系統能夠繼續運行。另外，斷路器可以由電力系統操作人員遠程或維護人員現場發出手動命令來操作。有時，斷路器可能不按照命令開合，這會導致操作開關動作的中斷，進而引起不完整的控制動作或清除故障的失敗，最終導致故障持續時間超出系統損壞前能夠承受的故障時間。斷路器的誤動作可能導致系統功能中的不利變化，這種改變可能引起系統的不正常狀態，也可能導致停電事故。斷路器代表保護系統的一個關鍵部分，除此之外還有監控與數據采集（SCADA）系統。

其實已經有人設計出和提議過用不同的監測系統來監測斷路器的狀態和預測最理想的維護計劃，此維護計劃基于以下測量值：機械裝置的動作速率、相電流、氣壓、溫度和振動信號等。國際大電網委員會的一份報告稱在使用中的斷路器發生的所有故障中，大約有25%的失誤是由控制電路故障引起的。當前可用于檢測控制電路信號的某些數據采集系統不適用于在包含多個斷路器的開關序列中對斷路器性能在線監測。正因如此，那些數據采集系統沒有記錄足夠的信息去對可能發生在多個斷路器上的開關性能惡化做出精確的識別。

斷路器運行與狀況的系統廣泛實時監測一般使用SCADA系統的遠程終端單元（RTUs）來執行。這些單元基于檢測到的斷路器開關觸頭處的電壓電平提供關于斷路器最終狀態的信息，例如“打開”或“關閉”。

新方案基于新的斷路器監測數據采集 IED，也將它稱為斷路器監控器（CBM），它會永久地與變電所斷路器相連接。不管運行是由操作人員手動開始還是由保護與控制裝置自動開始，CBM都獲得關于每臺實時斷路器運行的詳細信息，并且將信息以COMTRADE文件格式存儲。相關的斷路器控制電路信號一經記錄和由無線連接傳送給集線器PC，分析軟件就會自動執行分析。

斷路器監測與分析（CBMA）通過監測與分析斷路器控制電路系統的模擬和數字信號的擴展裝置來提供對每臺斷路器狀況和運行性能的更好理解。在分析軟件中執行的專家系統的高級信號處理算法和知識庫顯著改進了分析結果的可靠性與一致性。

1 系統結構

整個系統的結構可以分為兩部分：①硬件，包括智能電子設備（IED）及與數據存儲計算機的通信；②軟件，其對開關動作相同的一組斷路器運行的現場記錄數據執行自動分析。

1.1 硬件體系結構

斷路器監控（CBM）硬件由開關站內斷路器櫥柜處的IED、控制室內的集線器PC和GPS時鐘接收機以及控制室內帶有 PC的開關站處的連接 IED的無線點對多點網絡組成。這種配置擔當主從式架構；開關站內每個斷路器上都有從屬 CBM 單元，這些 CBM 單元通過硬件線路獲得來自斷路器控制電路的信號。主部件（集線器PC）位于控制室內，用來收集變電站內所有從屬單元收集到的數據，并且對數據進行存儲和處理。圖 1顯示了變電站內CBMA系統的硬件體系結構。

當一個斷路器運行時，CBM就會記錄下控制電路的信號波形，并使用無線通信傳送記錄的文件給集線器PC。

1.2 軟件體系結構

斷路器監控軟件為不同的使用者分析數據和輸出信息。圖2顯示了軟件體系結構。這項應用使各種類型的使用者能夠使用自定義視圖，因為他們對斷路器性能、斷路器操作程序和網絡拓撲狀態也許有不同的興趣。對某些使用者來說，知道精確的系統拓撲和每一時刻斷路器的狀態很重要；而對某些使用者來說，在識別出并且清除故障之后了解一組斷路器的精確操作程序很重要。

圖1 CBMA系統的體系結構

圖2 斷路器監控軟件體系結構

2 硬件

變電所中的系統硬件包括開關站中每臺斷路器上的斷路器監控器和裝在控制室中的用于收集數據的集線器PC。

2.1 斷路器監控器IED

斷路器監控器（CBM）IED有三個主要功能：

1）對來自斷路器控制電路的信號執行數據采集，以及記錄脫扣和關閉的序列。

2）將獲得的信號轉換成與COMTRADE文件格式相符的文件。

3）把文件無線傳送給集線器設備。

斷路器控制電路的CBM智能電子裝置監控器的15個電氣信號如圖1所示，在斷路器的脫扣和關閉期間收集這些信號。在這15個信號中，11個是模擬信號，4個是狀態信號。表1列出了所監測的信號。

表1 CBM監測的斷路器控制電路的信號

圖3給出了CBM記錄波形的一個實例，從中可明顯看出對信號軌跡變化的緊密追蹤。

圖3 斷路器控制電路原理圖及其相關波形

最重要的信號是脫扣觸發信號和關閉觸發信號。由繼電器或操作人員觸發的這些信號產生了其他一些信號，這都是斷路器脫扣或關閉的結果。所有監測到的信號都是電壓信號。從分流器中獲得代表電流的信號，從而將它們轉換成合適的電壓信號。在最壞的情況中，在發生故障與停止斷路器之間的動作時間大約為1min。監控設備正是記錄和存儲這個時間段內的數據。

無線傳輸方案劃算且容易實現。如果在整個變電站里的每個斷路器處都裝配數據采集系統，那么布置電線連接單元與變電站里的控制室將非常昂貴。連接斷路器的CBM單元包含4個重要的模塊，即信號調節、模擬-數字轉換、處理和無線傳輸模塊。圖4顯示了從屬單元的組件關系圖。

圖4 CBM硬件體系結構

1）信號調節模塊。信號調節與隔離模塊為數據采集提供合適的電壓等級。在把表1中的輸入信號轉換成用于處理和存儲的數字形式之前，必須將其適當縮放。大多數模數轉換器要求輸入信號在±10V或±5V范圍內。信號調節電路必須縮放信號至A/D轉換器需要的范圍內。這個信號調節面板應該保護設備的其余部分免受在脫斷或關閉線圈操作過程中產生的高壓脈沖的影響。輸入處模塊也提供信號的電隔離，以防止模塊輸入端的故障破壞系統的其他部分。

2）模數轉換模塊。必須把模擬信號轉換成為分辨率足夠高的數字形式，這樣才可進行精確分析。12～16比特的分辨率對大多數應用程序是足夠的。采樣速率一定要足夠高以便于分析所需信號的精確復原，10kHz的采樣速率對大多數應用軟件是足夠的。

3）微處理器模塊。

除時間同步外，微處理器模塊執行以下功能：

（1）控制A/D轉換器的數據采集參數。

（2）設定數字信號的信號采樣頻率和比例因子。

（3）探測活動和記錄存儲器中指定時間的數據。

（4）用通信協議和無線收發器傳輸數據給集線器PC。

（5）接收和執行集線器發送的指令。

4）無線通信模塊。集線器PC通過無線通信從所有從屬單元處收集數據，用傳輸距離為 200m的一個無線系統來傳送記錄數據給集線器PC。收發模塊工作在單點對多點模式。在這種模式中，從屬單元與主單元通信，反之亦然；但在從屬單元之間沒有通信。在這種模式下，主從數據線路通常是穩健的，它確保了數據傳送的可靠性。

2.2 集線器

集線器設備包括一個與存儲和處理數據的 PC相連的高容量無線接收器。用軟件可以把集線器設定成兩個模式中的一個模式。

1）連續監測。在這個模式中，集線器不斷接收每個IED同時記錄的數據。這個應用程序要求的傳輸帶寬很高，n×1.4Mbps，其中n是系統中斷路器監控器的數量。

2）結果監測。在這個模式中，集線器不斷檢測IED的狀態，如果發生了任何脫扣或關閉事件，那么就下載了所記錄的數據。由于離線傳送數據，這項應用的傳輸頻帶寬度也許會非常低。

3 軟件

CBM軟件分析應用程序的三個主要功能是：

1）對單個斷路器運行的實時自動分析。

2）對一組斷路器運行的自動分析。

3）使用者各異而不同的圖形用戶界面的視圖和報表的結果分布。

對單個斷路器行為的詳細分析對維修工作組來說十分重要。像保護工程師這樣的其他通用工作組更感興趣的是與一組斷路器相關聯的事件序列。他們樂衷于弄清楚：序列何時發生，運行由何引發以及最終序列是否會正確地執行。

為了滿足以上要求，為從一組斷路器到中央存儲器的同步數據提供自動檢索很有必要。這使得比較來自相同時間范圍內的不同斷路器的控制電路信號出現了新特征。CBM結構就是為了支持圖5所示的這些特征。

圖5 CBM系統結構

在第一次迭代里，CBM客戶軟件使用當地變電所數據進行了分析。之后，把從當地每個變電所中提取的信息轉移到中央存儲器中。位于中央的CBM服務器軟件分析了一組斷路器的行為，這些斷路器可能屬于不同的變電所。本地提取信息的主要優勢在于中央部件和通訊通道很少過負荷。

4 結論

斷路器的檢測技術大致經歷了從離線測試、周期性在線檢測和長期在線監測的發展過程。斷路器在線監測的研究在國內已經開展多年，并且取得了許多成果。針對斷路器多個參量進行綜合監測，目前也有一些研究機構正在進行這方面的工作。

采用本文描寫的 CBM 和自動分析軟件策略，可以將新信息提供給多個維修組。這種新策略使系統操作員能夠獲得關于斷路器運行的更加詳盡的信息；將允許維護工程師追查所需斷路器開合順序的必需細節，這么做可以檢驗在清除故障期間繼電器與斷路器運行之間時間協調的精確性；將為維護人員提供斷路器運行機理的詳細動作。

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