智能變電站過程層斷路器相關IED的多維信息在線監測技術

王煜，周永榮，孟瑋，陳昊，王偉亮，費陽

(1.國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2.國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 211106；3.智能電網保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇南京 211106)

0 引言

隨著我國電力事業的發展，對電網智能化的要求越來越高。作為智能電網的重要組成部分，智能變電站將先進的信息化技術、自動化技術和智能分析技術作為基礎，具備對電網的測量、操控、調節、保護等功能，完成電網靈活、高效可靠的操控，以便實現電網的安全性、可靠性、靈活性和資源優化配置水平的目標[1]。因此，智能變電站已經成為很多新建變電站的首選。

在智能變電站的“三層兩網”架構組成中，作為過程層網絡的重要設備，智能終端是聯系保護裝置、測控裝置與斷路器之間的重要橋梁。其主要作用包括以下三個方面:一是可以實現斷路器等一次設備的智能化；二是可以實現對斷路器等一次設備的有效監控；三是可以合理控制斷路器以及隔離開關[2－3]。因此，必須保證智能變電站中智能終端在運行過程中的穩定性和安全性。然而，由于智能終端安裝于一次現場，工作環境較為惡劣，故障率較高，影響智能終端的正常運行，進而對電網的安全穩定運行產生威脅。如果僅僅依靠智能終端常規的告警信號進行判斷，無法快速準確地定位故障點，同時涉及的故障類型也比較少。除此之外，依據站內設備的層級結構，作為智能終端下級重要的一次設備，斷路器的運行狀態在很大程度上影響著電網的安全運行水平，近年來斷路器的停電消除缺陷工作需要投入大量人力物力，因而需要對斷路器的運行狀態進行有效監測。因此，有必要拓寬斷路器及其相關IED的在線監測信息面，研究所轄IED的多維信息在線監測，實現斷路器及智能終端的各類異常缺陷的準確判斷與定位。

目前國內已投運的智能變電站，雖然智能化水平在不斷提高，但是現階段站內的智能終端、氣體絕緣全封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)設備中的斷路器故障率依然較高，影響電網的安全穩定運行。以南京地區某500 kV智能變電站為例，通過統計投運以來站內智能終端、斷路器的常見故障可知，一方面部分故障由于無法被準確定位，在檢查處理過程中需要消耗很多時間，例如智能終端GOOSE斷鏈、對時異常、控制回路斷線等；另一方面部分故障只有通過設備停電檢修時才能發現并進行處理，而故障本身在設備運行時就已經出現，在運行狀態下難以依靠人工巡視等手段發現，例如斷路器的機械故障、SF6氣體密度異常等。

對智能終端與斷路器狀態在線監測及故障診斷已有較多研究。文獻[4]分析了在線監測系統在某220 kV智能變電站的整體實現方案；文獻[5]主要提出了一種過程層IED故障診斷與定位儀的設計方案；文獻[6]以某型號智能終端為研究對象，研究整個裝置的在線監測技術；文獻[7]分析了高電壓設備在線監測技術在智能變電站中的應用；文獻[8]從模型的角度出發，提出了一種高壓斷路器的健康度評估方法。上述文獻針對智能終端和斷路器的在線監測分別展開了研究，研究側重于算法的提高與通信鏈路的實現，監測信息包含的內容不夠全面，尚未研究將二者結合實現一體化在線監測這一課題。

將智能終端及斷路器常見故障點的監測信息進行集中處理，實現二者的多維信息在線監測，將大大提高變電站內故障處理的工作效率，縮短停電時間。本文從某智能變電站常見故障出發，分析斷路器及智能終端的重點監測信息。充分利用智能終端與斷路器運行狀態在線監測裝置的物理安裝位置近，便于一體化監測的優勢，研制一種新型IED設備實現多維信息狀態的在線監測，實現快速故障定位，縮短檢修時間，提高工作效率。

1 智能終端本體狀態在線監測

目前針對智能終端在線監測的實現方式，一是可以通過新增在線監測設備，專門用于智能終端的狀態監測，二是利用智能站自身的網絡架構優勢，直接從智能終端的組網中讀取需要的信息進行監測。本文將采取第二種信息采集方式，完成智能終端基本信息及光纖鏈路的數據采集，從而實現智能終端本體狀態的在線監測。

1.1 智能終端基本信息在線監測

智能變電站內的智能終端，一般裝設于變電站一次現場的匯控柜內，智能終端的運行環境是影響智能終端的在線監測質量的關鍵因素。

在智能終端所在匯控柜的常見故障中，例如匯控柜內背包空調故障、凝露積水等，都會對智能終端的穩定運行帶來很大影響。在夏季高溫時段，背包空調的故障將使智能終端運行在高溫狀態，僅憑其自身的散熱無法滿足溫度要求，需要實時的溫度監測進行及時的告警；在大雨潮濕等天氣時，匯控柜內的潮濕程度也會影響智能終端的正常運行，長時間受潮將對智能終端的運行板件產生嚴重影響，因此保證匯控柜內的潮濕度在正常范圍內也非常重要。

針對以上問題，提出技術方案:1)針對背包空調故障問題，通過監測背包空調的電源狀態，實現背包空調運行狀態的監測；2)針對匯控柜內溫度及濕度問題，通過加裝靈敏的溫濕度傳感器，實現智能終端運行環境的溫濕度監測。

1.2 智能終端光纖鏈路在線監測

根據智能站的三層兩網結構，智能終端以面向通用對象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)方式上傳一次設備的狀態信息，同時接收來自二次設備的GOOSE下行控制命令，實現對一次設備的實時控制功能[9]。

GOOSE信息的傳輸主要依靠光纖實現，由于智能終端裝置本身光口板件的設計開發、光纜及光纖跳線自身材料等因素的影響，智能終端會出現如GOOSE斷鏈等嚴重故障。一般GOOSE斷鏈發生后，檢修人員通過故障信號，僅能判斷與智能終端通信中斷的裝置，如保護裝置的GOOSE斷鏈、測控裝置的GOOSE斷鏈等，但是具體原因還需要通過進一步現場檢查才能確定，降低了故障處理效率。

針對以上問題，通過實時監測光纖兩端光口的光強，既可以實現整條光纖鏈路通道的監測，又可以在出現GOOSE斷鏈故障時，通過收發光口光強數據的判斷，第一時間縮小故障范圍。除此之外，通過設置光強越限告警值，可以在出現嚴重故障前及時發現問題，盡早進行處理，減少對裝置穩定運行的影響。

2 斷路器運行狀態在線監測

利用在線監測技術，可以對斷路器運行狀態進行實時監測，一方面能夠有效提升斷路器的自我感知能力，實現預知性維修，對傳統定期停電檢修技術來說，是一種重要補充和革新[10－11]；另一方面，將該技術應用于智能變電站中，有助于進一步提升智能變電站的智能化水平，提高運維檢修工作效率。根據斷路器檢修試驗工作中的常見型故障，選取以下四類信息作為斷路器運行狀態的在線監測內容。

2.1 SF6氣體特性在線監測

目前，智能站中的斷路器多為GIS設備，主要應用SF6作為斷路器的滅弧介質和絕緣介質，SF6氣體的密度是決定其絕緣強度的主要因素之一[12]，SF6氣體密度監測的經典方法是采用機械式密度繼電器進行監測。文獻[13]針對智能變電站設計了一種混合式SF6氣體密度表，能夠實現密度數據的就地數字化上傳。

通過在斷路器加裝SF6氣體密度繼電器，可以有效實現斷路器中SF6氣體特性的實時監測。當氣體密度不符合運行要求時，能夠及時發現進行處理，避免事故擴大化。

2.2 分合閘線圈電流在線監測

在斷路器的缺陷診斷中，分合閘線圈的電流信號是重要的檢測參數之一。斷路器在每次分合閘過程中，線圈的電流是隨時間變化的，變化波形中的信息能夠有效反映斷路器操動機構的性能[14]。因此通過對分合閘操作線圈動作電流的監測，可以了解斷路器二次控制回路的工作情況及機械操動機構狀況等，為設備缺陷檢測及檢修提供輔助判據[15]。

為實現斷路器分合閘線圈電流的在線監測，可在斷路器機構中裝設電流傳感器，對電磁鐵線圈的電流波形進行實時監測，通過記錄、分析每次分合閘操作過程中的電流波形，進而推算斷路器機械故障的發展趨勢和發生概率，實現在斷路器停電檢修前就能發現操動機構潛在隱患的目標。

2.3 機械振動信號在線監測

對于斷路器的機械運行狀態，其機械振動信號中蘊含著豐富的機械狀態信息，并且振動信號具有傳播衰減小，測點選擇靈活的優點。因此，可以利用振動信號對斷路器機械故障進行預判與診斷。同時這種方法可以解決高壓隔離問題，并能實現非侵入式的狀態監測，成為高壓斷路器機械狀態監測的最合適方法之一[16]。

通過在斷路器機構或橫梁裝設振動傳感器，然后將傳感器采集的斷路器振動信號進行分析與處理，進而主動識別斷路器潛在的機械性故障。

2.4 電場強度在線監測

瓷套是斷路器的重要組成部分，其運行狀態也影響著斷路器的健康水平。僅依靠日常巡視的外觀檢查，無法準確預判斷路器瓷套存在的潛在問題[17]。因此，可以通過斷路器周圍電場強度的在線監測，以場強的異常變化實現斷路器瓷套閃絡等外絕緣故障的診斷[18]。

針對以上問題，在斷路器本體的合適位置(如斷路器橫梁)，加裝瓷套電場狀態監測裝置，將正常運行與異常運行的數據進行累積作為對比基礎，在后續斷路器的運行過程中，可通過數據對比實現瓷套閃絡監測功能。

在確定了以上斷路器的四類在線監測信息后，為更好地實現集中監測，設計一套斷路器運行狀態在線監測裝置。該裝置在物理位置上安裝于斷路器與智能終端之間靠近后者的地方，通過將斷路器的SF6氣體密度繼電器、分合閘線圈電流傳感器、機械振動信號傳感器、電場強度監測傳感器等通過數據線與該設備進行直連，實現斷路器四類重要信息的在線監測。

3 斷路器相關IED多維信息在線監測

上文從智能終端本體狀態和斷路器運行狀態層面，分別分析了兩者在線監測功能中需要選取的監測點，并提供了合適的實現方法。除了智能終端光纖鏈路在線監測，其他信息的在線監測均在設備端加裝了相應的傳感器或繼電器，作為各個監測信息的智能電子設備 (Intelligent Electronic Device，IED)終端。基于此，設計一套新型過程層斷路器相關IED多維信息在線監測設備，將以上監測信息進行集中，具備分析、顯示、告警、查詢等功能，輔助智能終端及斷路器的故障判斷及處理。監測方法實現的整體結構框架如圖1所示。

圖1 多維信息在線監測整體結構框架

根據上述監測點，該斷路器相關IED多維信息在線監測設備的所有監測信息見表1。

表1 斷路器相關IED多維信息在線監測設備監測信息表

針對智能終端本體狀態和斷路器運行狀態的各類監測信息，該IED設備通過連接過程層網絡，讀取各個智能終端光纖鏈路光口的相關信息，實現智能終端光纖鏈路的在線監測；通過將智能終端匯控柜內溫濕度傳感器以數據線與IED設備進行直連，實現智能終端基本信息在線監測；通過連接斷路器運行狀態在線監測裝置，實現已經匯集于該裝置的斷路器四類重要信息的在線監測。綜上，斷路器相關IED多維信息在線監測設備的詳細信息框圖如圖2所示。

圖2 新型IED設備信息框圖

通過以上實現方法，斷路器相關IED多維信息在線監測設備具備過程層多維信息在線監測功能，能夠實時監測斷路器與智能終端的運行狀況，提前預判可能出現的潛伏性故障，為故障搶修與計劃檢修工作提供便利。目前該設備已在南京某500 kV智能變電站進行試運行，試運行期間故障及處理情況見表2。由表2的故障處理情況可知，多維信息在線監測IED設備的告警信息準確，有效提高了檢修工作人員處理故障的效率。

表2 斷路器相關IED多維信息在線監測設備運行期間故障及處理情況

4 結語

通過分析斷路器與智能終端兩類重要設備的常見故障，得出需要實現在線監測的重點信息。針對各類信息提出在線監測的實現方法，利用一套新型IED(斷路器相關IED多維信息在線監測設備)實現所有信息集成，從而具備相關IED多維信息在線監測的功能。南京某500 kV智能變電站的實踐表明對斷路器相關IED多維信息的在線監測，能夠有效提高檢修工作效率，及時發現設備隱性故障，提升電網安全穩定運行水平。