斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江蘇和動(dòng)力電子工程有限公司 伍桂平 王從領(lǐng) 丁二慧 顧海彬 符 鵬

為不斷滿足人們和企業(yè)日益增長的電力需求，我國的電力系統(tǒng)正不斷地朝著智能化、高壓和大容量方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)信息控制科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，自動(dòng)化領(lǐng)域也跟隨著發(fā)生著重大變革，在電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的斷路器開關(guān)裝置越來越不能夠滿足現(xiàn)代化的使用要求，尤其是在對裝置的狀態(tài)監(jiān)測方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到信息化裝備的要求[1]。傳統(tǒng)的斷路器開關(guān)在電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行保護(hù)作用時(shí)，采用的保護(hù)電路主要是通過線路進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電路的保護(hù)，在實(shí)際的檢修過程中，由于線路的繁雜以及裝置設(shè)置的地理環(huán)境等各種因素增加了檢修的困難性。

現(xiàn)階段電力電網(wǎng)系統(tǒng)在工作時(shí)，需對其進(jìn)行全方位、多參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，只要對這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，才能保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。這就需對電網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要裝置斷路器開關(guān)承擔(dān)著對整個(gè)電路中的保護(hù)作用，當(dāng)電網(wǎng)中需對整個(gè)某些支網(wǎng)進(jìn)行斷開或閉合控制時(shí)，斷路器起到控制開關(guān)和閉合的作用[2]。斷路器既要保證電網(wǎng)系統(tǒng)中正常電流的開斷，也能實(shí)現(xiàn)對故障電路在最短時(shí)間內(nèi)對正常線路的保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)方案需求

針對斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到斷路器的整體性、穩(wěn)定性和可延伸性。在對整體性進(jìn)行考慮時(shí)，需考慮到在實(shí)際運(yùn)行過程中由于停電對其裝置造成的影響，需設(shè)置自生電電路對供電進(jìn)行保障，功能保護(hù)方面要充分考慮到斷路器在整個(gè)電路中的電壓、電流及漏電都需要起到保護(hù)作用[3]。通信方面要保證既能無線通訊、又能保證有線通訊，雙重保證通信的正常使用。充分考慮斷路器在實(shí)際使用過程中會出現(xiàn)的各種故障狀態(tài)，能夠有效的進(jìn)行預(yù)防和應(yīng)對。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，斷路器硬件和軟件方面都會進(jìn)行著非常大的更新?lián)Q代，這就需要在設(shè)計(jì)時(shí)，對斷路器監(jiān)控系統(tǒng)留有可拓展的空間，方便以后的升級改造。為保證斷路器能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，在硬件方面需考慮對斷路器進(jìn)行模塊化的設(shè)置。在選擇斷路器的殼架時(shí)，要考慮到斷路器在功能方面的電流保護(hù)和漏電保護(hù)，以及快速切斷的性能要求，能夠充分的集成電流和漏電互感器，實(shí)現(xiàn)雙向電機(jī)和電子脫扣器在殼架的整個(gè)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行完成。

電源模塊作為對斷路器保護(hù)的基本要求，其供電電源須能達(dá)到電源電流的穩(wěn)定，同時(shí)也要滿足對其自身的保護(hù)功能。無線通訊模塊需保證在能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信、傳輸速率穩(wěn)定等條件。當(dāng)對斷路器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮到實(shí)現(xiàn)完成的保護(hù)功能，這就要求達(dá)到過載、欠壓、漏電以及斷相等多種保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也要避免過于靈敏產(chǎn)生的電路頻繁被斷開的情況發(fā)生。

綜上，斷路器監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：斷路器所在線路的運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)能實(shí)現(xiàn)全時(shí)刻實(shí)時(shí)監(jiān)測；斷路器整個(gè)運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)的記錄與存儲；對歷史參數(shù)的數(shù)據(jù)分析和先有信號狀態(tài)的分析，對現(xiàn)有斷路器狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)評估；能夠建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，對斷路器的過程質(zhì)量進(jìn)行參數(shù)化的統(tǒng)計(jì)和管理；能實(shí)現(xiàn)無人值守或自動(dòng)化操作，這就需對其實(shí)現(xiàn)無線通訊功能；在實(shí)時(shí)監(jiān)控的運(yùn)行過程中具有較強(qiáng)抗干擾性、自檢能力，保證在惡劣環(huán)境下能正常工作以及出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)預(yù)警。

斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測的內(nèi)容主要包括：斷路器的分合閘時(shí)間、觸頭的行程及動(dòng)觸頭斷開的速度；斷路器斷開電流的次數(shù)、運(yùn)動(dòng)次數(shù)的數(shù)據(jù)記錄；斷路器的各種物理狀態(tài)，如絕緣狀態(tài)、機(jī)械性能等；線圈的參數(shù)。如線圈的電流、電壓及通路等的參數(shù)。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的組成

斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要是由以下部分組成：信號的采集部分，主要是通過電流、電壓以及溫度等傳感器對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集，將其物理信號轉(zhuǎn)化為電信號；信號的預(yù)處理，該階段主要是對傳感器采集的信號進(jìn)行降噪或者去噪處理，保證信號的準(zhǔn)確性；信號的采集主要是對經(jīng)過降噪或去噪后的的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲；數(shù)據(jù)的傳輸與處理，該部分主要是為了將現(xiàn)場收集到的電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸至下一部分進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息進(jìn)行診斷和評估。

斷路器監(jiān)控系統(tǒng)信號采集部分主要是通過電壓、電流和加速度等傳感器組成的，并且傳感器和前置機(jī)等都安裝在斷路器的周圍。當(dāng)電壓、電流、加速度及溫度等傳感器采集信號后進(jìn)行前置機(jī)的去噪化處理后對信號進(jìn)行傳遞。在變電站監(jiān)控室內(nèi)的后臺及可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行通信機(jī)傳來的斷路器的相關(guān)參數(shù)信號，對其進(jìn)行分析后在上位機(jī)的顯示界面進(jìn)行顯示，并通過各種數(shù)據(jù)進(jìn)行對信號的分析、診斷和保存。斷路器的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單位在每個(gè)斷路器上進(jìn)行配設(shè)。在后臺機(jī)部分設(shè)置一臺工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的斷路器監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 功能模塊

根據(jù)圖1，斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖中的后臺機(jī)的模塊，需要分別實(shí)現(xiàn)斷路器綜合監(jiān)控系統(tǒng)的四大模塊。

圖1 斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 電壽命分析模塊

電壽命分析模塊主要分析的是，斷路器每次的閉合和斷開的過程中都會產(chǎn)生電弧，每次觸頭和噴口接觸的位置都會產(chǎn)生不同程度的燒損，一直使用到不能正常工作就算是斷路器的一個(gè)壽命周期。在進(jìn)行電壽命周期預(yù)測時(shí)，由于其斷路器的觸頭和噴口每次發(fā)生的燒損量是隨機(jī)的、不能夠預(yù)判得到的，這就需要經(jīng)過大量的實(shí)踐進(jìn)行預(yù)設(shè)。電壽命分析模塊的設(shè)置，主要依據(jù)的是相對理論上的燒損實(shí)現(xiàn)對電壽命的預(yù)測。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在實(shí)際觸頭每次發(fā)生燒損的量處于一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)對觸頭的燒損量進(jìn)行設(shè)置。將一個(gè)新的斷路器或者是進(jìn)經(jīng)過檢修的斷路器的最大準(zhǔn)許磨損量設(shè)定為1，對照的其電壽命也為滿值1。在每次發(fā)生斷開動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的相對磨損量為1/N，這就可以對斷路器總共可以使用的斷開的次數(shù)進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)其每次發(fā)生斷開后就相應(yīng)的對斷路器的磨損量進(jìn)行減少，直到斷路器動(dòng)作的次數(shù)達(dá)到一定的預(yù)警狀態(tài)時(shí)，在上位機(jī)中進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對斷路器壽命的預(yù)測，完成點(diǎn)壽命模塊的監(jiān)視功能。

3.1.2 操動(dòng)結(jié)構(gòu)

斷路器的組成結(jié)構(gòu)中主要的動(dòng)作部位是其操動(dòng)結(jié)構(gòu)，操動(dòng)結(jié)構(gòu)主要是由電磁鐵和合分閘線圈組成的。線圈通電時(shí)線圈內(nèi)部產(chǎn)生磁場，這就會使鐵心受到磁場力的作用進(jìn)行動(dòng)作的閉合和斷開、實(shí)現(xiàn)斷路器的合閘和分閘。因?yàn)楹戏珠l線圈內(nèi)部是直流電流，其合分閘的電流的監(jiān)測對斷路器狀態(tài)的監(jiān)控也具有著非常重要的意義。通過前端設(shè)置的電流互感器、能夠測出和分閘線圈的電流波形圖，通過對波形圖的分析，能夠分析出斷路器鐵芯狀態(tài)以及線圈的狀態(tài)。

當(dāng)一個(gè)全新的斷路器的電流波形圖和使用過一段時(shí)間以后的波形圖進(jìn)行對比時(shí)，就能夠在時(shí)間電流的波形圖上發(fā)現(xiàn)，使用了一段時(shí)間或者出現(xiàn)故障的斷路器的鐵心，在發(fā)生動(dòng)作時(shí)的電流波動(dòng)的時(shí)間要明顯長于全新的斷路器，這就說明斷路器中的鐵心出現(xiàn)了卡頓現(xiàn)象，需要對其進(jìn)行清理。同時(shí)在對其線圈的電流進(jìn)行分析時(shí)能夠測算出電阻變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對線圈的電阻是否正常進(jìn)行監(jiān)控。

3.1.3 斷路器的主要?jiǎng)幼鞑考?/p>

斷路器的主要?jiǎng)幼鞑考瞧溆|頭的閉合和斷開，在斷路器觸頭閉合的瞬間，觸頭之間相互接觸會產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械的操動(dòng)系統(tǒng)的性能和狀態(tài)可以通過其振動(dòng)特性進(jìn)行反應(yīng)，并且振動(dòng)特性感應(yīng)情況直接關(guān)系著斷路器的工作狀態(tài)。對斷路器進(jìn)行振動(dòng)分析是一項(xiàng)非常必要的信息，在斷路器的振動(dòng)比較大的部位安裝加速度傳感器，能夠檢測到斷路器在合閘或者分閘時(shí)的振動(dòng)信號，通過對時(shí)域振動(dòng)信號的分析和獲取從而判斷斷路器的工作狀態(tài)。

振動(dòng)信號的獲取是非常有保障的，由于振動(dòng)信號在獲取時(shí)不受到電信號的干擾和電器的測量，在安裝過程中對斷路器也沒有任何影響，這就保證了信號獲取的準(zhǔn)確性。在斷路器每次動(dòng)作獲取的信號與已知狀態(tài)的斷路器的振動(dòng)信號波形進(jìn)行對比，就能夠發(fā)現(xiàn)在實(shí)際過程中、每次斷路器閉合和開關(guān)的過程中的斷路器的狀態(tài)。

3.1.4 斷路器的數(shù)據(jù)庫

斷路器的數(shù)據(jù)庫的建立是對前三個(gè)模塊獲得的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的分析、存儲。在運(yùn)行的過程中數(shù)據(jù)庫主要是對斷路器的綜合質(zhì)量情況進(jìn)行判定，同時(shí)在使用過程中對歷史數(shù)據(jù)的查詢、設(shè)備的參數(shù)信息進(jìn)行查詢等功能的實(shí)現(xiàn)。

3.2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

根據(jù)上述模塊需要實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫提取原始的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對斷路器所在電力系統(tǒng)的電壽命統(tǒng)計(jì)計(jì)算、震動(dòng)分析、電流的在線處理和分析功能。通過在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置相對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值閾值，當(dāng)斷路器發(fā)生變化時(shí)其自身就會進(jìn)行計(jì)算相對的電磨損，對其進(jìn)行累計(jì)到相對壽命中，最后將最后的結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)斷路器壽命小于低于20%的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)會發(fā)出相對應(yīng)的報(bào)警信息，來提供給工作人員預(yù)警信息，工作人員在接收到信號，可以在系統(tǒng)中對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行查詢，通過數(shù)據(jù)對電壽命進(jìn)行判斷。

軟件系統(tǒng)具備追憶和回放指定振動(dòng)波形的功能，通過統(tǒng)計(jì)信號的波形，實(shí)現(xiàn)對信號進(jìn)行波形以及頻率的分析，系統(tǒng)將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存，同時(shí)將相關(guān)的信息進(jìn)行對比分析，從而發(fā)現(xiàn)不同之處，以供工作人員查看。工作人員可以根據(jù)后臺軟件的系統(tǒng)主窗口的顯示變電站的主接線，當(dāng)操作人員將鼠標(biāo)放置到斷路器圖標(biāo)時(shí)，右鍵可以查詢相關(guān)快捷菜單，對斷路器的相關(guān)功能圖表進(jìn)行查詢；雙擊可以通過激活當(dāng)前斷路器的屬性，查詢斷路器的運(yùn)行狀態(tài)等信息。

斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)，主要包括各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)信息的顯示和數(shù)據(jù)管理分析、用戶管理、菜單以及斷路器的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。該系統(tǒng)基于Windows 多窗口應(yīng)用進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，能夠保證用戶對斷路器的狀態(tài)和相關(guān)動(dòng)作信息進(jìn)行查詢，其人機(jī)交互系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 人機(jī)交互結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

電網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)診斷，是保證電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的必要保證。本文通過對斷路器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，對其系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行了總體的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的電壓、電流以及振動(dòng)信號的監(jiān)測和分析，對電壽命模塊、合分閘線圈電流、振動(dòng)信號監(jiān)測和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，設(shè)計(jì)開發(fā)了人機(jī)交互系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，有效解決了現(xiàn)階段我國在電力檢測方面出現(xiàn)的人力檢測不到位引起的電網(wǎng)檢修事故，有效的保障了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了電網(wǎng)的運(yùn)維管理水平。