断路器运行在线自动监测

邰 超

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200030）

断路器（CB）是电力系统的一部分，它的功能对提供持续的电力供应至关重要。按需成型一个电力系统需要使用断路器，用它来控制负载电流以及断开系统中任何的故障部分。安装好断路器后，它的使用寿命大概为40年。当断路器位于开关调度剧烈的转换站时，它的运行状态会频繁改变。断路器本身并不是智能的，它是通过保护继电器来执行动作的，保护继电器检测出系统中的故障，然后打开相应的断路器以隔绝故障，以使系统能够继续运行。另外，断路器可以由电力系统操作人员远程或维护人员现场发出手动命令来操作。有时，断路器可能不按照命令开合，这会导致操作开关动作的中断，进而引起不完整的控制动作或清除故障的失败，最终导致故障持续时间超出系统损坏前能够承受的故障时间。断路器的误动作可能导致系统功能中的不利变化，这种改变可能引起系统的不正常状态，也可能导致停电事故。断路器代表保护系统的一个关键部分，除此之外还有监控与数据采集（SCADA）系统。

其实已经有人设计出和提议过用不同的监测系统来监测断路器的状态和预测最理想的维护计划，此维护计划基于以下测量值：机械装置的动作速率、相电流、气压、温度和振动信号等。国际大电网委员会的一份报告称在使用中的断路器发生的所有故障中，大约有25%的失误是由控制电路故障引起的。当前可用于检测控制电路信号的某些数据采集系统不适用于在包含多个断路器的开关序列中对断路器性能在线监测。正因如此，那些数据采集系统没有记录足够的信息去对可能发生在多个断路器上的开关性能恶化做出精确的识别。

断路器运行与状况的系统广泛实时监测一般使用SCADA系统的远程终端单元（RTUs）来执行。这些单元基于检测到的断路器开关触头处的电压电平提供关于断路器最终状态的信息，例如“打开”或“关闭”。

新方案基于新的断路器监测数据采集 IED，也将它称为断路器监控器（CBM），它会永久地与变电所断路器相连接。不管运行是由操作人员手动开始还是由保护与控制装置自动开始，CBM都获得关于每台实时断路器运行的详细信息，并且将信息以COMTRADE文件格式存储。相关的断路器控制电路信号一经记录和由无线连接传送给集线器PC，分析软件就会自动执行分析。

断路器监测与分析（CBMA）通过监测与分析断路器控制电路系统的模拟和数字信号的扩展装置来提供对每台断路器状况和运行性能的更好理解。在分析软件中执行的专家系统的高级信号处理算法和知识库显著改进了分析结果的可靠性与一致性。

1 系统结构

整个系统的结构可以分为两部分：①硬件，包括智能电子设备（IED）及与数据存储计算机的通信；②软件，其对开关动作相同的一组断路器运行的现场记录数据执行自动分析。

1.1 硬件体系结构

断路器监控（CBM）硬件由开关站内断路器橱柜处的IED、控制室内的集线器PC和GPS时钟接收机以及控制室内带有 PC的开关站处的连接 IED的无线点对多点网络组成。这种配置担当主从式架构；开关站内每个断路器上都有从属 CBM 单元，这些 CBM 单元通过硬件线路获得来自断路器控制电路的信号。主部件（集线器PC）位于控制室内，用来收集变电站内所有从属单元收集到的数据，并且对数据进行存储和处理。图 1显示了变电站内CBMA系统的硬件体系结构。

当一个断路器运行时，CBM就会记录下控制电路的信号波形，并使用无线通信传送记录的文件给集线器PC。

1.2 软件体系结构

断路器监控软件为不同的使用者分析数据和输出信息。图2显示了软件体系结构。这项应用使各种类型的使用者能够使用自定义视图，因为他们对断路器性能、断路器操作程序和网络拓扑状态也许有不同的兴趣。对某些使用者来说，知道精确的系统拓扑和每一时刻断路器的状态很重要；而对某些使用者来说，在识别出并且清除故障之后了解一组断路器的精确操作程序很重要。

图1 CBMA系统的体系结构

图2 断路器监控软件体系结构

2 硬件

变电所中的系统硬件包括开关站中每台断路器上的断路器监控器和装在控制室中的用于收集数据的集线器PC。

2.1 断路器监控器IED

断路器监控器（CBM）IED有三个主要功能：

1）对来自断路器控制电路的信号执行数据采集，以及记录脱扣和关闭的序列。

2）将获得的信号转换成与COMTRADE文件格式相符的文件。

3）把文件无线传送给集线器设备。

断路器控制电路的CBM智能电子装置监控器的15个电气信号如图1所示，在断路器的脱扣和关闭期间收集这些信号。在这15个信号中，11个是模拟信号，4个是状态信号。表1列出了所监测的信号。

表1 CBM监测的断路器控制电路的信号

图3给出了CBM记录波形的一个实例，从中可明显看出对信号轨迹变化的紧密追踪。

图3 断路器控制电路原理图及其相关波形

最重要的信号是脱扣触发信号和关闭触发信号。由继电器或操作人员触发的这些信号产生了其他一些信号，这都是断路器脱扣或关闭的结果。所有监测到的信号都是电压信号。从分流器中获得代表电流的信号，从而将它们转换成合适的电压信号。在最坏的情况中，在发生故障与停止断路器之间的动作时间大约为1min。监控设备正是记录和存储这个时间段内的数据。

无线传输方案划算且容易实现。如果在整个变电站里的每个断路器处都装配数据采集系统，那么布置电线连接单元与变电站里的控制室将非常昂贵。连接断路器的CBM单元包含4个重要的模块，即信号调节、模拟-数字转换、处理和无线传输模块。图4显示了从属单元的组件关系图。

图4 CBM硬件体系结构

1）信号调节模块。信号调节与隔离模块为数据采集提供合适的电压等级。在把表1中的输入信号转换成用于处理和存储的数字形式之前，必须将其适当缩放。大多数模数转换器要求输入信号在±10V或±5V范围内。信号调节电路必须缩放信号至A/D转换器需要的范围内。这个信号调节面板应该保护设备的其余部分免受在脱断或关闭线圈操作过程中产生的高压脉冲的影响。输入处模块也提供信号的电隔离，以防止模块输入端的故障破坏系统的其他部分。

2）模数转换模块。必须把模拟信号转换成为分辨率足够高的数字形式，这样才可进行精确分析。12～16比特的分辨率对大多数应用程序是足够的。采样速率一定要足够高以便于分析所需信号的精确复原，10kHz的采样速率对大多数应用软件是足够的。

3）微处理器模块。

除时间同步外，微处理器模块执行以下功能：

（1）控制A/D转换器的数据采集参数。

（2）设定数字信号的信号采样频率和比例因子。

（3）探测活动和记录存储器中指定时间的数据。

（4）用通信协议和无线收发器传输数据给集线器PC。

（5）接收和执行集线器发送的指令。

4）无线通信模块。集线器PC通过无线通信从所有从属单元处收集数据，用传输距离为 200m的一个无线系统来传送记录数据给集线器PC。收发模块工作在单点对多点模式。在这种模式中，从属单元与主单元通信，反之亦然；但在从属单元之间没有通信。在这种模式下，主从数据线路通常是稳健的，它确保了数据传送的可靠性。

2.2 集线器

集线器设备包括一个与存储和处理数据的 PC相连的高容量无线接收器。用软件可以把集线器设定成两个模式中的一个模式。

1）连续监测。在这个模式中，集线器不断接收每个IED同时记录的数据。这个应用程序要求的传输带宽很高，n×1.4Mbps，其中n是系统中断路器监控器的数量。

2）结果监测。在这个模式中，集线器不断检测IED的状态，如果发生了任何脱扣或关闭事件，那么就下载了所记录的数据。由于离线传送数据，这项应用的传输频带宽度也许会非常低。

3 软件

CBM软件分析应用程序的三个主要功能是：

1）对单个断路器运行的实时自动分析。

2）对一组断路器运行的自动分析。

3）使用者各异而不同的图形用户界面的视图和报表的结果分布。

对单个断路器行为的详细分析对维修工作组来说十分重要。像保护工程师这样的其他通用工作组更感兴趣的是与一组断路器相关联的事件序列。他们乐衷于弄清楚：序列何时发生，运行由何引发以及最终序列是否会正确地执行。

为了满足以上要求，为从一组断路器到中央存储器的同步数据提供自动检索很有必要。这使得比较来自相同时间范围内的不同断路器的控制电路信号出现了新特征。CBM结构就是为了支持图5所示的这些特征。

图5 CBM系统结构

在第一次迭代里，CBM客户软件使用当地变电所数据进行了分析。之后，把从当地每个变电所中提取的信息转移到中央存储器中。位于中央的CBM服务器软件分析了一组断路器的行为，这些断路器可能属于不同的变电所。本地提取信息的主要优势在于中央部件和通讯通道很少过负荷。

4 结论

断路器的检测技术大致经历了从离线测试、周期性在线检测和长期在线监测的发展过程。断路器在线监测的研究在国内已经开展多年，并且取得了许多成果。针对断路器多个参量进行综合监测，目前也有一些研究机构正在进行这方面的工作。

采用本文描写的 CBM 和自动分析软件策略，可以将新信息提供给多个维修组。这种新策略使系统操作员能够获得关于断路器运行的更加详尽的信息；将允许维护工程师追查所需断路器开合顺序的必需细节，这么做可以检验在清除故障期间继电器与断路器运行之间时间协调的精确性；将为维护人员提供断路器运行机理的详细动作。

[1]A. Bosma and R. Thomas, “Condition monitoring and maintenance strategies for high-voltage circuit breakers”, in IEE 6th International Conference -APSCOM-2003, vol.1, Hong Kong, Nov.11-14, 2003.

[2]H. K. Hoidalen, M. Runde, O. Haugland, G. Ottesen, and M. Ohlsen, “Continuous monitoring of circuit breakers using vibration analysis”, in 11th Int 81 Symposium on HV Engineering, vol.1, London, Aug, 1999.

[3]M. Kezunovic, Z. Ren, G. Latisko, D. R. Sevcik, S.Lucey, W.E. Cook, E.A. Koch, “Automated Monitoring and Analysis of Circuit Breaker Operation”, IEEE Transactions on Power Delivery.

[4]陈玉,吕一航,成永红等.中压开关柜绝缘特性在线检测技术的研究[A].第 5届全国智能化电器及应用研讨会[C].西安,2001.

[5]高翔,张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术,2006,30(23)∶67-71.

[6]吴广宁.电气设备状态监测的理论与实践[M].北京∶清华大学出版社,2005.