断路器状态多信息融合评估方法及IEC 61850建模

2017-12-22夏成林沈宇龙刘东升周邵亮陈晓聪

自动化仪表 2017年12期

夏成林，沈宇龙,刘东升,周邵亮,陈晓聪

(1．国电南瑞科技股份有限公司,江苏南京211106;2．南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏南京 211106;3．智能电网保护和运行控制国家重点实验室,江苏南京 211106)

夏成林1,2,3，沈宇龙1,2,3,刘东升1,2,3,周邵亮1,2,3,陈晓聪1,2

在研究并分析了断路器状态评估方法的基础上，提出了一种基于断路器维修曲线的多信息融合评估方法。根据断路器状态评估方法和IEC 61850建模规范，绘制了断路器分/合操作次数相对于分断跳闸动作电流的曲线图。结合断路器的预估寿命和最大通断电流等因素评估断路器触头寿命，形成了断路器的维修预警机制，从而实现了断路器的在线监视、保护、测控等设备功能的集成。该方案将原断路器智能组件功能集成到保护测控装置，通过制造信息声明(MMS)服务,将装置现有逻辑功能状态信息上传至后台服务器，以实现实时监视功能。将该方法集成于保护测控装置智能电子设备(IED)中，实现了断路器触头机械寿命预警监视功能。与现有其他断路器在线监测设备相比，该方法可降低站端设备的数量和成本。同时，IEC 61850建模的规范化有利于装置的功能扩展。

断路器；多信息融合；状态评估；预警监视； IEC 61850；保护测控装置；智能电子设备

0 引言

断路器的正常运行关系到变电站的整体稳定运行。现有一次设备状态监测更多地依赖于各种传感器设备。随着智能变电站的深入推广，站内变压器、GIS开关等一次设备状态在线监测技术已日趋成熟和稳定[1-2]。变电站间隔层的断路器状态通过IEC 61850通信实时监测，实现了一次设备从定期检修到状态检修的转变。国家电网公司在2012年发布了设备状态监测系统在变电站建模和通信的技术规范[3-4]，提出在线监测系统应综合考虑现有监测方法和现场实施成本等因素。监测系统的可靠性和稳定性决定了整个监测系统是否能够真正起到效果。同时，IEC 61850建模规范对设备状态监测系统的整体功能提升起着至关重要的作用[5]。本文设计了集成断路器状态监测功能的保护测控智能电子设备(intelligent electronic devices,IED)。这对整个变电站设备的功能横向集成和降低成本具有重要意义。

1 IED整体功能架构

本文以中低压常规线路保护装置为例。其主要功能有：过流保护、过负荷保护、接地保护、重合闸、模拟量测量、遥控功能、故障录波、开入量输入和报警等。根据IEC 61850建模规范第二版，装置的整体功能架构如图1所示。

图1 整体功能架构图

装置建立S1普通制造信息声明(manufacturing message specification,MMS)服务访问点，并在S1访问点下建立5个逻辑节点(logical device，LD)，分别为：LD0(公用信息LD)、CTRL(控制LD)、PROT(保护LD)、MEAS(测量LD)和RCD(录波LD)。在LD0节点下，建立SCBR、STMP、SPVT等逻辑节点。其中：SCBR反映断路器电气、机械特征的状态监测，STMP为装置温度监视逻辑节点，SPVT为装置电源电压逻辑节点。在CTRL节点下，根据一次设备的数量，建立相应的CSWI和CILO逻辑设备。在PROT节点建立相应的保护逻辑设备：PTOC为电流相关保护，PTOV为电压相关保护，MMXU为跳闸保护，MSQI为序分量测量量。在MEAS节点下建立MMXU。告警和开入逻辑节点采用GGIO建模，未在图1中标出。

2 断路器状态评估

断路器在线监测功能主要通过断路器智能组件实现。文献[1]中的断路器在线监测功能，主要实现SF6的微水和密度监测、断路器动作特性监视，包括分合线圈的电流波形、分合闸时间、行程-时间曲线和储能电机工作状态等。文献[6]研究了断路器触头机械寿命，主要对其开断故障电流进行累积和判断。其中，故障电流通过电流互感器获取。从工程应用和实际装置硬件配置角度出发，选取配置断路器状态在线监测功能相关输入信息量，包括跳合闸动作电流、跳合闸时间、开关量状态信息、小信号模拟量信息等。

2.1 实现方案

保护测控装置IED设备基于同步采样技术，通过电流、电压传感器采集线路电流、电压等数据，并通过辅助触点采集开关位置信号。对采集信号进行处理后，实现实时断路器机械特性状态监视和预警状态评估。

断路器监视功能启动逻辑如图2所示。将断路器监视“功能投退”定值设为置位状态，同时启动条件需满足装置接收到“遥控操作”命令、“跳闸动作”信号或者“外部启动”信号。装置应用程序接收到上述信号以后，经过延时t1，通过开关位置状态来判断跳合闸操作是否成功；同时，记录跳闸动作电流和跳闸次数，并进行累积评估。在此过程中，需考虑从装置接收到跳闸命令到实际动作出口的动作延时时间。该时间等于装置跳闸出口继电器的动作时间t2。因此，延时t2后，可获取最大故障电流。

图2 监视功能启动逻辑图

当外部故障一直存在时，装置保护电流会逐渐增大。跳闸动作电流时序图如图3所示。装置按照图2的逻辑获取跳闸动作电流，计算分相(A、B、C)的电流均方根值，同时对跳闸次数进行累加。装置在A点启动监视功能，在B点记录装置的跳闸动作电流，并对监视功能进行评估。

图3 跳闸动作电流时序图

通过以上方法获取累积跳闸动作电流和跳闸次数，用于评估断路器状态机械性能。

2.2 评估分析方法

影响现有断路器触头机械寿命的主要因素是断路器开断电流时因电弧作用产生的电磨损，不同电流下触头的损耗与电流不是简单的线性关系。文献[7]和文献[8]中提到，当前应用比较多的方法是基于断路器的电寿命曲线N-ib的开断电流加权累计法。

(1)

式中：Q为开断电流加权累积值(累计电磨损值)；Ii为第i次开断电流值,kA；b为加权系数，一般可根据断路器电寿命曲线得到，范围为1.5～2.0。

由式(1)可知，将Q值与阈值进行比较，即可得到当前断路器剩余电寿命情况。

在实际应用过程中，加权系数值往往根据经验值进行设置。该数值的选择会直接影响断路器维修的周期。为了减小经验值选择不当造成的影响，根据断路器生产厂家提供的维修曲线，并结合实际运行状态，提出结合lgN-lgI曲线评估断路器触头机械寿命的方法。其中：N为跳闸次数；I为跳闸动作电流，kA。

断路器分/合操作次数与千安分断跳闸动作电流的关系曲线如图4所示。图4中的横、纵坐标轴分别是对动作电流和动作次数取对数。对于任一断路器，有3点将作为通用整定值区中的继电器整定值。断路器对应点P1(lgI1,lgN1)、P2(lgI2,lgN2)和P3(lgI3,lgN3)。图4中：点P1(lgI1,lgN1)为最小电流值(通常情况下，选择额度动作电流和动作次数)；点P2(lgI2,lgN2)为中间电流值，介于额度动作电流和最大通过电流之间；点P3(lgI3,lgN3)为断路器允许通过的最大动作电流值。继电器接收的整定值为N1

图4 断路器操作次数与跳闸动作电流关系曲线

断路器磨损损耗百分比和动作跳闸电流关系可以表示为：

(2)

式中：W(I)为每次动作断路器损耗百分比,100%；I为每次操作动作电流值,kA；K为曲线增益系数；α为曲线斜率。

装置中，设置P1点和P2点为功能定值。其中，α由式(3)计算得到，K由式(4)计算得到。

(3)

(4)

将由式(3)和式(4)得到的α和K代入式(2)，即可推断[P1,P2]区间内每次跳闸动作后的触头磨损率。同理，可获取[P2,P3]区间的每次跳闸磨损率。

经过以上分析，对于每次跳闸动作，磨损率W(I)可表示为：

(5)

总累积磨损率Q采用累积法设定。

(6)

式中：k为跳闸次数。

当Q累积到100%后，断路器发出触头磨损报警。

3 断路器监视功能IEC 61850建模

在很多国内设备的应用中，监测装置的IEC 61850功能建模只包含该功能的逻辑设备建模。文献[9]提出了从在线监测IED到站端监测单元与状态监测主站的一体化建模方法。文献[10]提出了基于IEC 61850和IEC 61970系列标准的变电站设备状态监测信息系统构架，分析了变电站设备信息模型的构建扩展及模型适配问题。本文依据现有IEC 61850第二版中的SCBR推荐逻辑节点模型建模，选择SCBR逻辑节点模型中所需的参数和变量信息，其他保护测控功能逻辑节点建模应用比较广泛，且相对成熟稳定，在此不再阐述。SCBR逻辑节点数据对象如表1所示。表1对逻辑节点建模的公用数据类型(common data class,CDC)进行了详细说明，并给出了数据对象指定或可选的推荐值，即M/O。

表1 SCBR逻辑节点数据对象

考虑到保护测控装置采集到在线监测的信号功能局限性，选择表1中的数据对象进行逻辑节点建模。装置按照分相累积方法进行累积，在实际装置中建立SCBR1(A相监视)、SCBR2(B相监视)、SCBR3(C相监视)这3个逻辑节点。装置采用保护电流进行累积计算。根据2.2节中提到的累积方法，计算分相断路器触头磨损率和总的跳闸次数，并计算表1中获取的相关状态信息开关量和模拟量。保护测控装置通过MMS服务，将相应的状态信息传送给后台服务器。

4 系统测试

基于上述算法和建模方案设计，装置针对图4中的维修曲线点设置监视磨损定值参数：电流互感器(current transformer,CT)变比为1∶1 200，断路器分相损耗均为0，合闸时间为0.2 s。

①遥控操作测试，无外接保护电流。

遥控操作磨损监视结果如表2所示。此时，外接电流小于P1点电流值，装置磨损按照2.2节进行计算，测试结果满足要求。

表2 遥控操作磨损监视结果

②过流保护动作跳闸测试。

装置配置四段相过流保护功能，每段定值及控制字可独立整定。以第1段过流保护功能为例。相过流保护的主判据如式(7)所示。

(7)

式中：IP为电流定值；Imax为A、B、C三相中最大相电流，将相电流过流Ⅰ段功能投入，相电流过流定值设备为4 A(二次值)，即当Imax>Ip(Ip=4 A)时，装置相过流I段保护动作驱动外部处于合位的断路器进行跳分闸操作。根据图4，选择P1～P2、P2～P3、大于P3这3个电流范围，分别进行故障试验5次，累积磨损在每个故障试验完成后清零重新开始计算。

以P1～P2范围内的故障电流6 kA(二次值5 A)为例，依次分别测试A、B、C单相和三相同时故障。过电流跳闸磨损监视结果如表3所示。

表3 过电流跳闸磨损监视结果(6 kA)

在P2～P3之间分别加入故障电流12 kA、15 kA，且三相同时故障，最后加入大于P3的A相故障电流21.6 kA(二次值18 A)。三相故障磨损监视结果如表4所示。

表4 三相故障磨损监视结果

根据表4中的记录，当装置获取的跳闸动作电流大于P3点电流，A相损耗积累到100%，装置通过MMS服务上传AbrWrn告警状态信息。断路器检修完毕后，可通过面板将相应累积重新清零，并重新开始计算。

5 结束语

通过采用保护动作电流、断路器变位等状态信息，结合断路器操作次数与跳闸动作电流关系曲线，设计了一种多信息融合断路器状态评估技术的保护测控集成装置。该系统结合断路器的预估寿命开断次数和最大通断电流等因素来评估预警，实现了断路器的在线监视、保护、测控集成；将评估后状态信息通过MMS服务上传至后台服务器，实现了实时监视。与其他断路器在线监测设备相比，该系统的站端设备总成本较低，具有保护、测控、在线监测多功能集成等特点，且规范化建模有利于提高装置功能的可扩展性，具有广阔的应用前景。

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MultiInformationFusionEvaluationMethodandIEC61850ModelingforCircuitBreakerState

XIA Chenglin1,2,3,SHEN Yulong1,2,3,LIU Dongsheng1,2,3,ZHOU Shaoliang1,2,3,CHEN Xiaocong1,2

(1．NARI Technology Co.，Ltd.,Nanjing 211106,China;2.NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute),Nanjing 211106,China;3.State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control,Nanjing 211106,China)

On the basis of the research and analysis of the status evaluation methods for the circuit breakers,the multi information fusion evaluation method based on the circuit breaker maintenance curve is proposed.According to the existing status evaluation methods for circuit breakers and IEC 61850 modeling specification,the curve of breaking / closing operation frequency versus trip operation current is plotted.Combined with the factors of estimated life of the circuit breaker and the maximum breaking current,etc.,the life of the contact of circuit breaker is evaluated,and early warning mechanism of the circuit breaker maintenance is formed,thus the function integration of the circuit breaker is achieved,including the online monitoring,protection,monitoring and control.This strategy integrates the functions of original intelligent components of circuit breaker into the protection and control device,the existing logic function status information of the device is uploaded to the background server through the manufacturing message specification(MMS) service,then the real-time monitoring function is realized.And it has been integrated in the intelligent electronic devices(IED) of the protection and monitoring equipment to realize the function of mechanical life warning and monitoring for the contacts of circuit breaker.Compared with other existing on line monitoring equipment of circuit breakers,this method reduces the cost and quantity of the equipment.In addition,the standardization of IEC 61850 modeling is helpful to improve the functional scalability of the device.

Circuit breaker; Multi information fusion; State evaluation; Early warning monitoring; IEC 61850; Protection measurement and control device; Intelligent electronic devices(IED)

修改稿收到日期:2017-05-05

夏成林(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事变电站自动化系统的研究工作，E-mail:xiachenglin@sgepri.sgcc.com.cn

TH3；TP23

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712009