断路器实时监控系统的设计与实现

江苏和动力电子工程有限公司 伍桂平 王从领 丁二慧 顾海彬 符 鹏

为不断满足人们和企业日益增长的电力需求，我国的电力系统正不断地朝着智能化、高压和大容量方向发展。随着计算机信息控制科学技术的高速发展，自动化领域也跟随着发生着重大变革，在电力系统中传统的断路器开关装置越来越不能够满足现代化的使用要求，尤其是在对装置的状态监测方面远远达不到信息化装备的要求[1]。传统的断路器开关在电网系统中进行保护作用时，采用的保护电路主要是通过线路进行连接实现对电网电路的保护，在实际的检修过程中，由于线路的繁杂以及装置设置的地理环境等各种因素增加了检修的困难性。

现阶段电力电网系统在工作时，需对其进行全方位、多参数的实时监控，只要对这些参数进行实时监控，才能保证电网系统运行的可靠性和稳定性。这就需对电网系统中的设备进行智能化设计，作为电网系统中的重要装置断路器开关承担着对整个电路中的保护作用，当电网中需对整个某些支网进行断开或闭合控制时，断路器起到控制开关和闭合的作用[2]。断路器既要保证电网系统中正常电流的开断，也能实现对故障电路在最短时间内对正常线路的保护，从而实现整个电网的安全、稳定运行。

1 系统方案需求

针对断路器实时监控系统设计时，需要充分考虑到断路器的整体性、稳定性和可延伸性。在对整体性进行考虑时，需考虑到在实际运行过程中由于停电对其装置造成的影响，需设置自生电电路对供电进行保障，功能保护方面要充分考虑到断路器在整个电路中的电压、电流及漏电都需要起到保护作用[3]。通信方面要保证既能无线通讯、又能保证有线通讯，双重保证通信的正常使用。充分考虑断路器在实际使用过程中会出现的各种故障状态，能够有效的进行预防和应对。

随着科学技术的发展，断路器硬件和软件方面都会进行着非常大的更新换代，这就需要在设计时，对断路器监控系统留有可拓展的空间，方便以后的升级改造。为保证断路器能实现实时监控功能，在硬件方面需考虑对断路器进行模块化的设置。在选择断路器的壳架时，要考虑到断路器在功能方面的电流保护和漏电保护，以及快速切断的性能要求，能够充分的集成电流和漏电互感器，实现双向电机和电子脱扣器在壳架的整个结构上进行完成。

电源模块作为对断路器保护的基本要求，其供电电源须能达到电源电流的稳定，同时也要满足对其自身的保护功能。无线通讯模块需保证在能够实现远距离通信、传输速率稳定等条件。当对断路器进行软件设计时，需考虑到实现完成的保护功能，这就要求达到过载、欠压、漏电以及断相等多种保护功能的实现，同时也要避免过于灵敏产生的电路频繁被断开的情况发生。

综上，断路器监控系统在实际设计时需实现以下目标：断路器所在线路的运行状态的参数能实现全时刻实时监测；断路器整个运行过程中的状态参数的记录与存储；对历史参数的数据分析和先有信号状态的分析，对现有断路器状态进行自动评估；能够建立相应的数据库，对断路器的过程质量进行参数化的统计和管理；能实现无人值守或自动化操作，这就需对其实现无线通讯功能；在实时监控的运行过程中具有较强抗干扰性、自检能力，保证在恶劣环境下能正常工作以及出现故障时能及时预警。

断路器实时监控系统需要监测的内容主要包括：断路器的分合闸时间、触头的行程及动触头断开的速度；断路器断开电流的次数、运动次数的数据记录；断路器的各种物理状态，如绝缘状态、机械性能等；线圈的参数。如线圈的电流、电压及通路等的参数。

2 实时监视系统的组成

断路器实时监控系统主要是由以下部分组成：信号的采集部分，主要是通过电流、电压以及温度等传感器对现场信号进行采集，将其物理信号转化为电信号；信号的预处理，该阶段主要是对传感器采集的信号进行降噪或者去噪处理，保证信号的准确性；信号的采集主要是对经过降噪或去噪后的的信号进行数据的转换和存储；数据的传输与处理，该部分主要是为了将现场收集到的电信号进行数据的传输至下一部分进行处理，将数据转换成信息进行诊断和评估。

断路器监控系统信号采集部分主要是通过电压、电流和加速度等传感器组成的，并且传感器和前置机等都安装在断路器的周围。当电压、电流、加速度及温度等传感器采集信号后进行前置机的去噪化处理后对信号进行传递。在变电站监控室内的后台及可以实现进行通信机传来的断路器的相关参数信号，对其进行分析后在上位机的显示界面进行显示，并通过各种数据进行对信号的分析、诊断和保存。断路器的实时监控系统的数据采集单位在每个断路器上进行配设。在后台机部分设置一台工控机实现对区域内的断路器监控系统进行监控。

3 实时监控系统功能设计

3.1 功能模块

根据图1，断路器实时监控系统的结构图中的后台机的模块，需要分别实现断路器综合监控系统的四大模块。

图1 断路器实时监控系统的结构图

3.1.1 电寿命分析模块

电寿命分析模块主要分析的是，断路器每次的闭合和断开的过程中都会产生电弧，每次触头和喷口接触的位置都会产生不同程度的烧损，一直使用到不能正常工作就算是断路器的一个寿命周期。在进行电寿命周期预测时，由于其断路器的触头和喷口每次发生的烧损量是随机的、不能够预判得到的，这就需要经过大量的实践进行预设。电寿命分析模块的设置，主要依据的是相对理论上的烧损实现对电寿命的预测。

实践经验表明，在实际触头每次发生烧损的量处于一个比较稳定的范围内，在这个范围内对触头的烧损量进行设置。将一个新的断路器或者是进经过检修的断路器的最大准许磨损量设定为1，对照的其电寿命也为满值1。在每次发生断开动作时产生的相对磨损量为1/N，这就可以对断路器总共可以使用的断开的次数进行预测，当其每次发生断开后就相应的对断路器的磨损量进行减少，直到断路器动作的次数达到一定的预警状态时，在上位机中进行报警，实现对断路器寿命的预测，完成点寿命模块的监视功能。

3.1.2 操动结构

断路器的组成结构中主要的动作部位是其操动结构，操动结构主要是由电磁铁和合分闸线圈组成的。线圈通电时线圈内部产生磁场，这就会使铁心受到磁场力的作用进行动作的闭合和断开、实现断路器的合闸和分闸。因为合分闸线圈内部是直流电流，其合分闸的电流的监测对断路器状态的监控也具有着非常重要的意义。通过前端设置的电流互感器、能够测出和分闸线圈的电流波形图，通过对波形图的分析，能够分析出断路器铁芯状态以及线圈的状态。

当一个全新的断路器的电流波形图和使用过一段时间以后的波形图进行对比时，就能够在时间电流的波形图上发现，使用了一段时间或者出现故障的断路器的铁心，在发生动作时的电流波动的时间要明显长于全新的断路器，这就说明断路器中的铁心出现了卡顿现象，需要对其进行清理。同时在对其线圈的电流进行分析时能够测算出电阻变化情况，从而实现对线圈的电阻是否正常进行监控。

3.1.3 断路器的主要动作部件

断路器的主要动作部件是其触头的闭合和断开，在断路器触头闭合的瞬间，触头之间相互接触会产生机械振动，机械的操动系统的性能和状态可以通过其振动特性进行反应，并且振动特性感应情况直接关系着断路器的工作状态。对断路器进行振动分析是一项非常必要的信息，在断路器的振动比较大的部位安装加速度传感器，能够检测到断路器在合闸或者分闸时的振动信号，通过对时域振动信号的分析和获取从而判断断路器的工作状态。

振动信号的获取是非常有保障的，由于振动信号在获取时不受到电信号的干扰和电器的测量，在安装过程中对断路器也没有任何影响，这就保证了信号获取的准确性。在断路器每次动作获取的信号与已知状态的断路器的振动信号波形进行对比，就能够发现在实际过程中、每次断路器闭合和开关的过程中的断路器的状态。

3.1.4 断路器的数据库

断路器的数据库的建立是对前三个模块获得的信号进行数据处理和数据的分析、存储。在运行的过程中数据库主要是对断路器的综合质量情况进行判定，同时在使用过程中对历史数据的查询、设备的参数信息进行查询等功能的实现。

3.2 人机交互设计

根据上述模块需要实现从数据库提取原始的数据信息，实现对断路器所在电力系统的电寿命统计计算、震动分析、电流的在线处理和分析功能。通过在系统内设置相对应的经验数值阈值，当断路器发生变化时其自身就会进行计算相对的电磨损，对其进行累计到相对寿命中，最后将最后的结果记录到数据库中。当整个系统中发现断路器寿命小于低于20%的时候，系统内会发出相对应的报警信息，来提供给工作人员预警信息，工作人员在接收到信号，可以在系统中对相关参数进行查询，通过数据对电寿命进行判断。

软件系统具备追忆和回放指定振动波形的功能，通过统计信号的波形，实现对信号进行波形以及频率的分析，系统将相关的数据信息进行保存，同时将相关的信息进行对比分析，从而发现不同之处，以供工作人员查看。工作人员可以根据后台软件的系统主窗口的显示变电站的主接线，当操作人员将鼠标放置到断路器图标时，右键可以查询相关快捷菜单，对断路器的相关功能图表进行查询；双击可以通过激活当前断路器的属性，查询断路器的运行状态等信息。

断路器实时监控系统的人机交互软件设计，主要包括各个模块的数据信息的显示和数据管理分析、用户管理、菜单以及断路器的实时状态信息。该系统基于Windows 多窗口应用进行实现，能够保证用户对断路器的状态和相关动作信息进行查询，其人机交互系统的结构图如图2所示。

图2 人机交互结构图

4 结语

电网系统中的设备的状态监测和状态诊断，是保证电网稳定可靠运行的必要保证。本文通过对断路器进行实时监控系统的需求进行分析，对其系统的整体方案进行了总体的设计，实现了断路器实时监控系统的电压、电流以及振动信号的监测和分析，对电寿命模块、合分闸线圈电流、振动信号监测和数据库进行了详细的阐述，设计开发了人机交互系统的结构，实现了断路器实时监控系统的功能实现，有效解决了现阶段我国在电力检测方面出现的人力检测不到位引起的电网检修事故，有效的保障了电网系统的稳定性和可靠性，提高了电网的运维管理水平。