智能变电站跳合闸监测系统研究与应用

董中和 宋晓航 唐昱恒 王盛威 王义波

智能变电站跳合闸监测系统研究与应用

董中和1宋晓航1唐昱恒1王盛威2王义波2

（1. 国网湖北省电力有限公司武汉供电公司，武汉 430000； 2. 武汉凯默电气有限公司，武汉 430223）

高压断路器是电力系统中必不可少的电气设备，断路器跳合闸回路的完好是保证断路器正常工作的必要条件。对跳合闸回路进行在线监测，是实现跳合闸回路预知性维修的前提，是保证电网安全可靠运行的关键因素。本文对跳合闸回路的工作状态与回路电流变化情况进行原理分析，并设计了跳合闸监测系统。该系统由电流采集电路、模数转换电路、主控系统和通信电路组成，完成跳合闸回路电流采集、量化、控制、过滤和发送等操作，配合使用在线监测设备监测软件，可以实现跳合闸回路实时监视和故障报警等多种功能。

跳合闸回路；高压断路器；实时监测；电流采集

0 引言

随着电力系统的容量与能量需求的不断增加，电力系统的安全运行显得越来越重要。断路器是电力系统中必不可少的设备之一，起着保护和控制的双重作用。断路器能够根据电网运行需要可靠投入或切除相应的线路或电气设备。断路器故障会造成电网供电能力减弱，甚至导致一系列连锁事故，造成供电系统瘫痪，严重影响着人们正常生产和生 活[1-3]。2018年3月21日，巴西电网因为断路器过载保护后的一系列连锁反应，导致其14个州发生停电事故，9个州供电受到影响，造成了严重的经济损失[4]。2015年3月31日，土耳其电网因断路器跳闸发生了大规模停电事故，导致电网崩溃和瘫痪，影响了其国内约90%的人口，造成的经济损失约7亿美元[5]。

断路器跳合闸回路是断路器重要的控制和保护回路。相关研究文献表明，跳合闸回路故障是导致断路器故障的主要原因。经查阅相关研究文献，将我国近几年来断路器发生的故障类型及比例数据整理成表1[6]。从表1中数据可见，绝缘故障是所有故障类型中占比最大的。降低绝缘故障发生的次数，将显著减少因断路器故障导致的停电事故，极大地提高电网运行的可靠性和安全性。

表1 断路器故障类型及比例统计表

对断路器跳合闸回路进行监控能有效减少断路器故障的发生，是保证电网可靠运行的重要措施[7-10]。目前，国内外现有的断路器跳合闸监视方法有以下4种[11]：①红绿灯回路直接监视法，红灯监视合闸，绿灯检测跳闸，电路结构简单，但无法实现全工况监视；②跳合闸位置继电器间接监视法，将跳合闸位置继电器线圈串接于合跳闸回路中，两者常闭接点串接至中央信号，与红绿灯监视方式一样，无法实现全工况监视；③操作箱中自带监视信号灯法，利用操作箱附设了跳闸回路完整性监视灯，相当于红绿灯监视方式的红灯，只能监视合闸，无法监视跳闸；④串接高内阻继电器于跳闸回路法，对跳闸回路利用串接高内阻继电器，可以实现跳闸回路全工况监视，但不能实现合闸回路全工况监视。

从对上述4种监视方式的分析发现，上述方法均不能对跳合闸回路进行全工况监视。在对国内外跳合闸回路相关研究的基础上，本文搭建了一个断路器跳合闸监测诊断系统。该系统使用霍尔电流传感器实时监测跳合闸回路电流，通过采集终端获取霍尔电流传感器数值，在对数据进行处理和过滤后，以采样值（sampled value, SV）和面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）报文上传至在线监测设备上，在线监测设备实时处理报文数据，达到对跳合闸回路的全工况监视和故障诊断的目的。

1 原理分析

以往在断路器跳合闸监测方法中，基本采用串联或者并联其他元器件来实现断路器跳合闸回路状态监测。本文以断路器跳合闸回路的异常工作的结果为导向，通过溯源性原理，分析断路器跳合闸回路在异常发生前后的电流变化情况，达到对跳合闸回路实时监测的目的。同时针对回路故障进行了回路电流量化分析，快速对故障位置进行辅助诊断与定位。

1.1 跳合闸回路工作原理

查阅相关文献，绘制跳合闸回路原理图，如图1所示。

图1 跳合闸回路原理图

工作原理如下：当跳合闸回路处于跳闸状态需要合闸时，回路中各触点状态如图1所示，ZHJ自动合闸接点或者SHJ手动合闸接点闭合，HTJ合闸保持继电器得电，HTJ触头立即闭合，形成自锁，合闸回路通电，HQ合闸继电器线圈得电，驱动合闸继电器进行合闸操作。正常情况下，此时QF1断路器辅助常闭触头断开，QF2断路器辅助常开触头闭合，合闸回路失电；如果出现因机械原因等导致的QF1断路器辅助常闭触头无法断开的情况，HTJ合闸保持继电器的延时动作触头T_HTJ就将断开，防止长时间大电流烧毁HQ合闸继电器线圈，合闸回路失电。TWJ跳位监视继电器线圈失电，HWJ合位监视继电器线圈得电，将表示此时跳合闸回路处于合闸状态。

同理，当跳合闸回路处于合闸状态需要分闸时，原QF2断路器辅助常开触头闭合，ZTJ自动跳闸接点或者STJ手动跳闸接点闭合，TTJ跳闸保持继电器得电，TTJ触头立即闭合，形成自锁，跳闸回路通电，TQ跳闸继电器线圈得电，驱动跳闸继电器进行跳闸操作。正常情况下此时QF2断路器辅助常开触头断开，QF1断路器辅助常闭触头闭合，跳闸回路失电；如果出现因机械原因等导致的QF2断路器辅助常开触头无法断开的情况，TTJ跳闸保持继电器的延时动作触头T_TTJ就将断开，防止长时间大电流烧毁TQ跳闸继电器线圈，跳闸回路失电。TWJ跳位监视继电器线圈得电，HWJ合位监视继电器线圈失电，将表示此时跳合闸回路处于跳闸状态。

1.2 回路状态与电流变化

在对跳合闸回路的分析过程中，将合闸的过程分为3段状态进行计算和说明，这3段状态分别是监视态、合闸态与合后态，各个状态对应的回路电流各不相同。

1）监视态。在此状态中，TWJ跳位监视继电器线圈，QF1断路器辅助常闭触头闭合，并与HQ合闸继电器线圈一起构成回路，有

式中，H1为合闸过程中监视态的电流值。

为了保证TWJ跳位监视继电器的长期热稳定性，通常TWJ内阻较大，一般按TWJ取20kW计算。HQ合闸继电器一般内阻较小，粗略在50～200W，按HQ取100W计算。控制回路电压取220V，根据式（1）计算，此时电流H1约为11mA。

2）合闸态。在此状态下，合闸回路各触点闭合，控制回路电压全部加在HQ合闸继电器线圈上，有

式中，H2为合闸过程中合闸态的电流值。

根据式（2）计算，此时电流H2约为2.2A。

3）合后态。在此状态下，因为QF1断路器辅助常闭触头已经断开，合闸回路处于断路状态，所以合闸回路电流H3为0。

同样，也可将跳闸的过程分为3段状态，这3段状态分别是监视态、跳闸态、跳后态，其计算类似合闸过程，计算得出监视态电流T1约为11mA，跳闸态电流T2约为2.2A，跳后态电流T3为0。

综上所述，无论是跳闸过程还是合闸过程，相应的回路电流值都有一个11mA→2.2A→0的变化过程，其示意图如图2所示。

1.3 故障监测原理

在图1所示的原理图中，CT3用来检测合闸回路中回路电流，即用来检测H1、H2和H2的变化过程；CT4用来检测跳闸回路中回路电流，即用来检测T1、T2和T3的变化过程；CT1与CT2是用来检测KM+和KM-电流。在跳合闸回路未发生对地漏电流时，根据基尔霍夫电流定律可知，回路中节点的流入与流出电流应该相等。同时干路电流应为支路电流之和，即KM+与KM-电流在任意时刻都相等，并且在任意时间均等于跳闸回路与合闸回路电流之和，即

图2 回路电流变化示意图

同时，干路电流应为支路电流之和，即母线电流在任意时间均等于跳闸回路与合闸回路电流之和，即

对于实际运行的跳合闸回路，若传感器采集到KM+与KM-电流不相等（下文简称“控制回路差流”），则需要考虑以下两种原因：①传感器本身的误差；②跳合闸回路中出现对地漏电流，即发生对地绝缘降低。针对传感器本身的误差，解决措施是选用更高精度的传感器和增加补偿算法两种方法，该部分受传感器自身因素影响，与本文主要内容无关，对该原因不进行探讨。同时，本文电流传感器电流值的大小比较，均不涉及传感器自身误差。如果检测到的控制回路差流大于设置的电流告警阈值，就需要考虑跳合闸回路发生绝缘故障，其差值电流即为对地漏电流o，即

接着判断CT3与CT4的电流值，若CT3与CT4的电流之和等于CT1的电流值，即

则可以判断绝缘故障发生在机构箱处。

同理，若CT3与CT4的电流值之和等于CT2的电流值，即

则可以判断绝缘故障发生在操作箱处。

同理，若CT3与CT4的电流值之和与CT1和CT2的电流变化值均不相等，即

则可以判断在操作箱和机构箱均发生了绝缘故障。

2 系统架构设计

跳合闸监测系统架构由采集单元与管理单元组成，为适应变电站恶劣的电磁环境与长距离的数据传输，采集单元与管理单元之间通过光纤进行通信。采集单元是跳合闸监测系统的核心部件，主要负责完成断路器跳合闸线圈电流的实时采集，并对电流数据进行判断和过滤，通过通信光网口，以标准GOOSE报文和SV报文将数据上传给管理单元，采集单元采用标准的1U机箱设计，安装在图1所示的智能终端柜里，开合式霍尔电流传感器通过拨开卡扣将待测回路电缆穿线后压紧卡扣，即可完成对该回路的电流测试，其安装位置如图1中的CT1、CT2、CT3和CT4所示，传感器输出通过接线端子连接至采集单元。管理单元由在线监测设备组成，在线监测设备上运行开发的监控软件，主要完成与采集单元的通信、数据的分析处理、运行参数波形曲线的显示、综合诊断分析等功能，实现对跳合闸回路的实时监测与故障报警。

系统架构框图如图3所示。

图3 系统架构框图

3 采集单元硬件设计

采集单元硬件主要由开合式霍尔电流传感器、模数转换电路、主控系统、百兆光以太网口电路和电源系统组成。开合式霍尔电流传感器用于将被测电流转换成一定比例的电压信号，并将电压信号输入至模数转换电路；模数转换电路用于将电压信号进行量化后，送入主控系统进行计算、判断和过滤；主控系统将过滤后的电流数据打包通过百兆光网口发送至在线监测设备。电源系统主要是为智能采集单元各硬件电路提供不同电压等级的电能需求，供其正常稳定的工作。

3.1 开合式霍尔电流传感器

目前在传统变电站中，一般不能断开正在工作的断路器跳合闸回路，加入电流检测元器件检测回路电流，因此既要在不断开回路电路的前提下，又要保证在复杂的电磁环境中能有效检测出回路电流。综合考虑霍尔传感器检测技术是首要选择。霍尔传感器检测技术是经过多年发展的一项成熟的检测技术，既可以克服传统电磁式互感器的非线性缺点，又解决了电参量测量时的隔离问题。霍尔传感器是利用霍尔效应原理构造的，若在半导体（或金属）薄片的长度方向上通入控制电流C，在厚度方向上施加磁感应强度为的磁场，则在宽度方向上会产生电动势H，这种现象即称为霍尔效应，H称为霍尔电势，其大小可表示为

式中：H为霍尔系数，由半导体材料的性质决定；为半导体材料的厚度。这两个参数均对传感器灵敏度产生影响。定义为灵敏度，值越大，灵敏度就越高，其值为H与的比值，则可将式（9）改写为

由式（10）可见，值一定时，霍尔电压H与控制电流C及磁感应强度的乘积成正比。在式（10）中，若控制电流C为一定值常数，磁感应强度与被测电流成正比，则可以设计成霍尔电流传感器；同理，若磁感应强度与被测电压成正比，则可以设计成霍尔电压传感器。

考虑到霍尔传感器易受温度的影响，本系统中采用的霍尔电流传感器属于定制模块，厂家提供了温度补偿电路和零漂校准电路，使霍尔传感器输出尽量不受温度的影响，只与待测电流成线性关系。霍尔效应原理的简图如图4所示。

图4 霍尔效应原理简图

3.2 模数转换电路

霍尔电流传感器输出的是一个与被测电流成线性关系的模拟电压信号，主控系统并不能直接识别其电流大小，需要将模拟电压信号量化成数字信号后，再送入主控系统。模数转换电路输入为模拟信号，输出为量化后的数字量信号，可供主控系统识别，并通过计算得出电流值的大小。

本系统的模数转换电路以AD7606芯片核心，其是16位电荷再分配逐次逼近型模数转换器（ADC），具有8通道同步采样能力、极低的功耗和高分辨率。芯片采用5V单电源供电，集成片上2.5V精密基准电压源和基准电压缓冲器，具有片内滤波和高输入阻抗，可处理±5V和±10V真双极性模拟输入信号，同时所有通道均能以高达200kHz的吞吐速率采样。输入钳位保护电路可以耐受高达±16.5V的电压。无论以何种采样频率工作，其模拟输入阻抗均为1MW。二阶模拟抗混叠滤波器的3dB截止频率为22kHz；当采样速率为200kHz时，其具有40dB抗混叠抑制特性。灵活的数字滤波器采用引脚驱动，可以改善信噪比，并降低3dB带宽。并行和串行SPI输出接口，可与主控系统直接连接[12]。

3.3 主控系统

主控系统以现场可编程门阵列（field-programmable gate array, FPGA）为核心，负责整个采集单元的电流数据获取、电流值判断与过滤、数据通信和控制。FPGA是一种可编程芯片，具有广泛的应用。本系统中以Altera公司的型号5CEFA5U19I7N为主控芯片，该FPGA有77 000个逻辑元件数量，29 080个逻辑数组块，4 884kbit总内存，224个输入输出端口，最大工作频率为800MHz。

3.4 百兆光以太网口

采集单元与管理单元之间通过光纤进行通信，本系统使用百兆光网口，采用LC接口类型，62.5/ 125mm多模光纤，波长1 310nm，发送功率不小于-15dBm，接收灵敏度不大于-30dBm，收、发IEC 61850-9-1/2格式为SV报文和GOOSE报文。

4 系统软件设计

跳合闸监测系统软件的设计分为采集单元中FPGA程序设计与管理单元在线监测设备的监控软件设计。

4.1 采集单元程序设计

采集单元以FPGA为主控，实现采集单元的电流数据获取、电流值判断和过滤、数据通信和控制等功能。其程序设计思路为：FPGA实时获取ADC芯片中的数据，通过算法计算出此时回路的电流值，如果采集的各通道电流均小于报警阈值，FPGA将判断回路正常，不触发GOOSE变位报警，GOOSE报文以5s心跳间隔向在线监测设备发送电流数据包，SV报文以4K速率向在线监测设备发送实时电流数据包；如果采集的任一通道电流大于报警阈值，FPGA将判断回路异常，立即置位该通道报警标志位，GOOSE报文以2ms→2ms→4ms→8ms间隔发送报文，SV报文依旧以4K速率向在线监测设备发送实时数据包。FPGA软件流程图如图5所示。

图5 FPGA软件流程图

4.2 管理单元监控软件设计

管理单元在线监测设备上运行开发的监控软件，主要完成与采集单元的通信、数据的分析处理、运行参数波形曲线的显示、综合诊断分析等功能，实现对跳合闸回路进行实时监测与故障报警。其软件设计思路为：管理人员可以设置跳变起动录波、稳态起动录波、越界起动录波等录波起动方式，每种录波起动方式可独立设置阈值，在线检测设备接收到智能采集单元发送的SV与GOOSE报文后，解析报文内容，获取各通道电流值和报警信息等内容，并将通道电流波形实时显示在屏幕上，按前文1.3节所述故障监测原理中的内容，判断回路是否出现异常。当出现异常时，起动故障录波设备，对通道电流变化进行录波，自动保存录波文件，并进行报警和判断回路的故障位置等信息，方便管理人员查看。管理单元监控软件界面如图6所示。管理单元监控软件流程图如图7所示。

图6 管理单元监控软件界面

图7 管理单元监控软件流程图

5 测试与验证

5.1 实验室模拟仿真平台

为了能够准确验证跳合闸监测系统，依据前文所述的内容，搭建了实验室模拟仿真平台。该平台能够模拟跳闸与合闸回路，具有模拟跳合闸回路对地绝缘故障的功能，以更加趋近于现场的实际环境。下面以选取控制回路差流监视和与故障位置判断为例加以详细说明：控制回路差流监视是用来实现对跳合闸回路的实时监测，判断回路有无故障；故障位置判断是用来判断回路出现故障后，及时向检修人员给出故障位置，提高检修效率。实验室模拟仿真平台如图8所示。

图8 实验室模拟仿真平台

5.2 控制回路差流监视

控制回路差流监视是指对控制回路KM+与KM-进行电流监测，以快速判断出跳合闸回路是否发生绝缘故障，也是后续判断故障点的必要条件，因此控制回路差流监视是该监视系统的首要测试项。在变电站中，控制回路KM+与KM-如果差流高于50mA，可能并不会马上导致供电系统瘫痪，但会给供电系统造成隐患，如果不加以防范与排查，就可能导致事故的扩大，因此在测试中设置50mA的漏电流报警阈值。

具体实施为：在模拟仿真平台上，任选一处回路节点对地依次串接一个可调电阻、开关和电流表。开关断开，回路无对地漏电流，即电流表为0；开关闭合，改变电阻值，模拟该节点对地电流的变化。记录电流表与电源母线传感器的电流值，同时在在线监测系统软件界面上观察是否触发报警。其测试数据见表2。

表2 控制回路差流监视测试数据表

由表2的数据分析可知：①在序号1实验中，开关开路，即未发生绝缘故障时，CT1与CT2电流传感器采集的电流基本相等，与前文1.3节中式（3）理论分析结果相同；②在序号2和3实验中，逐渐减小对地绝缘电阻，同时观察到控制回路差流也在逐渐增大，验证了电流传感器对回路变化电流采集的有效性，同时过程中故障点对地漏电流均小于50mA，无法触发报警；③在序号4和5实验中，继续减小对地绝缘电阻，观察到控制回路差流在逐渐增大到报警阈值后，跳合闸检测诊断系统发出报警信号，与前文1.3节中式（5）理论分析结果相同。该项实验有效验证了控制回路差流监视原理及方法的可行性和有效性。

5.3 故障位置判断

故障判断是指在出现报警信号后，根据在线监测系统软件分析与计算各传感器的值，按前文1.3节的判断逻辑，判断回路出现故障的位置，帮助现场检修人员快速定位故障点，减小工作量，提高检修效率。

具体实施为：在模拟仿真平台上，在合闸回路（跳闸回路实验结果类似）中的操作箱处节点对地各连接一个1kW电阻和开关，在机构柜处节点对地各连接一个2kW电阻和开关，通过闭合操作箱与结构箱处的开关，来模拟操作箱和机构柜对地发生的绝缘故障，记录此时电源母线和跳合闸回路中传感器的电流值，同时在在线监测系统软件界面上观察触发报警后是否给出故障位置。其测试数据见表3。

表3 故障位置判断测试数据表

由表3的数据分析可知：①在序号1实验中，对地绝缘电阻开路，即未发生绝缘故障时，电流传感器采集的电流基本相等，与表2中序号1实验数据结果基本相同；②在序号2实验中，对机构箱进行绝缘故障模拟，对4个传感器数据记录可知母差电流超过了50mA报警阈值，并且CT3与CT4电流之和基本等于CT1电流，与前文1.3节中式（6）理论分析结果相同；③在序号3实验中，对操作箱进行绝缘故障模拟，对4个传感器数据记录可知母差电流超过了50mA报警阈值，并且CT3与CT4电流之和基本等于CT2电流，与前文1.3节中式（7）理论分析结果相同；④在序号4实验中，对机构箱和操作箱同时进行绝缘故障模拟，由4个传感器数据记录可知母差电流均超过了50mA报警阈值，并且CT3与CT4电流之和与CT1和CT2电流均不相等，与前文1.3节中式（8）理论分析结果相同。该项实验有效验证了故障位置判断原理及方法的可行性和有效性。

6 结论

断路器在电力系统中起着重要的作用，断路器跳合闸回路的完好是保证断路器正常工作的必要条件，因此设计变电站跳合闸监测系统具有非常重要的意义。该系统可以实现对跳合闸回路进行实时监测与故障报警，是实现跳合闸回路预知性维修的前提，更是保证电网安全可靠运行的关键。

在对跳合闸监测系统的功能测试中，制作了模拟仿真平台，在模拟仿真平台上进行了模拟故障测试，配合在线监测设备监测软件，可以有效判断回路是否出现异常，实现跳合闸回路的智能化运行，减少检修与运维人员的工作量。当回路出现异常时，及时报警，告知工作人员，避免回路异常的工作状态进一步恶化，以提高电网稳定性。同时针对回路故障进行了回路电流量化分析，快速对故障位置进行辅助诊断与定位，为检修人员节省了检修时间、减小了维护工作量，在保障变电站跳合闸回路安全与可靠运行的同时提高了检修效率。

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Research and application of the on-line monitoring system for tripping and closing circuit in intelligent substation

DONG Zhonghe1SONG Xiaohang1TANG Yuheng1WANG Shengwei2WANG Yibo2

(1. Wuhan Power Supply Company of State Grid Hubei Electric Power Co., Ltd, Wuhan 430000; 2. Wuhan Kemov Electric Co., Ltd, Wuhan 430223)

High voltage circuit breaker is an essential electrical equipment in the power system. The integrity of tripping and closing circuit is necessary to ensure the normal operation of the circuit breaker. The on-line monitoring of the tripping and closing circuit is the premise of realizing the predictive maintenance of the tripping and closing circuit, and the key to ensure the safety and reliability of the power grid. This paper has analyzes the operating state of tripping and closing circuit and the change of loop current, and design the monitoring system of tripping and closing circuit. This system consists of current acquisition circuit, analog-to-digital conversion circuit, main control system and communication circuit, and can complete the operation of current acquisition, quantification, control, filtering and sending. Cooperating with on-line monitoring software, it can realize real-time monitoring and fault alarm of tripping and closing circuit.

tripping and closing circuit; high voltage circuit breaker; on-line monitoring; current acquisition

2019-09-16

2020-10-20

董中和（1984—），男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统继电保护工作。