智能变电站过程层断路器相关IED的多维信息在线监测技术

王煜，周永荣，孟玮，陈昊，王伟亮，费阳

(1.国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102；2.国网电力科学研究院有限公司，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)

0 引言

随着我国电力事业的发展，对电网智能化的要求越来越高。作为智能电网的重要组成部分，智能变电站将先进的信息化技术、自动化技术和智能分析技术作为基础，具备对电网的测量、操控、调节、保护等功能，完成电网灵活、高效可靠的操控，以便实现电网的安全性、可靠性、灵活性和资源优化配置水平的目标[1]。因此，智能变电站已经成为很多新建变电站的首选。

在智能变电站的“三层两网”架构组成中，作为过程层网络的重要设备，智能终端是联系保护装置、测控装置与断路器之间的重要桥梁。其主要作用包括以下三个方面:一是可以实现断路器等一次设备的智能化；二是可以实现对断路器等一次设备的有效监控；三是可以合理控制断路器以及隔离开关[2－3]。因此，必须保证智能变电站中智能终端在运行过程中的稳定性和安全性。然而，由于智能终端安装于一次现场，工作环境较为恶劣，故障率较高，影响智能终端的正常运行，进而对电网的安全稳定运行产生威胁。如果仅仅依靠智能终端常规的告警信号进行判断，无法快速准确地定位故障点，同时涉及的故障类型也比较少。除此之外，依据站内设备的层级结构，作为智能终端下级重要的一次设备，断路器的运行状态在很大程度上影响着电网的安全运行水平，近年来断路器的停电消除缺陷工作需要投入大量人力物力，因而需要对断路器的运行状态进行有效监测。因此，有必要拓宽断路器及其相关IED的在线监测信息面，研究所辖IED的多维信息在线监测，实现断路器及智能终端的各类异常缺陷的准确判断与定位。

目前国内已投运的智能变电站，虽然智能化水平在不断提高，但是现阶段站内的智能终端、气体绝缘全封闭组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)设备中的断路器故障率依然较高，影响电网的安全稳定运行。以南京地区某500 kV智能变电站为例，通过统计投运以来站内智能终端、断路器的常见故障可知，一方面部分故障由于无法被准确定位，在检查处理过程中需要消耗很多时间，例如智能终端GOOSE断链、对时异常、控制回路断线等；另一方面部分故障只有通过设备停电检修时才能发现并进行处理，而故障本身在设备运行时就已经出现，在运行状态下难以依靠人工巡视等手段发现，例如断路器的机械故障、SF6气体密度异常等。

对智能终端与断路器状态在线监测及故障诊断已有较多研究。文献[4]分析了在线监测系统在某220 kV智能变电站的整体实现方案；文献[5]主要提出了一种过程层IED故障诊断与定位仪的设计方案；文献[6]以某型号智能终端为研究对象，研究整个装置的在线监测技术；文献[7]分析了高电压设备在线监测技术在智能变电站中的应用；文献[8]从模型的角度出发，提出了一种高压断路器的健康度评估方法。上述文献针对智能终端和断路器的在线监测分别展开了研究，研究侧重于算法的提高与通信链路的实现，监测信息包含的内容不够全面，尚未研究将二者结合实现一体化在线监测这一课题。

将智能终端及断路器常见故障点的监测信息进行集中处理，实现二者的多维信息在线监测，将大大提高变电站内故障处理的工作效率，缩短停电时间。本文从某智能变电站常见故障出发，分析断路器及智能终端的重点监测信息。充分利用智能终端与断路器运行状态在线监测装置的物理安装位置近，便于一体化监测的优势，研制一种新型IED设备实现多维信息状态的在线监测，实现快速故障定位，缩短检修时间，提高工作效率。

1 智能终端本体状态在线监测

目前针对智能终端在线监测的实现方式，一是可以通过新增在线监测设备，专门用于智能终端的状态监测，二是利用智能站自身的网络架构优势，直接从智能终端的组网中读取需要的信息进行监测。本文将采取第二种信息采集方式，完成智能终端基本信息及光纤链路的数据采集，从而实现智能终端本体状态的在线监测。

1.1 智能终端基本信息在线监测

智能变电站内的智能终端，一般装设于变电站一次现场的汇控柜内，智能终端的运行环境是影响智能终端的在线监测质量的关键因素。

在智能终端所在汇控柜的常见故障中，例如汇控柜内背包空调故障、凝露积水等，都会对智能终端的稳定运行带来很大影响。在夏季高温时段，背包空调的故障将使智能终端运行在高温状态，仅凭其自身的散热无法满足温度要求，需要实时的温度监测进行及时的告警；在大雨潮湿等天气时，汇控柜内的潮湿程度也会影响智能终端的正常运行，长时间受潮将对智能终端的运行板件产生严重影响，因此保证汇控柜内的潮湿度在正常范围内也非常重要。

针对以上问题，提出技术方案:1)针对背包空调故障问题，通过监测背包空调的电源状态，实现背包空调运行状态的监测；2)针对汇控柜内温度及湿度问题，通过加装灵敏的温湿度传感器，实现智能终端运行环境的温湿度监测。

1.2 智能终端光纤链路在线监测

根据智能站的三层两网结构，智能终端以面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)方式上传一次设备的状态信息，同时接收来自二次设备的GOOSE下行控制命令，实现对一次设备的实时控制功能[9]。

GOOSE信息的传输主要依靠光纤实现，由于智能终端装置本身光口板件的设计开发、光缆及光纤跳线自身材料等因素的影响，智能终端会出现如GOOSE断链等严重故障。一般GOOSE断链发生后，检修人员通过故障信号，仅能判断与智能终端通信中断的装置，如保护装置的GOOSE断链、测控装置的GOOSE断链等，但是具体原因还需要通过进一步现场检查才能确定，降低了故障处理效率。

针对以上问题，通过实时监测光纤两端光口的光强，既可以实现整条光纤链路通道的监测，又可以在出现GOOSE断链故障时，通过收发光口光强数据的判断，第一时间缩小故障范围。除此之外，通过设置光强越限告警值，可以在出现严重故障前及时发现问题，尽早进行处理，减少对装置稳定运行的影响。

2 断路器运行状态在线监测

利用在线监测技术，可以对断路器运行状态进行实时监测，一方面能够有效提升断路器的自我感知能力，实现预知性维修，对传统定期停电检修技术来说，是一种重要补充和革新[10－11]；另一方面，将该技术应用于智能变电站中，有助于进一步提升智能变电站的智能化水平，提高运维检修工作效率。根据断路器检修试验工作中的常见型故障，选取以下四类信息作为断路器运行状态的在线监测内容。

2.1 SF6气体特性在线监测

目前，智能站中的断路器多为GIS设备，主要应用SF6作为断路器的灭弧介质和绝缘介质，SF6气体的密度是决定其绝缘强度的主要因素之一[12]，SF6气体密度监测的经典方法是采用机械式密度继电器进行监测。文献[13]针对智能变电站设计了一种混合式SF6气体密度表，能够实现密度数据的就地数字化上传。

通过在断路器加装SF6气体密度继电器，可以有效实现断路器中SF6气体特性的实时监测。当气体密度不符合运行要求时，能够及时发现进行处理，避免事故扩大化。

2.2 分合闸线圈电流在线监测

在断路器的缺陷诊断中，分合闸线圈的电流信号是重要的检测参数之一。断路器在每次分合闸过程中，线圈的电流是随时间变化的，变化波形中的信息能够有效反映断路器操动机构的性能[14]。因此通过对分合闸操作线圈动作电流的监测，可以了解断路器二次控制回路的工作情况及机械操动机构状况等，为设备缺陷检测及检修提供辅助判据[15]。

为实现断路器分合闸线圈电流的在线监测，可在断路器机构中装设电流传感器，对电磁铁线圈的电流波形进行实时监测，通过记录、分析每次分合闸操作过程中的电流波形，进而推算断路器机械故障的发展趋势和发生概率，实现在断路器停电检修前就能发现操动机构潜在隐患的目标。

2.3 机械振动信号在线监测

对于断路器的机械运行状态，其机械振动信号中蕴含着丰富的机械状态信息，并且振动信号具有传播衰减小，测点选择灵活的优点。因此，可以利用振动信号对断路器机械故障进行预判与诊断。同时这种方法可以解决高压隔离问题，并能实现非侵入式的状态监测，成为高压断路器机械状态监测的最合适方法之一[16]。

通过在断路器机构或横梁装设振动传感器，然后将传感器采集的断路器振动信号进行分析与处理，进而主动识别断路器潜在的机械性故障。

2.4 电场强度在线监测

瓷套是断路器的重要组成部分，其运行状态也影响着断路器的健康水平。仅依靠日常巡视的外观检查，无法准确预判断路器瓷套存在的潜在问题[17]。因此，可以通过断路器周围电场强度的在线监测，以场强的异常变化实现断路器瓷套闪络等外绝缘故障的诊断[18]。

针对以上问题，在断路器本体的合适位置(如断路器横梁)，加装瓷套电场状态监测装置，将正常运行与异常运行的数据进行累积作为对比基础，在后续断路器的运行过程中，可通过数据对比实现瓷套闪络监测功能。

在确定了以上断路器的四类在线监测信息后，为更好地实现集中监测，设计一套断路器运行状态在线监测装置。该装置在物理位置上安装于断路器与智能终端之间靠近后者的地方，通过将断路器的SF6气体密度继电器、分合闸线圈电流传感器、机械振动信号传感器、电场强度监测传感器等通过数据线与该设备进行直连，实现断路器四类重要信息的在线监测。

3 断路器相关IED多维信息在线监测

上文从智能终端本体状态和断路器运行状态层面，分别分析了两者在线监测功能中需要选取的监测点，并提供了合适的实现方法。除了智能终端光纤链路在线监测，其他信息的在线监测均在设备端加装了相应的传感器或继电器，作为各个监测信息的智能电子设备 (Intelligent Electronic Device，IED)终端。基于此，设计一套新型过程层断路器相关IED多维信息在线监测设备，将以上监测信息进行集中，具备分析、显示、告警、查询等功能，辅助智能终端及断路器的故障判断及处理。监测方法实现的整体结构框架如图1所示。

图1 多维信息在线监测整体结构框架

根据上述监测点，该断路器相关IED多维信息在线监测设备的所有监测信息见表1。

表1 断路器相关IED多维信息在线监测设备监测信息表

针对智能终端本体状态和断路器运行状态的各类监测信息，该IED设备通过连接过程层网络，读取各个智能终端光纤链路光口的相关信息，实现智能终端光纤链路的在线监测；通过将智能终端汇控柜内温湿度传感器以数据线与IED设备进行直连，实现智能终端基本信息在线监测；通过连接断路器运行状态在线监测装置，实现已经汇集于该装置的断路器四类重要信息的在线监测。综上，断路器相关IED多维信息在线监测设备的详细信息框图如图2所示。

图2 新型IED设备信息框图

通过以上实现方法，断路器相关IED多维信息在线监测设备具备过程层多维信息在线监测功能，能够实时监测断路器与智能终端的运行状况，提前预判可能出现的潜伏性故障，为故障抢修与计划检修工作提供便利。目前该设备已在南京某500 kV智能变电站进行试运行，试运行期间故障及处理情况见表2。由表2的故障处理情况可知，多维信息在线监测IED设备的告警信息准确，有效提高了检修工作人员处理故障的效率。

表2 断路器相关IED多维信息在线监测设备运行期间故障及处理情况

4 结语

通过分析断路器与智能终端两类重要设备的常见故障，得出需要实现在线监测的重点信息。针对各类信息提出在线监测的实现方法，利用一套新型IED(断路器相关IED多维信息在线监测设备)实现所有信息集成，从而具备相关IED多维信息在线监测的功能。南京某500 kV智能变电站的实践表明对断路器相关IED多维信息的在线监测，能够有效提高检修工作效率，及时发现设备隐性故障，提升电网安全稳定运行水平。