夏成林，沈宇龍,劉東升,周邵亮,陳曉聰

(1．國(guó)電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211106;2．南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院),江蘇 南京 211106;3．智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211106)

斷路器狀態(tài)多信息融合評(píng)估方法及IEC 61850建模

夏成林1,2,3，沈宇龍1,2,3,劉東升1,2,3,周邵亮1,2,3,陳曉聰1,2

(1．國(guó)電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211106;2．南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院),江蘇 南京 211106;3．智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211106)

在研究并分析了斷路器狀態(tài)評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于斷路器維修曲線的多信息融合評(píng)估方法。根據(jù)斷路器狀態(tài)評(píng)估方法和IEC 61850建模規(guī)范，繪制了斷路器分/合操作次數(shù)相對(duì)于分?jǐn)嗵l動(dòng)作電流的曲線圖。結(jié)合斷路器的預(yù)估壽命和最大通斷電流等因素評(píng)估斷路器觸頭壽命，形成了斷路器的維修預(yù)警機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)了斷路器的在線監(jiān)視、保護(hù)、測(cè)控等設(shè)備功能的集成。該方案將原斷路器智能組件功能集成到保護(hù)測(cè)控裝置，通過(guò)制造信息聲明(MMS)服務(wù),將裝置現(xiàn)有邏輯功能狀態(tài)信息上傳至后臺(tái)服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視功能。將該方法集成于保護(hù)測(cè)控裝置智能電子設(shè)備(IED)中，實(shí)現(xiàn)了斷路器觸頭機(jī)械壽命預(yù)警監(jiān)視功能。與現(xiàn)有其他斷路器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，該方法可降低站端設(shè)備的數(shù)量和成本。同時(shí)，IEC 61850建模的規(guī)范化有利于裝置的功能擴(kuò)展。

斷路器； 多信息融合； 狀態(tài)評(píng)估； 預(yù)警監(jiān)視； IEC 61850； 保護(hù)測(cè)控裝置； 智能電子設(shè)備

0 引言

斷路器的正常運(yùn)行關(guān)系到變電站的整體穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)有一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)更多地依賴于各種傳感器設(shè)備。隨著智能變電站的深入推廣，站內(nèi)變壓器、GIS開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已日趨成熟和穩(wěn)定[1-2]。變電站間隔層的斷路器狀態(tài)通過(guò)IEC 61850通信實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)備從定期檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變。國(guó)家電網(wǎng)公司在2012年發(fā)布了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在變電站建模和通信的技術(shù)規(guī)范[3-4]，提出在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施成本等因素。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性決定了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否能夠真正起到效果。同時(shí)，IEC 61850建模規(guī)范對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體功能提升起著至關(guān)重要的作用[5]。本文設(shè)計(jì)了集成斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的保護(hù)測(cè)控智能電子設(shè)備(intelligent electronic devices,IED)。這對(duì)整個(gè)變電站設(shè)備的功能橫向集成和降低成本具有重要意義。

1 IED整體功能架構(gòu)

本文以中低壓常規(guī)線路保護(hù)裝置為例。其主要功能有：過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、接地保護(hù)、重合閘、模擬量測(cè)量、遙控功能、故障錄波、開(kāi)入量輸入和報(bào)警等。根據(jù)IEC 61850建模規(guī)范第二版，裝置的整體功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體功能架構(gòu)圖

裝置建立S1普通制造信息聲明(manufacturing message specification,MMS)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)，并在S1訪問(wèn)點(diǎn)下建立5個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)(logical device，LD)，分別為：LD0(公用信息LD)、CTRL(控制LD)、PROT(保護(hù)LD)、MEAS(測(cè)量LD)和RCD(錄波LD)。在LD0節(jié)點(diǎn)下，建立SCBR、STMP、SPVT等邏輯節(jié)點(diǎn)。其中：SCBR反映斷路器電氣、機(jī)械特征的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，STMP為裝置溫度監(jiān)視邏輯節(jié)點(diǎn)，SPVT為裝置電源電壓邏輯節(jié)點(diǎn)。在CTRL節(jié)點(diǎn)下，根據(jù)一次設(shè)備的數(shù)量，建立相應(yīng)的CSWI和CILO邏輯設(shè)備。在PROT節(jié)點(diǎn)建立相應(yīng)的保護(hù)邏輯設(shè)備：PTOC為電流相關(guān)保護(hù)，PTOV為電壓相關(guān)保護(hù)，MMXU為跳閘保護(hù)，MSQI為序分量測(cè)量量。在MEAS節(jié)點(diǎn)下建立MMXU。告警和開(kāi)入邏輯節(jié)點(diǎn)采用GGIO建模，未在圖1中標(biāo)出。

2 斷路器狀態(tài)評(píng)估

斷路器在線監(jiān)測(cè)功能主要通過(guò)斷路器智能組件實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1]中的斷路器在線監(jiān)測(cè)功能，主要實(shí)現(xiàn)SF6的微水和密度監(jiān)測(cè)、斷路器動(dòng)作特性監(jiān)視，包括分合線圈的電流波形、分合閘時(shí)間、行程-時(shí)間曲線和儲(chǔ)能電機(jī)工作狀態(tài)等。文獻(xiàn)[6]研究了斷路器觸頭機(jī)械壽命，主要對(duì)其開(kāi)斷故障電流進(jìn)行累積和判斷。其中，故障電流通過(guò)電流互感器獲取。從工程應(yīng)用和實(shí)際裝置硬件配置角度出發(fā)，選取配置斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)功能相關(guān)輸入信息量，包括跳合閘動(dòng)作電流、跳合閘時(shí)間、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息、小信號(hào)模擬量信息等。

2.1 實(shí)現(xiàn)方案

保護(hù)測(cè)控裝置IED設(shè)備基于同步采樣技術(shù)，通過(guò)電流、電壓傳感器采集線路電流、電壓等數(shù)據(jù)，并通過(guò)輔助觸點(diǎn)采集開(kāi)關(guān)位置信號(hào)。對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理后，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)斷路器機(jī)械特性狀態(tài)監(jiān)視和預(yù)警狀態(tài)評(píng)估。

斷路器監(jiān)視功能啟動(dòng)邏輯如圖2所示。將斷路器監(jiān)視“功能投退”定值設(shè)為置位狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)條件需滿足裝置接收到“遙控操作”命令、“跳閘動(dòng)作”信號(hào)或者“外部啟動(dòng)”信號(hào)。裝置應(yīng)用程序接收到上述信號(hào)以后，經(jīng)過(guò)延時(shí)t1，通過(guò)開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)來(lái)判斷跳合閘操作是否成功；同時(shí)，記錄跳閘動(dòng)作電流和跳閘次數(shù)，并進(jìn)行累積評(píng)估。在此過(guò)程中，需考慮從裝置接收到跳閘命令到實(shí)際動(dòng)作出口的動(dòng)作延時(shí)時(shí)間。該時(shí)間等于裝置跳閘出口繼電器的動(dòng)作時(shí)間t2。因此，延時(shí)t2后，可獲取最大故障電流。

圖2 監(jiān)視功能啟動(dòng)邏輯圖

當(dāng)外部故障一直存在時(shí)，裝置保護(hù)電流會(huì)逐漸增大。跳閘動(dòng)作電流時(shí)序圖如圖3所示。裝置按照?qǐng)D2的邏輯獲取跳閘動(dòng)作電流，計(jì)算分相(A、B、C)的電流均方根值，同時(shí)對(duì)跳閘次數(shù)進(jìn)行累加。裝置在A點(diǎn)啟動(dòng)監(jiān)視功能，在B點(diǎn)記錄裝置的跳閘動(dòng)作電流，并對(duì)監(jiān)視功能進(jìn)行評(píng)估。

圖3 跳閘動(dòng)作電流時(shí)序圖

通過(guò)以上方法獲取累積跳閘動(dòng)作電流和跳閘次數(shù)，用于評(píng)估斷路器狀態(tài)機(jī)械性能。

2.2 評(píng)估分析方法

影響現(xiàn)有斷路器觸頭機(jī)械壽命的主要因素是斷路器開(kāi)斷電流時(shí)因電弧作用產(chǎn)生的電磨損，不同電流下觸頭的損耗與電流不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中提到，當(dāng)前應(yīng)用比較多的方法是基于斷路器的電壽命曲線N-ib的開(kāi)斷電流加權(quán)累計(jì)法。

(1)

式中：Q為開(kāi)斷電流加權(quán)累積值(累計(jì)電磨損值)；Ii為第i次開(kāi)斷電流值,kA；b為加權(quán)系數(shù)，一般可根據(jù)斷路器電壽命曲線得到，范圍為1.5～2.0。

由式(1)可知，將Q值與閾值進(jìn)行比較，即可得到當(dāng)前斷路器剩余電壽命情況。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，加權(quán)系數(shù)值往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)置。該數(shù)值的選擇會(huì)直接影響斷路器維修的周期。為了減小經(jīng)驗(yàn)值選擇不當(dāng)造成的影響，根據(jù)斷路器生產(chǎn)廠家提供的維修曲線，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，提出結(jié)合lgN-lgI曲線評(píng)估斷路器觸頭機(jī)械壽命的方法。其中：N為跳閘次數(shù)；I為跳閘動(dòng)作電流，kA。

斷路器分/合操作次數(shù)與千安分?jǐn)嗵l動(dòng)作電流的關(guān)系曲線如圖4所示。圖4中的橫、縱坐標(biāo)軸分別是對(duì)動(dòng)作電流和動(dòng)作次數(shù)取對(duì)數(shù)。對(duì)于任一斷路器，有3點(diǎn)將作為通用整定值區(qū)中的繼電器整定值。斷路器對(duì)應(yīng)點(diǎn)P1(lgI1,lgN1)、P2(lgI2,lgN2)和P3(lgI3,lgN3)。圖4中：點(diǎn)P1(lgI1,lgN1)為最小電流值(通常情況下，選擇額度動(dòng)作電流和動(dòng)作次數(shù))；點(diǎn)P2(lgI2,lgN2)為中間電流值，介于額度動(dòng)作電流和最大通過(guò)電流之間；點(diǎn)P3(lgI3,lgN3)為斷路器允許通過(guò)的最大動(dòng)作電流值。繼電器接收的整定值為N1

圖4 斷路器操作次數(shù)與跳閘動(dòng)作電流關(guān)系曲線

斷路器磨損損耗百分比和動(dòng)作跳閘電流關(guān)系可以表示為：

(2)

式中：W(I)為每次動(dòng)作斷路器損耗百分比,100%；I為每次操作動(dòng)作電流值,kA；K為曲線增益系數(shù)；α為曲線斜率。

裝置中，設(shè)置P1點(diǎn)和P2點(diǎn)為功能定值。其中，α由式(3)計(jì)算得到，K由式(4)計(jì)算得到。

(3)

(4)

將由式(3)和式(4)得到的α和K代入式(2)，即可推斷[P1,P2]區(qū)間內(nèi)每次跳閘動(dòng)作后的觸頭磨損率。同理，可獲取[P2,P3]區(qū)間的每次跳閘磨損率。

經(jīng)過(guò)以上分析，對(duì)于每次跳閘動(dòng)作，磨損率W(I)可表示為：

(5)

總累積磨損率Q采用累積法設(shè)定。

(6)

式中：k為跳閘次數(shù)。

當(dāng)Q累積到100%后，斷路器發(fā)出觸頭磨損報(bào)警。

3 斷路器監(jiān)視功能IEC 61850建模

在很多國(guó)內(nèi)設(shè)備的應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)裝置的IEC 61850功能建模只包含該功能的邏輯設(shè)備建模。文獻(xiàn)[9]提出了從在線監(jiān)測(cè)IED到站端監(jiān)測(cè)單元與狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站的一體化建模方法。文獻(xiàn)[10]提出了基于IEC 61850和IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)的變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)構(gòu)架，分析了變電站設(shè)備信息模型的構(gòu)建擴(kuò)展及模型適配問(wèn)題。本文依據(jù)現(xiàn)有IEC 61850第二版中的SCBR推薦邏輯節(jié)點(diǎn)模型建模，選擇SCBR邏輯節(jié)點(diǎn)模型中所需的參數(shù)和變量信息，其他保護(hù)測(cè)控功能邏輯節(jié)點(diǎn)建模應(yīng)用比較廣泛，且相對(duì)成熟穩(wěn)定，在此不再闡述。SCBR邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)象如表1所示。表1對(duì)邏輯節(jié)點(diǎn)建模的公用數(shù)據(jù)類(lèi)型(common data class,CDC)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并給出了數(shù)據(jù)對(duì)象指定或可選的推薦值，即M/O。

表1 SCBR邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)象

考慮到保護(hù)測(cè)控裝置采集到在線監(jiān)測(cè)的信號(hào)功能局限性，選擇表1中的數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)建模。裝置按照分相累積方法進(jìn)行累積，在實(shí)際裝置中建立SCBR1(A相監(jiān)視)、SCBR2(B相監(jiān)視)、SCBR3(C相監(jiān)視)這3個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。裝置采用保護(hù)電流進(jìn)行累積計(jì)算。根據(jù)2.2節(jié)中提到的累積方法，計(jì)算分相斷路器觸頭磨損率和總的跳閘次數(shù)，并計(jì)算表1中獲取的相關(guān)狀態(tài)信息開(kāi)關(guān)量和模擬量。保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)MMS服務(wù)，將相應(yīng)的狀態(tài)信息傳送給后臺(tái)服務(wù)器。

4 系統(tǒng)測(cè)試

基于上述算法和建模方案設(shè)計(jì)，裝置針對(duì)圖4中的維修曲線點(diǎn)設(shè)置監(jiān)視磨損定值參數(shù)：電流互感器(current transformer,CT)變比為1∶1 200，斷路器分相損耗均為0，合閘時(shí)間為0.2 s。

①遙控操作測(cè)試，無(wú)外接保護(hù)電流。

遙控操作磨損監(jiān)視結(jié)果如表2所示。此時(shí)，外接電流小于P1點(diǎn)電流值，裝置磨損按照2.2節(jié)進(jìn)行計(jì)算，測(cè)試結(jié)果滿足要求。

表2 遙控操作磨損監(jiān)視結(jié)果

②過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘測(cè)試。

裝置配置四段相過(guò)流保護(hù)功能，每段定值及控制字可獨(dú)立整定。以第1段過(guò)流保護(hù)功能為例。相過(guò)流保護(hù)的主判據(jù)如式(7)所示。

(7)

式中：IP為電流定值；Imax為A、B、C三相中最大相電流，將相電流過(guò)流Ⅰ段功能投入，相電流過(guò)流定值設(shè)備為4 A(二次值)，即當(dāng)Imax>Ip(Ip=4 A)時(shí)，裝置相過(guò)流I段保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)外部處于合位的斷路器進(jìn)行跳分閘操作。根據(jù)圖4，選擇P1～P2、P2～P3、大于P3這3個(gè)電流范圍，分別進(jìn)行故障試驗(yàn)5次，累積磨損在每個(gè)故障試驗(yàn)完成后清零重新開(kāi)始計(jì)算。

以P1～P2范圍內(nèi)的故障電流6 kA(二次值5 A)為例，依次分別測(cè)試A、B、C單相和三相同時(shí)故障。過(guò)電流跳閘磨損監(jiān)視結(jié)果如表3所示。

表3 過(guò)電流跳閘磨損監(jiān)視結(jié)果(6 kA)

在P2～P3之間分別加入故障電流12 kA、15 kA，且三相同時(shí)故障，最后加入大于P3的A相故障電流21.6 kA(二次值18 A)。三相故障磨損監(jiān)視結(jié)果如表4所示。

表4 三相故障磨損監(jiān)視結(jié)果

根據(jù)表4中的記錄，當(dāng)裝置獲取的跳閘動(dòng)作電流大于P3點(diǎn)電流，A相損耗積累到100%，裝置通過(guò)MMS服務(wù)上傳AbrWrn告警狀態(tài)信息。斷路器檢修完畢后，可通過(guò)面板將相應(yīng)累積重新清零，并重新開(kāi)始計(jì)算。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用保護(hù)動(dòng)作電流、斷路器變位等狀態(tài)信息，結(jié)合斷路器操作次數(shù)與跳閘動(dòng)作電流關(guān)系曲線，設(shè)計(jì)了一種多信息融合斷路器狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的保護(hù)測(cè)控集成裝置。該系統(tǒng)結(jié)合斷路器的預(yù)估壽命開(kāi)斷次數(shù)和最大通斷電流等因素來(lái)評(píng)估預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了斷路器的在線監(jiān)視、保護(hù)、測(cè)控集成；將評(píng)估后狀態(tài)信息通過(guò)MMS服務(wù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)視。與其他斷路器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，該系統(tǒng)的站端設(shè)備總成本較低，具有保護(hù)、測(cè)控、在線監(jiān)測(cè)多功能集成等特點(diǎn)，且規(guī)范化建模有利于提高裝置功能的可擴(kuò)展性，具有廣闊的應(yīng)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，碩士，工程師，主要從事變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究工作，E-mail:xiachenglin@sgepri.sgcc.com.cn

TH3；TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712009