王煜，周永榮，孟瑋，陳昊，王偉亮，費(fèi)陽

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211106；3.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211106)

0 引言

隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，對電網(wǎng)智能化的要求越來越高。作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能變電站將先進(jìn)的信息化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和智能分析技術(shù)作為基礎(chǔ)，具備對電網(wǎng)的測量、操控、調(diào)節(jié)、保護(hù)等功能，完成電網(wǎng)靈活、高效可靠的操控，以便實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全性、可靠性、靈活性和資源優(yōu)化配置水平的目標(biāo)[1]。因此，智能變電站已經(jīng)成為很多新建變電站的首選。

在智能變電站的“三層兩網(wǎng)”架構(gòu)組成中，作為過程層網(wǎng)絡(luò)的重要設(shè)備，智能終端是聯(lián)系保護(hù)裝置、測控裝置與斷路器之間的重要橋梁。其主要作用包括以下三個(gè)方面:一是可以實(shí)現(xiàn)斷路器等一次設(shè)備的智能化；二是可以實(shí)現(xiàn)對斷路器等一次設(shè)備的有效監(jiān)控；三是可以合理控制斷路器以及隔離開關(guān)[2－3]。因此，必須保證智能變電站中智能終端在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和安全性。然而，由于智能終端安裝于一次現(xiàn)場，工作環(huán)境較為惡劣，故障率較高，影響智能終端的正常運(yùn)行，進(jìn)而對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生威脅。如果僅僅依靠智能終端常規(guī)的告警信號進(jìn)行判斷，無法快速準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)，同時(shí)涉及的故障類型也比較少。除此之外，依據(jù)站內(nèi)設(shè)備的層級結(jié)構(gòu)，作為智能終端下級重要的一次設(shè)備，斷路器的運(yùn)行狀態(tài)在很大程度上影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，近年來斷路器的停電消除缺陷工作需要投入大量人力物力，因而需要對斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測。因此，有必要拓寬斷路器及其相關(guān)IED的在線監(jiān)測信息面，研究所轄IED的多維信息在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)斷路器及智能終端的各類異常缺陷的準(zhǔn)確判斷與定位。

目前國內(nèi)已投運(yùn)的智能變電站，雖然智能化水平在不斷提高，但是現(xiàn)階段站內(nèi)的智能終端、氣體絕緣全封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)設(shè)備中的斷路器故障率依然較高，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。以南京地區(qū)某500 kV智能變電站為例，通過統(tǒng)計(jì)投運(yùn)以來站內(nèi)智能終端、斷路器的常見故障可知，一方面部分故障由于無法被準(zhǔn)確定位，在檢查處理過程中需要消耗很多時(shí)間，例如智能終端GOOSE斷鏈、對時(shí)異常、控制回路斷線等；另一方面部分故障只有通過設(shè)備停電檢修時(shí)才能發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，而故障本身在設(shè)備運(yùn)行時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)，在運(yùn)行狀態(tài)下難以依靠人工巡視等手段發(fā)現(xiàn)，例如斷路器的機(jī)械故障、SF6氣體密度異常等。

對智能終端與斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測及故障診斷已有較多研究。文獻(xiàn)[4]分析了在線監(jiān)測系統(tǒng)在某220 kV智能變電站的整體實(shí)現(xiàn)方案；文獻(xiàn)[5]主要提出了一種過程層IED故障診斷與定位儀的設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[6]以某型號智能終端為研究對象，研究整個(gè)裝置的在線監(jiān)測技術(shù)；文獻(xiàn)[7]分析了高電壓設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[8]從模型的角度出發(fā)，提出了一種高壓斷路器的健康度評估方法。上述文獻(xiàn)針對智能終端和斷路器的在線監(jiān)測分別展開了研究，研究側(cè)重于算法的提高與通信鏈路的實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測信息包含的內(nèi)容不夠全面，尚未研究將二者結(jié)合實(shí)現(xiàn)一體化在線監(jiān)測這一課題。

將智能終端及斷路器常見故障點(diǎn)的監(jiān)測信息進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)二者的多維信息在線監(jiān)測，將大大提高變電站內(nèi)故障處理的工作效率，縮短停電時(shí)間。本文從某智能變電站常見故障出發(fā)，分析斷路器及智能終端的重點(diǎn)監(jiān)測信息。充分利用智能終端與斷路器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置的物理安裝位置近，便于一體化監(jiān)測的優(yōu)勢，研制一種新型IED設(shè)備實(shí)現(xiàn)多維信息狀態(tài)的在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)快速故障定位，縮短檢修時(shí)間，提高工作效率。

1 智能終端本體狀態(tài)在線監(jiān)測

目前針對智能終端在線監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)方式，一是可以通過新增在線監(jiān)測設(shè)備，專門用于智能終端的狀態(tài)監(jiān)測，二是利用智能站自身的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)勢，直接從智能終端的組網(wǎng)中讀取需要的信息進(jìn)行監(jiān)測。本文將采取第二種信息采集方式，完成智能終端基本信息及光纖鏈路的數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)智能終端本體狀態(tài)的在線監(jiān)測。

1.1 智能終端基本信息在線監(jiān)測

智能變電站內(nèi)的智能終端，一般裝設(shè)于變電站一次現(xiàn)場的匯控柜內(nèi)，智能終端的運(yùn)行環(huán)境是影響智能終端的在線監(jiān)測質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

在智能終端所在匯控柜的常見故障中，例如匯控柜內(nèi)背包空調(diào)故障、凝露積水等，都會對智能終端的穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大影響。在夏季高溫時(shí)段，背包空調(diào)的故障將使智能終端運(yùn)行在高溫狀態(tài)，僅憑其自身的散熱無法滿足溫度要求，需要實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測進(jìn)行及時(shí)的告警；在大雨潮濕等天氣時(shí)，匯控柜內(nèi)的潮濕程度也會影響智能終端的正常運(yùn)行，長時(shí)間受潮將對智能終端的運(yùn)行板件產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此保證匯控柜內(nèi)的潮濕度在正常范圍內(nèi)也非常重要。

針對以上問題，提出技術(shù)方案:1)針對背包空調(diào)故障問題，通過監(jiān)測背包空調(diào)的電源狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)背包空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測；2)針對匯控柜內(nèi)溫度及濕度問題，通過加裝靈敏的溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)智能終端運(yùn)行環(huán)境的溫濕度監(jiān)測。

1.2 智能終端光纖鏈路在線監(jiān)測

根據(jù)智能站的三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，智能終端以面向通用對象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)方式上傳一次設(shè)備的狀態(tài)信息，同時(shí)接收來自二次設(shè)備的GOOSE下行控制命令，實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備的實(shí)時(shí)控制功能[9]。

GOOSE信息的傳輸主要依靠光纖實(shí)現(xiàn)，由于智能終端裝置本身光口板件的設(shè)計(jì)開發(fā)、光纜及光纖跳線自身材料等因素的影響，智能終端會出現(xiàn)如GOOSE斷鏈等嚴(yán)重故障。一般GOOSE斷鏈發(fā)生后，檢修人員通過故障信號，僅能判斷與智能終端通信中斷的裝置，如保護(hù)裝置的GOOSE斷鏈、測控裝置的GOOSE斷鏈等，但是具體原因還需要通過進(jìn)一步現(xiàn)場檢查才能確定，降低了故障處理效率。

針對以上問題，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖兩端光口的光強(qiáng)，既可以實(shí)現(xiàn)整條光纖鏈路通道的監(jiān)測，又可以在出現(xiàn)GOOSE斷鏈故障時(shí)，通過收發(fā)光口光強(qiáng)數(shù)據(jù)的判斷，第一時(shí)間縮小故障范圍。除此之外，通過設(shè)置光強(qiáng)越限告警值，可以在出現(xiàn)嚴(yán)重故障前及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，盡早進(jìn)行處理，減少對裝置穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

2 斷路器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測

利用在線監(jiān)測技術(shù)，可以對斷路器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一方面能夠有效提升斷路器的自我感知能力，實(shí)現(xiàn)預(yù)知性維修，對傳統(tǒng)定期停電檢修技術(shù)來說，是一種重要補(bǔ)充和革新[10－11]；另一方面，將該技術(shù)應(yīng)用于智能變電站中，有助于進(jìn)一步提升智能變電站的智能化水平，提高運(yùn)維檢修工作效率。根據(jù)斷路器檢修試驗(yàn)工作中的常見型故障，選取以下四類信息作為斷路器運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測內(nèi)容。

2.1 SF6氣體特性在線監(jiān)測

目前，智能站中的斷路器多為GIS設(shè)備，主要應(yīng)用SF6作為斷路器的滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，SF6氣體的密度是決定其絕緣強(qiáng)度的主要因素之一[12]，SF6氣體密度監(jiān)測的經(jīng)典方法是采用機(jī)械式密度繼電器進(jìn)行監(jiān)測。文獻(xiàn)[13]針對智能變電站設(shè)計(jì)了一種混合式SF6氣體密度表，能夠?qū)崿F(xiàn)密度數(shù)據(jù)的就地?cái)?shù)字化上傳。

通過在斷路器加裝SF6氣體密度繼電器，可以有效實(shí)現(xiàn)斷路器中SF6氣體特性的實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)氣體密度不符合運(yùn)行要求時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行處理，避免事故擴(kuò)大化。

2.2 分合閘線圈電流在線監(jiān)測

在斷路器的缺陷診斷中，分合閘線圈的電流信號是重要的檢測參數(shù)之一。斷路器在每次分合閘過程中，線圈的電流是隨時(shí)間變化的，變化波形中的信息能夠有效反映斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能[14]。因此通過對分合閘操作線圈動(dòng)作電流的監(jiān)測，可以了解斷路器二次控制回路的工作情況及機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)狀況等，為設(shè)備缺陷檢測及檢修提供輔助判據(jù)[15]。

為實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘線圈電流的在線監(jiān)測，可在斷路器機(jī)構(gòu)中裝設(shè)電流傳感器，對電磁鐵線圈的電流波形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過記錄、分析每次分合閘操作過程中的電流波形，進(jìn)而推算斷路器機(jī)械故障的發(fā)展趨勢和發(fā)生概率，實(shí)現(xiàn)在斷路器停電檢修前就能發(fā)現(xiàn)操動(dòng)機(jī)構(gòu)潛在隱患的目標(biāo)。

2.3 機(jī)械振動(dòng)信號在線監(jiān)測

對于斷路器的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，其機(jī)械振動(dòng)信號中蘊(yùn)含著豐富的機(jī)械狀態(tài)信息，并且振動(dòng)信號具有傳播衰減小，測點(diǎn)選擇靈活的優(yōu)點(diǎn)。因此，可以利用振動(dòng)信號對斷路器機(jī)械故障進(jìn)行預(yù)判與診斷。同時(shí)這種方法可以解決高壓隔離問題，并能實(shí)現(xiàn)非侵入式的狀態(tài)監(jiān)測，成為高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測的最合適方法之一[16]。

通過在斷路器機(jī)構(gòu)或橫梁裝設(shè)振動(dòng)傳感器，然后將傳感器采集的斷路器振動(dòng)信號進(jìn)行分析與處理，進(jìn)而主動(dòng)識別斷路器潛在的機(jī)械性故障。

2.4 電場強(qiáng)度在線監(jiān)測

瓷套是斷路器的重要組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)也影響著斷路器的健康水平。僅依靠日常巡視的外觀檢查，無法準(zhǔn)確預(yù)判斷路器瓷套存在的潛在問題[17]。因此，可以通過斷路器周圍電場強(qiáng)度的在線監(jiān)測，以場強(qiáng)的異常變化實(shí)現(xiàn)斷路器瓷套閃絡(luò)等外絕緣故障的診斷[18]。

針對以上問題，在斷路器本體的合適位置(如斷路器橫梁)，加裝瓷套電場狀態(tài)監(jiān)測裝置，將正常運(yùn)行與異常運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行累積作為對比基礎(chǔ)，在后續(xù)斷路器的運(yùn)行過程中，可通過數(shù)據(jù)對比實(shí)現(xiàn)瓷套閃絡(luò)監(jiān)測功能。

在確定了以上斷路器的四類在線監(jiān)測信息后，為更好地實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測，設(shè)計(jì)一套斷路器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置。該裝置在物理位置上安裝于斷路器與智能終端之間靠近后者的地方，通過將斷路器的SF6氣體密度繼電器、分合閘線圈電流傳感器、機(jī)械振動(dòng)信號傳感器、電場強(qiáng)度監(jiān)測傳感器等通過數(shù)據(jù)線與該設(shè)備進(jìn)行直連，實(shí)現(xiàn)斷路器四類重要信息的在線監(jiān)測。

3 斷路器相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測

上文從智能終端本體狀態(tài)和斷路器運(yùn)行狀態(tài)層面，分別分析了兩者在線監(jiān)測功能中需要選取的監(jiān)測點(diǎn)，并提供了合適的實(shí)現(xiàn)方法。除了智能終端光纖鏈路在線監(jiān)測，其他信息的在線監(jiān)測均在設(shè)備端加裝了相應(yīng)的傳感器或繼電器，作為各個(gè)監(jiān)測信息的智能電子設(shè)備 (Intelligent Electronic Device，IED)終端?；诖?，設(shè)計(jì)一套新型過程層斷路器相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測設(shè)備，將以上監(jiān)測信息進(jìn)行集中，具備分析、顯示、告警、查詢等功能，輔助智能終端及斷路器的故障判斷及處理。監(jiān)測方法實(shí)現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 多維信息在線監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)上述監(jiān)測點(diǎn)，該斷路器相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測設(shè)備的所有監(jiān)測信息見表1。

表1 斷路器相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測信息表

針對智能終端本體狀態(tài)和斷路器運(yùn)行狀態(tài)的各類監(jiān)測信息，該IED設(shè)備通過連接過程層網(wǎng)絡(luò)，讀取各個(gè)智能終端光纖鏈路光口的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)智能終端光纖鏈路的在線監(jiān)測；通過將智能終端匯控柜內(nèi)溫濕度傳感器以數(shù)據(jù)線與IED設(shè)備進(jìn)行直連，實(shí)現(xiàn)智能終端基本信息在線監(jiān)測；通過連接斷路器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)已經(jīng)匯集于該裝置的斷路器四類重要信息的在線監(jiān)測。綜上，斷路器相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測設(shè)備的詳細(xì)信息框圖如圖2所示。

圖2 新型IED設(shè)備信息框圖

通過以上實(shí)現(xiàn)方法，斷路器相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測設(shè)備具備過程層多維信息在線監(jiān)測功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測斷路器與智能終端的運(yùn)行狀況，提前預(yù)判可能出現(xiàn)的潛伏性故障，為故障搶修與計(jì)劃檢修工作提供便利。目前該設(shè)備已在南京某500 kV智能變電站進(jìn)行試運(yùn)行，試運(yùn)行期間故障及處理情況見表2。由表2的故障處理情況可知，多維信息在線監(jiān)測IED設(shè)備的告警信息準(zhǔn)確，有效提高了檢修工作人員處理故障的效率。

表2 斷路器相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行期間故障及處理情況

4 結(jié)語

通過分析斷路器與智能終端兩類重要設(shè)備的常見故障，得出需要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的重點(diǎn)信息。針對各類信息提出在線監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)方法，利用一套新型IED(斷路器相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測設(shè)備)實(shí)現(xiàn)所有信息集成，從而具備相關(guān)IED多維信息在線監(jiān)測的功能。南京某500 kV智能變電站的實(shí)踐表明對斷路器相關(guān)IED多維信息的在線監(jiān)測，能夠有效提高檢修工作效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱性故障，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。