江蘇和動力電子工程有限公司 伍桂平 王從領(lǐng) 丁二慧 顧海彬 符 鵬

為不斷滿足人們和企業(yè)日益增長的電力需求，我國的電力系統(tǒng)正不斷地朝著智能化、高壓和大容量方向發(fā)展。隨著計算機信息控制科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，自動化領(lǐng)域也跟隨著發(fā)生著重大變革，在電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的斷路器開關(guān)裝置越來越不能夠滿足現(xiàn)代化的使用要求，尤其是在對裝置的狀態(tài)監(jiān)測方面遠遠達不到信息化裝備的要求[1]。傳統(tǒng)的斷路器開關(guān)在電網(wǎng)系統(tǒng)中進行保護作用時，采用的保護電路主要是通過線路進行連接實現(xiàn)對電網(wǎng)電路的保護，在實際的檢修過程中，由于線路的繁雜以及裝置設(shè)置的地理環(huán)境等各種因素增加了檢修的困難性。

現(xiàn)階段電力電網(wǎng)系統(tǒng)在工作時，需對其進行全方位、多參數(shù)的實時監(jiān)控，只要對這些參數(shù)進行實時監(jiān)控，才能保證電網(wǎng)系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。這就需對電網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備進行智能化設(shè)計，作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要裝置斷路器開關(guān)承擔著對整個電路中的保護作用，當電網(wǎng)中需對整個某些支網(wǎng)進行斷開或閉合控制時，斷路器起到控制開關(guān)和閉合的作用[2]。斷路器既要保證電網(wǎng)系統(tǒng)中正常電流的開斷，也能實現(xiàn)對故障電路在最短時間內(nèi)對正常線路的保護，從而實現(xiàn)整個電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)方案需求

針對斷路器實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時，需要充分考慮到斷路器的整體性、穩(wěn)定性和可延伸性。在對整體性進行考慮時，需考慮到在實際運行過程中由于停電對其裝置造成的影響，需設(shè)置自生電電路對供電進行保障，功能保護方面要充分考慮到斷路器在整個電路中的電壓、電流及漏電都需要起到保護作用[3]。通信方面要保證既能無線通訊、又能保證有線通訊，雙重保證通信的正常使用。充分考慮斷路器在實際使用過程中會出現(xiàn)的各種故障狀態(tài)，能夠有效的進行預(yù)防和應(yīng)對。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，斷路器硬件和軟件方面都會進行著非常大的更新?lián)Q代，這就需要在設(shè)計時，對斷路器監(jiān)控系統(tǒng)留有可拓展的空間，方便以后的升級改造。為保證斷路器能實現(xiàn)實時監(jiān)控功能，在硬件方面需考慮對斷路器進行模塊化的設(shè)置。在選擇斷路器的殼架時，要考慮到斷路器在功能方面的電流保護和漏電保護，以及快速切斷的性能要求，能夠充分的集成電流和漏電互感器，實現(xiàn)雙向電機和電子脫扣器在殼架的整個結(jié)構(gòu)上進行完成。

電源模塊作為對斷路器保護的基本要求，其供電電源須能達到電源電流的穩(wěn)定，同時也要滿足對其自身的保護功能。無線通訊模塊需保證在能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信、傳輸速率穩(wěn)定等條件。當對斷路器進行軟件設(shè)計時，需考慮到實現(xiàn)完成的保護功能，這就要求達到過載、欠壓、漏電以及斷相等多種保護功能的實現(xiàn)，同時也要避免過于靈敏產(chǎn)生的電路頻繁被斷開的情況發(fā)生。

綜上，斷路器監(jiān)控系統(tǒng)在實際設(shè)計時需實現(xiàn)以下目標：斷路器所在線路的運行狀態(tài)的參數(shù)能實現(xiàn)全時刻實時監(jiān)測；斷路器整個運行過程中的狀態(tài)參數(shù)的記錄與存儲；對歷史參數(shù)的數(shù)據(jù)分析和先有信號狀態(tài)的分析，對現(xiàn)有斷路器狀態(tài)進行自動評估；能夠建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，對斷路器的過程質(zhì)量進行參數(shù)化的統(tǒng)計和管理；能實現(xiàn)無人值守或自動化操作，這就需對其實現(xiàn)無線通訊功能；在實時監(jiān)控的運行過程中具有較強抗干擾性、自檢能力，保證在惡劣環(huán)境下能正常工作以及出現(xiàn)故障時能及時預(yù)警。

斷路器實時監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測的內(nèi)容主要包括：斷路器的分合閘時間、觸頭的行程及動觸頭斷開的速度；斷路器斷開電流的次數(shù)、運動次數(shù)的數(shù)據(jù)記錄；斷路器的各種物理狀態(tài)，如絕緣狀態(tài)、機械性能等；線圈的參數(shù)。如線圈的電流、電壓及通路等的參數(shù)。

2 實時監(jiān)視系統(tǒng)的組成

斷路器實時監(jiān)控系統(tǒng)主要是由以下部分組成：信號的采集部分，主要是通過電流、電壓以及溫度等傳感器對現(xiàn)場信號進行采集，將其物理信號轉(zhuǎn)化為電信號；信號的預(yù)處理，該階段主要是對傳感器采集的信號進行降噪或者去噪處理，保證信號的準確性；信號的采集主要是對經(jīng)過降噪或去噪后的的信號進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲；數(shù)據(jù)的傳輸與處理，該部分主要是為了將現(xiàn)場收集到的電信號進行數(shù)據(jù)的傳輸至下一部分進行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息進行診斷和評估。

斷路器監(jiān)控系統(tǒng)信號采集部分主要是通過電壓、電流和加速度等傳感器組成的，并且傳感器和前置機等都安裝在斷路器的周圍。當電壓、電流、加速度及溫度等傳感器采集信號后進行前置機的去噪化處理后對信號進行傳遞。在變電站監(jiān)控室內(nèi)的后臺及可以實現(xiàn)進行通信機傳來的斷路器的相關(guān)參數(shù)信號，對其進行分析后在上位機的顯示界面進行顯示，并通過各種數(shù)據(jù)進行對信號的分析、診斷和保存。斷路器的實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單位在每個斷路器上進行配設(shè)。在后臺機部分設(shè)置一臺工控機實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的斷路器監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控。

3 實時監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 功能模塊

根據(jù)圖1，斷路器實時監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖中的后臺機的模塊，需要分別實現(xiàn)斷路器綜合監(jiān)控系統(tǒng)的四大模塊。

圖1 斷路器實時監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 電壽命分析模塊

電壽命分析模塊主要分析的是，斷路器每次的閉合和斷開的過程中都會產(chǎn)生電弧，每次觸頭和噴口接觸的位置都會產(chǎn)生不同程度的燒損，一直使用到不能正常工作就算是斷路器的一個壽命周期。在進行電壽命周期預(yù)測時，由于其斷路器的觸頭和噴口每次發(fā)生的燒損量是隨機的、不能夠預(yù)判得到的，這就需要經(jīng)過大量的實踐進行預(yù)設(shè)。電壽命分析模塊的設(shè)置，主要依據(jù)的是相對理論上的燒損實現(xiàn)對電壽命的預(yù)測。

實踐經(jīng)驗表明，在實際觸頭每次發(fā)生燒損的量處于一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，在這個范圍內(nèi)對觸頭的燒損量進行設(shè)置。將一個新的斷路器或者是進經(jīng)過檢修的斷路器的最大準許磨損量設(shè)定為1，對照的其電壽命也為滿值1。在每次發(fā)生斷開動作時產(chǎn)生的相對磨損量為1/N，這就可以對斷路器總共可以使用的斷開的次數(shù)進行預(yù)測，當其每次發(fā)生斷開后就相應(yīng)的對斷路器的磨損量進行減少，直到斷路器動作的次數(shù)達到一定的預(yù)警狀態(tài)時，在上位機中進行報警，實現(xiàn)對斷路器壽命的預(yù)測，完成點壽命模塊的監(jiān)視功能。

3.1.2 操動結(jié)構(gòu)

斷路器的組成結(jié)構(gòu)中主要的動作部位是其操動結(jié)構(gòu)，操動結(jié)構(gòu)主要是由電磁鐵和合分閘線圈組成的。線圈通電時線圈內(nèi)部產(chǎn)生磁場，這就會使鐵心受到磁場力的作用進行動作的閉合和斷開、實現(xiàn)斷路器的合閘和分閘。因為合分閘線圈內(nèi)部是直流電流，其合分閘的電流的監(jiān)測對斷路器狀態(tài)的監(jiān)控也具有著非常重要的意義。通過前端設(shè)置的電流互感器、能夠測出和分閘線圈的電流波形圖，通過對波形圖的分析，能夠分析出斷路器鐵芯狀態(tài)以及線圈的狀態(tài)。

當一個全新的斷路器的電流波形圖和使用過一段時間以后的波形圖進行對比時，就能夠在時間電流的波形圖上發(fā)現(xiàn)，使用了一段時間或者出現(xiàn)故障的斷路器的鐵心，在發(fā)生動作時的電流波動的時間要明顯長于全新的斷路器，這就說明斷路器中的鐵心出現(xiàn)了卡頓現(xiàn)象，需要對其進行清理。同時在對其線圈的電流進行分析時能夠測算出電阻變化情況，從而實現(xiàn)對線圈的電阻是否正常進行監(jiān)控。

3.1.3 斷路器的主要動作部件

斷路器的主要動作部件是其觸頭的閉合和斷開，在斷路器觸頭閉合的瞬間，觸頭之間相互接觸會產(chǎn)生機械振動，機械的操動系統(tǒng)的性能和狀態(tài)可以通過其振動特性進行反應(yīng)，并且振動特性感應(yīng)情況直接關(guān)系著斷路器的工作狀態(tài)。對斷路器進行振動分析是一項非常必要的信息，在斷路器的振動比較大的部位安裝加速度傳感器，能夠檢測到斷路器在合閘或者分閘時的振動信號，通過對時域振動信號的分析和獲取從而判斷斷路器的工作狀態(tài)。

振動信號的獲取是非常有保障的，由于振動信號在獲取時不受到電信號的干擾和電器的測量，在安裝過程中對斷路器也沒有任何影響，這就保證了信號獲取的準確性。在斷路器每次動作獲取的信號與已知狀態(tài)的斷路器的振動信號波形進行對比，就能夠發(fā)現(xiàn)在實際過程中、每次斷路器閉合和開關(guān)的過程中的斷路器的狀態(tài)。

3.1.4 斷路器的數(shù)據(jù)庫

斷路器的數(shù)據(jù)庫的建立是對前三個模塊獲得的信號進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的分析、存儲。在運行的過程中數(shù)據(jù)庫主要是對斷路器的綜合質(zhì)量情況進行判定，同時在使用過程中對歷史數(shù)據(jù)的查詢、設(shè)備的參數(shù)信息進行查詢等功能的實現(xiàn)。

3.2 人機交互設(shè)計

根據(jù)上述模塊需要實現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫提取原始的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對斷路器所在電力系統(tǒng)的電壽命統(tǒng)計計算、震動分析、電流的在線處理和分析功能。通過在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置相對應(yīng)的經(jīng)驗數(shù)值閾值，當斷路器發(fā)生變化時其自身就會進行計算相對的電磨損，對其進行累計到相對壽命中，最后將最后的結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫中。當整個系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)斷路器壽命小于低于20%的時候，系統(tǒng)內(nèi)會發(fā)出相對應(yīng)的報警信息，來提供給工作人員預(yù)警信息，工作人員在接收到信號，可以在系統(tǒng)中對相關(guān)參數(shù)進行查詢，通過數(shù)據(jù)對電壽命進行判斷。

軟件系統(tǒng)具備追憶和回放指定振動波形的功能，通過統(tǒng)計信號的波形，實現(xiàn)對信號進行波形以及頻率的分析，系統(tǒng)將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進行保存，同時將相關(guān)的信息進行對比分析，從而發(fā)現(xiàn)不同之處，以供工作人員查看。工作人員可以根據(jù)后臺軟件的系統(tǒng)主窗口的顯示變電站的主接線，當操作人員將鼠標放置到斷路器圖標時，右鍵可以查詢相關(guān)快捷菜單，對斷路器的相關(guān)功能圖表進行查詢；雙擊可以通過激活當前斷路器的屬性，查詢斷路器的運行狀態(tài)等信息。

斷路器實時監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互軟件設(shè)計，主要包括各個模塊的數(shù)據(jù)信息的顯示和數(shù)據(jù)管理分析、用戶管理、菜單以及斷路器的實時狀態(tài)信息。該系統(tǒng)基于Windows 多窗口應(yīng)用進行實現(xiàn)，能夠保證用戶對斷路器的狀態(tài)和相關(guān)動作信息進行查詢，其人機交互系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 人機交互結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

電網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)診斷，是保證電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行的必要保證。本文通過對斷路器進行實時監(jiān)控系統(tǒng)的需求進行分析，對其系統(tǒng)的整體方案進行了總體的設(shè)計，實現(xiàn)了斷路器實時監(jiān)控系統(tǒng)的電壓、電流以及振動信號的監(jiān)測和分析，對電壽命模塊、合分閘線圈電流、振動信號監(jiān)測和數(shù)據(jù)庫進行了詳細的闡述，設(shè)計開發(fā)了人機交互系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了斷路器實時監(jiān)控系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，有效解決了現(xiàn)階段我國在電力檢測方面出現(xiàn)的人力檢測不到位引起的電網(wǎng)檢修事故，有效的保障了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了電網(wǎng)的運維管理水平。