斷路器（CB）是電力系統(tǒng)的一部分，它的功能對提供持續(xù)的電力供應(yīng)至關(guān)重要。按需成型一個電力系統(tǒng)需要使用斷路器，用它來控制負載電流以及斷開系統(tǒng)中任何的故障部分。安裝好斷路器后，它的使用壽命大概為40年。

當斷路器位于開關(guān)調(diào)度劇烈的轉(zhuǎn)換站時，它的運行狀態(tài)會頻繁改變。斷路器本身并不是智能的，它是通過保護繼電器來執(zhí)行動作的，保護繼電器檢測出系統(tǒng)中的故障，然后打開相應(yīng)的斷路器以隔絕故障，這就使系統(tǒng)能夠繼續(xù)運行。

另外，斷路器可以由電力系統(tǒng)操作人員遠程或維護人員現(xiàn)場發(fā)出手動命令來操作。有時，斷路器可能不按照命令開合，這會導(dǎo)致操作開關(guān)動作的中斷，進而引起不完整的控制動作或清除故障的失敗，最終導(dǎo)致故障持續(xù)時間超出系統(tǒng)損壞前能夠承受的故障時間。

斷路器的誤動作可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能中的不利變化，這種改變可能引起系統(tǒng)的不正常狀態(tài)，也可能導(dǎo)致停電事故。斷路器代表保護系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分，除此之外還有監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)。

其實已經(jīng)有人設(shè)計出和提議過用不同的監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測斷路器的狀態(tài)和預(yù)測最理想的維護計劃，此維護計劃基于以下測量值：機械裝置的動作速率、相電流、氣壓、溫度和振動信號等。

國際大電網(wǎng)委員會的一份報告稱在使用中的斷路器發(fā)生的所有故障中，大約有25%的失誤是由控制電路故障引起的。當前可用于檢測控制電路信號的某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不適用于在包含多個斷路器的開關(guān)序列中對斷路器性能在線監(jiān)測。正因如此，那些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)沒有記錄足夠的信息去對可能發(fā)生在多個斷路器上的開關(guān)性能惡化做出精確的識別。

斷路器運行與狀況的系統(tǒng)廣泛實時監(jiān)測一般使用SCADA系統(tǒng)的遠程終端單元（RTUs）來執(zhí)行。這些單元基于檢測到的斷路器開關(guān)觸頭處的電壓電平提供關(guān)于斷路器最終狀態(tài)的信息，例如“打開”或“關(guān)閉”。

新方案基于新的斷路器監(jiān)測數(shù)據(jù)采集IED，也將它稱為斷路器監(jiān)控器（CBM），它會永久地與變電所斷路器相連接。不管運行是由操作人員手動開始還是由保護與控制裝置自動開始，CBM都獲得關(guān)于每臺實時斷路器運行的詳細信息，并且將信息以COMTRADE文件格式存儲。相關(guān)的斷路器控制電路信號一經(jīng)記錄和由無線連接傳送給集線器PC，分析軟件就會自動執(zhí)行分析。

斷路器監(jiān)測與分析（CBMA）通過監(jiān)測與分析斷路器控制電路系統(tǒng)的模擬和數(shù)字信號的擴展裝置來提供對每臺斷路器狀況和運行性能的更好理解。在分析軟件中執(zhí)行的專家系統(tǒng)的高級信號處理算法和知識庫顯著改進了分析結(jié)果的可靠性與一致性。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：a）硬件，包括智能電子設(shè)備（IED）及與數(shù)據(jù)存儲計算機的通訊；b）軟件，其對開關(guān)動作相同的一組斷路器運行的現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)執(zhí)行自動分析。

1 硬件體系結(jié)構(gòu)

斷路器監(jiān)控（CBM）硬件由開關(guān)站內(nèi)斷路器櫥柜處的IED、控制室內(nèi)的集線器PC和GPS時鐘接收機以及控制室內(nèi)帶有PC的開關(guān)站處的連接IED的無線點對多點網(wǎng)絡(luò)組成。這種配置擔當主從式架構(gòu)；開關(guān)站內(nèi)每個斷路器上都有從屬CBM單元。

這些CBM單元通過硬件線路獲得來自斷路器控制電路的信號。主部件（集線器PC）位于控制室內(nèi)，用來收集變電站內(nèi)所有從屬單元收集到的數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進行存儲和處理。圖1顯示了變電站內(nèi)CBMA系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)。

圖1 CBMA系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

當一個斷路器運行時，CBM就會記錄下控制電路的信號波形，并使用無線通信傳送記錄的文件給集線器PC。

2 軟件體系結(jié)構(gòu)

斷路器監(jiān)控軟件為不同的使用者分析數(shù)據(jù)和輸出信息。圖2顯示了軟件體系結(jié)構(gòu)。這項應(yīng)用使各種類型的使用者能夠使用自定義視圖，因為他們對斷路器性能、斷路器操作程序和網(wǎng)絡(luò)拓撲狀態(tài)也許有不同的興趣。對某些使用者來說，知道精確的系統(tǒng)拓撲和每一時刻斷路器的狀態(tài)很重要；而對某些使用者來說，在識別出并且清除故障之后了解一組斷路器的精確操作程序很重要。

圖2.斷路器監(jiān)控軟件體系結(jié)構(gòu)

硬件

變電所中的系統(tǒng)硬件包括開關(guān)站中每臺斷路器上的斷路器監(jiān)控器和裝在控制室中的用于收集數(shù)據(jù)的集線器PC。

1 斷路器監(jiān)控器IED

斷路器監(jiān)控器（CBM）IED有三個主要功能：對來自斷路器控制電路的信號執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，以及記錄脫扣和關(guān)閉的序列；將獲得的信號轉(zhuǎn)換成與COMTRADE文件格式相符的文件；把文件無線傳送給集線器設(shè)備。

斷路器控制電路的CBM智能電子裝置監(jiān)控器的15個電氣信號如圖1所示，在斷路器的脫扣和關(guān)閉期間收集這些信號。在這15個信號中，11個是模擬信號，4個是狀態(tài)信號。

圖3給出了CBM記錄波形的一個實例，從中可明顯看出對信號軌跡變化的緊密追蹤。

圖3.斷路器控制電路原理圖及其相關(guān)波形

最重要的信號是脫扣觸發(fā)信號和關(guān)閉觸發(fā)信號。由繼電器或操作人員觸發(fā)的這些信號產(chǎn)生了其他一些信號，這都是斷路器脫扣或關(guān)閉的結(jié)果。所有監(jiān)測到的信號都是電壓信號。從分流器中獲得代表電流的信號，從而將它們轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號。

在最壞的情況中，在發(fā)生故障與停止斷路器之間的動作時間大約為1分鐘。監(jiān)控設(shè)備正是記錄和存儲這個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

無線傳輸方案劃算且容易實現(xiàn)。如果在整個變電站里的每個斷路器處都裝配數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，那么布置電線連接單元與變電站里的控制室將非常昂貴。連接斷路器的CBM單元包含4個重要的元件：信號調(diào)節(jié)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換、處理和無線傳輸模塊。圖4顯示了從屬單元的組件關(guān)系圖。

圖4.CBM硬件體系結(jié)構(gòu)

• 信號調(diào)節(jié)模塊：信號調(diào)節(jié)與隔離模塊為數(shù)據(jù)采集提供合適的電壓等級。在把表1中的輸入信號轉(zhuǎn)換成用于處理和存儲的數(shù)字形式之前，必須將其適當縮放。大多數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求輸入信號在±10V或±5V范圍內(nèi)。信號調(diào)節(jié)電路必須縮放信號至A/D轉(zhuǎn)換器需要的范圍內(nèi)。這個信號調(diào)節(jié)面板應(yīng)該保護設(shè)備的其余部分免受在脫斷或關(guān)閉線圈操作過程中產(chǎn)生的高壓脈沖的影響。輸入處模塊也提供信號的電隔離，以防止模塊輸入端的故障破壞系統(tǒng)的其他部分。
• 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成為分辨率足夠高的數(shù)字形式，這樣才可進行精確分析。12-16比特的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用程序是足夠的。采樣速率一定要足夠高以便于分析所需信號的精確復(fù)原，10KHz的采樣速率對大多數(shù)應(yīng)用軟件是足夠的。
• 微處理器模塊：除時間同步外，微處理器模塊執(zhí)行以下功能：控制A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集參數(shù)；設(shè)定數(shù)字信號的信號采樣頻率和比例因子；探測活動和記錄存儲器中指定時間的數(shù)據(jù)；用通信協(xié)議和無線收發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)給集線器PC；接收和執(zhí)行集線器發(fā)送的指令。
• 無線通信模塊：集線器PC通過無線通信從所有從屬單元處收集數(shù)據(jù)，用傳輸距離為200米的一個無線系統(tǒng)來傳送記錄數(shù)據(jù)給集線器PC。收發(fā)模塊工作在單點對多點模式。在這種模式中，從屬單元與主單元通信，反之亦然；但在從屬單元之間沒有通信。在這種模式下，主從數(shù)據(jù)線路通常是穩(wěn)健的，它確保了數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

2 集線器

集線器設(shè)備包括一個與存儲和處理數(shù)據(jù)的PC相連的高容量無線接收器。用軟件可以把集線器設(shè)定成兩個模式中的一個模式。

• 連續(xù)監(jiān)測：在這個模式中，集線器不斷接收每個IED同時記錄的數(shù)據(jù)。這個應(yīng)用程序要求的傳輸帶寬很高，n*1.4Mbps，其中n是系統(tǒng)中斷路器監(jiān)控器的數(shù)量。
• 結(jié)果監(jiān)測：在這個模式中，集線器不斷檢測IED的狀態(tài)，如果發(fā)生了任何脫扣或關(guān)閉事件，那么就下載了所記錄的數(shù)據(jù)。由于離線傳送數(shù)據(jù)，這項應(yīng)用的傳輸頻帶寬度也許會非常低。

軟件

CBM軟件分析應(yīng)用程序的三個主要功能是：對單個斷路器運行的實時自動分析；對一組斷路器運行的自動分析；使用者各異而不同的圖形用戶界面的視圖和報表的結(jié)果分布。

對單個斷路器行為的詳細分析對維修工作組來說十分重要。像保護工程師這樣的其他通用工作組更感興趣的是與一組斷路器相關(guān)聯(lián)的事件序列。他們樂衷于弄清楚：序列何時發(fā)生，運行由何引發(fā)以及最終序列是否會正確地執(zhí)行。

為了滿足以上要求，為從一組斷路器到中央存儲器的同步數(shù)據(jù)提供自動檢索很有必要。這使得比較來自相同時間范圍內(nèi)的不同斷路器的控制電路信號出現(xiàn)了新特征。CBM結(jié)構(gòu)就是為了支持圖5所示的這些特征。

圖5.CBM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在第一次迭代里，CBM客戶軟件使用當?shù)刈冸娝鶖?shù)據(jù)進行了分析。之后，把從當?shù)孛總€變電所中提取的信息轉(zhuǎn)移到中央存儲器中。位于中央的CBM服務(wù)器軟件分析了一組斷路器的行為，這些斷路器可能屬于不同的變電所。本地提取信息的主要優(yōu)勢在于中央部件和通訊通道很少過負荷。

結(jié)論

斷路器的檢測技術(shù)大致經(jīng)歷了從離線測試、周期性在線檢測和長期在線監(jiān)測的發(fā)展過程。斷路器在線監(jiān)測的研究在國內(nèi)已經(jīng)開展多年，并且取得了許多成果。針對斷路器多個參量進行綜合監(jiān)測，目前也有一些研究機構(gòu)正在進行這方面的工作。

采用本文描寫的CBM和自動分析軟件策略，可以將新信息提供給多個維修組。這種新策略使系統(tǒng)操作員能夠獲得關(guān)于斷路器運行的更加詳盡的信息；將允許維護工程師追查所需斷路器開合順序的必需細節(jié)，這么做可以檢驗在清除故障期間繼電器與斷路器運行之間時間協(xié)調(diào)的精確性；將為維護人員提供斷路器運行機理的詳細動作。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標題為“斷路器運行在線自動監(jiān)測”，作者邰超。）