隨著電力系統的容量與能量需求的不斷增加，電力系統的安全運行顯得越來越重要。斷路器是電力系統中必不可少的設備之一，起著保護和控制的雙重作用。斷路器能夠根據電網運行需要可靠投入或切除相應的線路或電氣設備。

斷路器故障會造成電網供電能力減弱，甚至導致一系列連鎖事故，造成供電系統癱瘓，嚴重影響著人們正常生產和生活。2018年3月21日，巴西電網因為斷路器過載保護后的一系列連鎖反應，導致其14個州發生停電事故，9個州供電受到影響，造成了嚴重的經濟損失。2015年3月31日，土耳其電網因斷路器跳閘發生了大規模停電事故，導致電網崩潰和癱瘓，影響了其國內約90%的人口，造成的經濟損失約7億美元。

斷路器跳合閘回路是斷路器重要的控制和保護回路。相關研究文獻表明，跳合閘回路故障是導致斷路器故障的主要原因。經查閱相關研究文獻，將我國近幾年來斷路器發生的故障類型及比例數據整理成表1。

從表1中數據可見，絕緣故障是所有故障類型中占比最大的。降低絕緣故障發生的次數，將顯著減少因斷路器故障導致的停電事故，極大地提高電網運行的可靠性和安全性。

表1 斷路器故障類型及比例統計表

對斷路器跳合閘回路進行監控能有效減少斷路器故障的發生，是保證電網可靠運行的重要措施。目前，國內外現有的斷路器跳合閘監視方法有以下4種：

①紅綠燈回路直接監視法，紅燈監視合閘，綠燈檢測跳閘，電路結構簡單，但無法實現全工況監視；

②跳合閘位置繼電器間接監視法，將跳合閘位置繼電器線圈串接于合跳閘回路中，兩者常閉接點串接至中央信號，與紅綠燈監視方式一樣，無法實現全工況監視；

③操作箱中自帶監視信號燈法，利用操作箱附設了跳閘回路完整性監視燈，相當于紅綠燈監視方式的紅燈，只能監視合閘，無法監視跳閘；

④串接高內阻繼電器于跳閘回路法，對跳閘回路利用串接高內阻繼電器，可以實現跳閘回路全工況監視，但不能實現合閘回路全工況監視。

從對上述4種監視方式的分析發現，上述方法均不能對跳合閘回路進行全工況監視。在對國內外跳合閘回路相關研究的基礎上，本文搭建了一個斷路器跳合閘監測診斷系統。

該系統使用霍爾電流傳感器實時監測跳合閘回路電流，通過采集終端獲取霍爾電流傳感器數值，在對數據進行處理和過濾后，以采樣值（sampled value, SV）和面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）報文上傳至在線監測設備上，在線監測設備實時處理報文數據，達到對跳合閘回路的全工況監視和故障診斷的目的。

1 原理分析

以往在斷路器跳合閘監測方法中，基本采用串聯或者并聯其他元器件來實現斷路器跳合閘回路狀態監測。本文以斷路器跳合閘回路的異常工作的結果為導向，通過溯源性原理，分析斷路器跳合閘回路在異常發生前后的電流變化情況，達到對跳合閘回路實時監測的目的。同時針對回路故障進行了回路電流量化分析，快速對故障位置進行輔助診斷與定位。

2 系統架構設計

跳合閘監測系統架構由采集單元與管理單元組成，為適應變電站惡劣的電磁環境與長距離的數據傳輸，采集單元與管理單元之間通過光纖進行通信。

采集單元是跳合閘監測系統的核心部件，主要負責完成斷路器跳合閘線圈電流的實時采集，并對電流數據進行判斷和過濾，通過通信光網口，以標準GOOSE報文和SV報文將數據上傳給管理單元，采集單元采用標準的1U機箱設計，安裝在智能終端柜里。

管理單元由在線監測設備組成，在線監測設備上運行開發的監控軟件，主要完成與采集單元的通信、數據的分析處理、運行參數波形曲線的顯示、綜合診斷分析等功能，實現對跳合閘回路的實時監測與故障報警。

系統架構框圖如圖1所示。

圖1 系統架構框圖

3 采集單元硬件設計

采集單元硬件主要由開合式霍爾電流傳感器、模數轉換電路、主控系統、百兆光以太網口電路和電源系統組成。

開合式霍爾電流傳感器用于將被測電流轉換成一定比例的電壓信號，并將電壓信號輸入至模數轉換電路；模數轉換電路用于將電壓信號進行量化后，送入主控系統進行計算、判斷和過濾；主控系統將過濾后的電流數據打包通過百兆光網口發送至在線監測設備。

電源系統主要是為智能采集單元各硬件電路提供不同電壓等級的電能需求，供其正常穩定的工作。

4 系統軟件設計

跳合閘監測系統軟件的設計分為采集單元中FPGA程序設計與管理單元在線監測設備的監控軟件設計。

圖2 FPGA軟件流程圖

圖3 管理單元監控軟件界面

圖4 管理單元監控軟件流程圖

圖5 實驗室模擬仿真平臺

5 結論

斷路器在電力系統中起著重要的作用，斷路器跳合閘回路的完好是保證斷路器正常工作的必要條件，因此設計變電站跳合閘監測系統具有非常重要的意義。該系統可以實現對跳合閘回路進行實時監測與故障報警，是實現跳合閘回路預知性維修的前提，更是保證電網安全可靠運行的關鍵。

在對跳合閘監測系統的功能測試中，制作了模擬仿真平臺，在模擬仿真平臺上進行了模擬故障測試，配合在線監測設備監測軟件，可以有效判斷回路是否出現異常，實現跳合閘回路的智能化運行，減少檢修與運維人員的工作量。

當回路出現異常時，及時報警，告知工作人員，避免回路異常的工作狀態進一步惡化，以提高電網穩定性。同時針對回路故障進行了回路電流量化分析，快速對故障位置進行輔助診斷與定位，為檢修人員節省了檢修時間、減小了維護工作量，在保障變電站跳合閘回路安全與可靠運行的同時提高了檢修效率。

本文編自2021年第1期《電氣技術》，論文標題為“智能變電站跳合閘監測系統研究與應用”，作者為董中和、宋曉航、唐昱恒、王盛威、王義波。