随着电力系统的容量与能量需求的不断增加，电力系统的安全运行显得越来越重要。断路器是电力系统中必不可少的设备之一，起着保护和控制的双重作用。断路器能够根据电网运行需要可靠投入或切除相应的线路或电气设备。

断路器故障会造成电网供电能力减弱，甚至导致一系列连锁事故，造成供电系统瘫痪，严重影响着人们正常生产和生活。2018年3月21日，巴西电网因为断路器过载保护后的一系列连锁反应，导致其14个州发生停电事故，9个州供电受到影响，造成了严重的经济损失。2015年3月31日，土耳其电网因断路器跳闸发生了大规模停电事故，导致电网崩溃和瘫痪，影响了其国内约90%的人口，造成的经济损失约7亿美元。

断路器跳合闸回路是断路器重要的控制和保护回路。相关研究文献表明，跳合闸回路故障是导致断路器故障的主要原因。经查阅相关研究文献，将我国近几年来断路器发生的故障类型及比例数据整理成表1。

从表1中数据可见，绝缘故障是所有故障类型中占比最大的。降低绝缘故障发生的次数，将显著减少因断路器故障导致的停电事故，极大地提高电网运行的可靠性和安全性。

表1 断路器故障类型及比例统计表

对断路器跳合闸回路进行监控能有效减少断路器故障的发生，是保证电网可靠运行的重要措施。目前，国内外现有的断路器跳合闸监视方法有以下4种：

①红绿灯回路直接监视法，红灯监视合闸，绿灯检测跳闸，电路结构简单，但无法实现全工况监视；

②跳合闸位置继电器间接监视法，将跳合闸位置继电器线圈串接于合跳闸回路中，两者常闭接点串接至中央信号，与红绿灯监视方式一样，无法实现全工况监视；

③操作箱中自带监视信号灯法，利用操作箱附设了跳闸回路完整性监视灯，相当于红绿灯监视方式的红灯，只能监视合闸，无法监视跳闸；

④串接高内阻继电器于跳闸回路法，对跳闸回路利用串接高内阻继电器，可以实现跳闸回路全工况监视，但不能实现合闸回路全工况监视。

从对上述4种监视方式的分析发现，上述方法均不能对跳合闸回路进行全工况监视。在对国内外跳合闸回路相关研究的基础上，本文搭建了一个断路器跳合闸监测诊断系统。

该系统使用霍尔电流传感器实时监测跳合闸回路电流，通过采集终端获取霍尔电流传感器数值，在对数据进行处理和过滤后，以采样值（sampled value, SV）和面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）报文上传至在线监测设备上，在线监测设备实时处理报文数据，达到对跳合闸回路的全工况监视和故障诊断的目的。

1 原理分析

以往在断路器跳合闸监测方法中，基本采用串联或者并联其他元器件来实现断路器跳合闸回路状态监测。本文以断路器跳合闸回路的异常工作的结果为导向，通过溯源性原理，分析断路器跳合闸回路在异常发生前后的电流变化情况，达到对跳合闸回路实时监测的目的。同时针对回路故障进行了回路电流量化分析，快速对故障位置进行辅助诊断与定位。

2 系统架构设计

跳合闸监测系统架构由采集单元与管理单元组成，为适应变电站恶劣的电磁环境与长距离的数据传输，采集单元与管理单元之间通过光纤进行通信。

采集单元是跳合闸监测系统的核心部件，主要负责完成断路器跳合闸线圈电流的实时采集，并对电流数据进行判断和过滤，通过通信光网口，以标准GOOSE报文和SV报文将数据上传给管理单元，采集单元采用标准的1U机箱设计，安装在智能终端柜里。

管理单元由在线监测设备组成，在线监测设备上运行开发的监控软件，主要完成与采集单元的通信、数据的分析处理、运行参数波形曲线的显示、综合诊断分析等功能，实现对跳合闸回路的实时监测与故障报警。

系统架构框图如图1所示。

图1 系统架构框图

3 采集单元硬件设计

采集单元硬件主要由开合式霍尔电流传感器、模数转换电路、主控系统、百兆光以太网口电路和电源系统组成。

开合式霍尔电流传感器用于将被测电流转换成一定比例的电压信号，并将电压信号输入至模数转换电路；模数转换电路用于将电压信号进行量化后，送入主控系统进行计算、判断和过滤；主控系统将过滤后的电流数据打包通过百兆光网口发送至在线监测设备。

电源系统主要是为智能采集单元各硬件电路提供不同电压等级的电能需求，供其正常稳定的工作。

4 系统软件设计

跳合闸监测系统软件的设计分为采集单元中FPGA程序设计与管理单元在线监测设备的监控软件设计。

图2 FPGA软件流程图

图3 管理单元监控软件界面

图4 管理单元监控软件流程图

图5 实验室模拟仿真平台

5 结论

断路器在电力系统中起着重要的作用，断路器跳合闸回路的完好是保证断路器正常工作的必要条件，因此设计变电站跳合闸监测系统具有非常重要的意义。该系统可以实现对跳合闸回路进行实时监测与故障报警，是实现跳合闸回路预知性维修的前提，更是保证电网安全可靠运行的关键。

在对跳合闸监测系统的功能测试中，制作了模拟仿真平台，在模拟仿真平台上进行了模拟故障测试，配合在线监测设备监测软件，可以有效判断回路是否出现异常，实现跳合闸回路的智能化运行，减少检修与运维人员的工作量。

当回路出现异常时，及时报警，告知工作人员，避免回路异常的工作状态进一步恶化，以提高电网稳定性。同时针对回路故障进行了回路电流量化分析，快速对故障位置进行辅助诊断与定位，为检修人员节省了检修时间、减小了维护工作量，在保障变电站跳合闸回路安全与可靠运行的同时提高了检修效率。

本文编自2021年第1期《电气技术》，论文标题为“智能变电站跳合闸监测系统研究与应用”，作者为董中和、宋晓航、唐昱恒、王盛威、王义波。