斷路器狀態多信息融合評估方法及IEC 61850建模

夏成林，沈宇龍,劉東升,周邵亮,陳曉聰

(1．國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211106;2．南瑞集團公司(國網電力科學研究院),江蘇 南京 211106;3．智能電網保護和運行控制國家重點實驗室,江蘇 南京 211106)

斷路器狀態多信息融合評估方法及IEC 61850建模

夏成林1,2,3，沈宇龍1,2,3,劉東升1,2,3,周邵亮1,2,3,陳曉聰1,2

(1．國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211106;2．南瑞集團公司(國網電力科學研究院),江蘇 南京 211106;3．智能電網保護和運行控制國家重點實驗室,江蘇 南京 211106)

在研究并分析了斷路器狀態評估方法的基礎上，提出了一種基于斷路器維修曲線的多信息融合評估方法。根據斷路器狀態評估方法和IEC 61850建模規范，繪制了斷路器分/合操作次數相對于分斷跳閘動作電流的曲線圖。結合斷路器的預估壽命和最大通斷電流等因素評估斷路器觸頭壽命，形成了斷路器的維修預警機制，從而實現了斷路器的在線監視、保護、測控等設備功能的集成。該方案將原斷路器智能組件功能集成到保護測控裝置，通過制造信息聲明(MMS)服務,將裝置現有邏輯功能狀態信息上傳至后臺服務器，以實現實時監視功能。將該方法集成于保護測控裝置智能電子設備(IED)中，實現了斷路器觸頭機械壽命預警監視功能。與現有其他斷路器在線監測設備相比，該方法可降低站端設備的數量和成本。同時，IEC 61850建模的規范化有利于裝置的功能擴展。

斷路器； 多信息融合； 狀態評估； 預警監視； IEC 61850； 保護測控裝置； 智能電子設備

0 引言

斷路器的正常運行關系到變電站的整體穩定運行?，F有一次設備狀態監測更多地依賴于各種傳感器設備。隨著智能變電站的深入推廣，站內變壓器、GIS開關等一次設備狀態在線監測技術已日趨成熟和穩定[1-2]。變電站間隔層的斷路器狀態通過IEC 61850通信實時監測，實現了一次設備從定期檢修到狀態檢修的轉變。國家電網公司在2012年發布了設備狀態監測系統在變電站建模和通信的技術規范[3-4]，提出在線監測系統應綜合考慮現有監測方法和現場實施成本等因素。監測系統的可靠性和穩定性決定了整個監測系統是否能夠真正起到效果。同時，IEC 61850建模規范對設備狀態監測系統的整體功能提升起著至關重要的作用[5]。本文設計了集成斷路器狀態監測功能的保護測控智能電子設備(intelligent electronic devices,IED)。這對整個變電站設備的功能橫向集成和降低成本具有重要意義。

1 IED整體功能架構

本文以中低壓常規線路保護裝置為例。其主要功能有：過流保護、過負荷保護、接地保護、重合閘、模擬量測量、遙控功能、故障錄波、開入量輸入和報警等。根據IEC 61850建模規范第二版，裝置的整體功能架構如圖1所示。

圖1 整體功能架構圖

裝置建立S1普通制造信息聲明(manufacturing message specification,MMS)服務訪問點，并在S1訪問點下建立5個邏輯節點(logical device，LD)，分別為：LD0(公用信息LD)、CTRL(控制LD)、PROT(保護LD)、MEAS(測量LD)和RCD(錄波LD)。在LD0節點下，建立SCBR、STMP、SPVT等邏輯節點。其中：SCBR反映斷路器電氣、機械特征的狀態監測，STMP為裝置溫度監視邏輯節點，SPVT為裝置電源電壓邏輯節點。在CTRL節點下，根據一次設備的數量，建立相應的CSWI和CILO邏輯設備。在PROT節點建立相應的保護邏輯設備：PTOC為電流相關保護，PTOV為電壓相關保護，MMXU為跳閘保護，MSQI為序分量測量量。在MEAS節點下建立MMXU。告警和開入邏輯節點采用GGIO建模，未在圖1中標出。

2 斷路器狀態評估

斷路器在線監測功能主要通過斷路器智能組件實現。文獻[1]中的斷路器在線監測功能，主要實現SF6的微水和密度監測、斷路器動作特性監視，包括分合線圈的電流波形、分合閘時間、行程-時間曲線和儲能電機工作狀態等。文獻[6]研究了斷路器觸頭機械壽命，主要對其開斷故障電流進行累積和判斷。其中，故障電流通過電流互感器獲取。從工程應用和實際裝置硬件配置角度出發，選取配置斷路器狀態在線監測功能相關輸入信息量，包括跳合閘動作電流、跳合閘時間、開關量狀態信息、小信號模擬量信息等。

2.1 實現方案

保護測控裝置IED設備基于同步采樣技術，通過電流、電壓傳感器采集線路電流、電壓等數據，并通過輔助觸點采集開關位置信號。對采集信號進行處理后，實現實時斷路器機械特性狀態監視和預警狀態評估。

斷路器監視功能啟動邏輯如圖2所示。將斷路器監視“功能投退”定值設為置位狀態，同時啟動條件需滿足裝置接收到“遙控操作”命令、“跳閘動作”信號或者“外部啟動”信號。裝置應用程序接收到上述信號以后，經過延時t1，通過開關位置狀態來判斷跳合閘操作是否成功；同時，記錄跳閘動作電流和跳閘次數，并進行累積評估。在此過程中，需考慮從裝置接收到跳閘命令到實際動作出口的動作延時時間。該時間等于裝置跳閘出口繼電器的動作時間t2。因此，延時t2后，可獲取最大故障電流。

圖2 監視功能啟動邏輯圖

當外部故障一直存在時，裝置保護電流會逐漸增大。跳閘動作電流時序圖如圖3所示。裝置按照圖2的邏輯獲取跳閘動作電流，計算分相(A、B、C)的電流均方根值，同時對跳閘次數進行累加。裝置在A點啟動監視功能，在B點記錄裝置的跳閘動作電流，并對監視功能進行評估。

圖3 跳閘動作電流時序圖

通過以上方法獲取累積跳閘動作電流和跳閘次數，用于評估斷路器狀態機械性能。

2.2 評估分析方法

影響現有斷路器觸頭機械壽命的主要因素是斷路器開斷電流時因電弧作用產生的電磨損，不同電流下觸頭的損耗與電流不是簡單的線性關系。文獻[7]和文獻[8]中提到，當前應用比較多的方法是基于斷路器的電壽命曲線N-ib的開斷電流加權累計法。

(1)

式中：Q為開斷電流加權累積值(累計電磨損值)；Ii為第i次開斷電流值,kA；b為加權系數，一般可根據斷路器電壽命曲線得到，范圍為1.5～2.0。

由式(1)可知，將Q值與閾值進行比較，即可得到當前斷路器剩余電壽命情況。

在實際應用過程中，加權系數值往往根據經驗值進行設置。該數值的選擇會直接影響斷路器維修的周期。為了減小經驗值選擇不當造成的影響，根據斷路器生產廠家提供的維修曲線，并結合實際運行狀態，提出結合lgN-lgI曲線評估斷路器觸頭機械壽命的方法。其中：N為跳閘次數；I為跳閘動作電流，kA。

斷路器分/合操作次數與千安分斷跳閘動作電流的關系曲線如圖4所示。圖4中的橫、縱坐標軸分別是對動作電流和動作次數取對數。對于任一斷路器，有3點將作為通用整定值區中的繼電器整定值。斷路器對應點P1(lgI1,lgN1)、P2(lgI2,lgN2)和P3(lgI3,lgN3)。圖4中：點P1(lgI1,lgN1)為最小電流值(通常情況下，選擇額度動作電流和動作次數)；點P2(lgI2,lgN2)為中間電流值，介于額度動作電流和最大通過電流之間；點P3(lgI3,lgN3)為斷路器允許通過的最大動作電流值。繼電器接收的整定值為N1

圖4 斷路器操作次數與跳閘動作電流關系曲線

斷路器磨損損耗百分比和動作跳閘電流關系可以表示為：

(2)

式中：W(I)為每次動作斷路器損耗百分比,100%；I為每次操作動作電流值,kA；K為曲線增益系數；α為曲線斜率。

裝置中，設置P1點和P2點為功能定值。其中，α由式(3)計算得到，K由式(4)計算得到。

(3)

(4)

將由式(3)和式(4)得到的α和K代入式(2)，即可推斷[P1,P2]區間內每次跳閘動作后的觸頭磨損率。同理，可獲取[P2,P3]區間的每次跳閘磨損率。

經過以上分析，對于每次跳閘動作，磨損率W(I)可表示為：

(5)

總累積磨損率Q采用累積法設定。

(6)

式中：k為跳閘次數。

當Q累積到100%后，斷路器發出觸頭磨損報警。

3 斷路器監視功能IEC 61850建模

在很多國內設備的應用中，監測裝置的IEC 61850功能建模只包含該功能的邏輯設備建模。文獻[9]提出了從在線監測IED到站端監測單元與狀態監測主站的一體化建模方法。文獻[10]提出了基于IEC 61850和IEC 61970系列標準的變電站設備狀態監測信息系統構架，分析了變電站設備信息模型的構建擴展及模型適配問題。本文依據現有IEC 61850第二版中的SCBR推薦邏輯節點模型建模，選擇SCBR邏輯節點模型中所需的參數和變量信息，其他保護測控功能邏輯節點建模應用比較廣泛，且相對成熟穩定，在此不再闡述。SCBR邏輯節點數據對象如表1所示。表1對邏輯節點建模的公用數據類型(common data class,CDC)進行了詳細說明，并給出了數據對象指定或可選的推薦值，即M/O。

表1 SCBR邏輯節點數據對象

考慮到保護測控裝置采集到在線監測的信號功能局限性，選擇表1中的數據對象進行邏輯節點建模。裝置按照分相累積方法進行累積，在實際裝置中建立SCBR1(A相監視)、SCBR2(B相監視)、SCBR3(C相監視)這3個邏輯節點。裝置采用保護電流進行累積計算。根據2.2節中提到的累積方法，計算分相斷路器觸頭磨損率和總的跳閘次數，并計算表1中獲取的相關狀態信息開關量和模擬量。保護測控裝置通過MMS服務，將相應的狀態信息傳送給后臺服務器。

4 系統測試

基于上述算法和建模方案設計，裝置針對圖4中的維修曲線點設置監視磨損定值參數：電流互感器(current transformer,CT)變比為1∶1 200，斷路器分相損耗均為0，合閘時間為0.2 s。

①遙控操作測試，無外接保護電流。

遙控操作磨損監視結果如表2所示。此時，外接電流小于P1點電流值，裝置磨損按照2.2節進行計算，測試結果滿足要求。

表2 遙控操作磨損監視結果

②過流保護動作跳閘測試。

裝置配置四段相過流保護功能，每段定值及控制字可獨立整定。以第1段過流保護功能為例。相過流保護的主判據如式(7)所示。

(7)

式中：IP為電流定值；Imax為A、B、C三相中最大相電流，將相電流過流Ⅰ段功能投入，相電流過流定值設備為4 A(二次值)，即當Imax>Ip(Ip=4 A)時，裝置相過流I段保護動作驅動外部處于合位的斷路器進行跳分閘操作。根據圖4，選擇P1～P2、P2～P3、大于P3這3個電流范圍，分別進行故障試驗5次，累積磨損在每個故障試驗完成后清零重新開始計算。

以P1～P2范圍內的故障電流6 kA(二次值5 A)為例，依次分別測試A、B、C單相和三相同時故障。過電流跳閘磨損監視結果如表3所示。

表3 過電流跳閘磨損監視結果(6 kA)

在P2～P3之間分別加入故障電流12 kA、15 kA，且三相同時故障，最后加入大于P3的A相故障電流21.6 kA(二次值18 A)。三相故障磨損監視結果如表4所示。

表4 三相故障磨損監視結果

根據表4中的記錄，當裝置獲取的跳閘動作電流大于P3點電流，A相損耗積累到100%，裝置通過MMS服務上傳AbrWrn告警狀態信息。斷路器檢修完畢后，可通過面板將相應累積重新清零，并重新開始計算。

5 結束語

通過采用保護動作電流、斷路器變位等狀態信息，結合斷路器操作次數與跳閘動作電流關系曲線，設計了一種多信息融合斷路器狀態評估技術的保護測控集成裝置。該系統結合斷路器的預估壽命開斷次數和最大通斷電流等因素來評估預警，實現了斷路器的在線監視、保護、測控集成；將評估后狀態信息通過MMS服務上傳至后臺服務器，實現了實時監視。與其他斷路器在線監測設備相比，該系統的站端設備總成本較低，具有保護、測控、在線監測多功能集成等特點，且規范化建模有利于提高裝置功能的可擴展性，具有廣闊的應用前景。

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[4] 國家電網公司.變電設備在線監測I2接口網絡通信規范:Q/GDW740-2012[S].北京:中國電力出版社,2012.

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MultiInformationFusionEvaluationMethodandIEC61850ModelingforCircuitBreakerState

XIA Chenglin1,2,3,SHEN Yulong1,2,3,LIU Dongsheng1,2,3,ZHOU Shaoliang1,2,3,CHEN Xiaocong1,2

(1．NARI Technology Co.，Ltd.,Nanjing 211106,China;2.NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute),Nanjing 211106,China;3.State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control,Nanjing 211106,China)

On the basis of the research and analysis of the status evaluation methods for the circuit breakers,the multi information fusion evaluation method based on the circuit breaker maintenance curve is proposed.According to the existing status evaluation methods for circuit breakers and IEC 61850 modeling specification,the curve of breaking / closing operation frequency versus trip operation current is plotted.Combined with the factors of estimated life of the circuit breaker and the maximum breaking current,etc.,the life of the contact of circuit breaker is evaluated,and early warning mechanism of the circuit breaker maintenance is formed,thus the function integration of the circuit breaker is achieved,including the online monitoring,protection,monitoring and control.This strategy integrates the functions of original intelligent components of circuit breaker into the protection and control device,the existing logic function status information of the device is uploaded to the background server through the manufacturing message specification(MMS) service,then the real-time monitoring function is realized.And it has been integrated in the intelligent electronic devices(IED) of the protection and monitoring equipment to realize the function of mechanical life warning and monitoring for the contacts of circuit breaker.Compared with other existing on line monitoring equipment of circuit breakers,this method reduces the cost and quantity of the equipment.In addition,the standardization of IEC 61850 modeling is helpful to improve the functional scalability of the device.

Circuit breaker; Multi information fusion; State evaluation; Early warning monitoring; IEC 61850; Protection measurement and control device; Intelligent electronic devices(IED)

修改稿收到日期:2017-05-05

夏成林(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事變電站自動化系統的研究工作，E-mail:xiachenglin@sgepri.sgcc.com.cn

TH3；TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712009