摘要：随着电力系统进行智能化、自动化改造，对于智能断路器的应用越来越广泛，它的运行稳定性影响着整个电网供电质量。因此需要在日常管理和维护中，实时对其运行状态进行监测，基于此人们建立其在线监测智能断路器的系统。本篇文章基于此，首先介绍智能断路器的在线监测系统应用现状，然后是智能断路器的工作原理，最后提出在线监测系统的故障诊断方法和系统架构。希望本文的研究能够为读者提供有益参考。
关键词：智能断路器；在线监测；功能模块
前言：随着智能变电站建设力度加强，为了提高其电气设备的稳定性、可靠性，会采用断路器作为变电站的绝缘和灭弧装置，由此起到保护和控制电网的作用，以此避免变电站设备出现故障造成的损失。为了进一步提高变电站的运行稳定性，人们尝试将断路器进行智能化改造，提高其监测性能和质量。通常高压智能断路器采用机械结构，实现在线监测，能够发现设备在运行过程的故障隐患。通过设备状态指标监测，最大限度降低设备故障率。
1智能断路器在线监测系统应用现状
国外对于智能断路器的研究较多，通常是研究其机械振动特性，并依靠它开发一系列在线监测功能，研究出了一种依靠断路器振动进行信号处理的方法。澳大利亚的Stokes A.D等人研究出了一种指数衰减震荡模型，以及基于断路器振动信号的包络分析方法。挪威的电力研究院研究出了一种动态时间归整法（DTW）。
国内对于智能断路器的研究，虽然起步较晚，但是也有一些研究成果。清华大学研究出了一种数学模型，用以解决断路器振动信号处理，通过分析和获取振动特征来确定电气设备的故障类型。由此可见，国内外对于智能断路器的研究，集中在同时采集多种振动特征，并对反馈的信息进行处理和分析[1]。
2智能断路器工作原理
智能断路器的结构细节，是根据监测项目和内容，以及适配的电气设备而定。通常智能断路器的内部结构，都会包含主回路、支撑结构、操作机构和推进连锁机四个部分。智能断路器结构，如图1所示。
图 1 智能断路器结构图
其中推进连锁机，决定了断路器在运行中的特性和机械参数；操作机构，则决定着分合闸线圈电流、连段电压，根据支架和真空灭弧室的密封性能，决定辅助触点状态。
大部分的断路器智能，只要发生在操作机构的部分，由于它的灵活性决定了分合闸操作的反应性能，若是其灵活性下降则导致分合闸滞停。因此对于操作机构的要求，必须要满足以下几点：1、足够的冲量，操作技工运行过程会带动触头，以此产生大的冲量，是分合闸的操作速度保持在相应水平；2、操作动作可靠性高，要确保操作机构运行准确性，避免误动影响其灵活性；3、快速脱扣装置，当监测装置发现某段输电线路故障时，则快速将合闸状态变为跳闸，避免该线段故障向其他输电线路蔓延。
断路器机械故障通常有以下几种类型，然后还可通过故障产生位置，判断发生在断路器的辅助部分或主控制部分。
第一种拒合故障，当它的铁芯起动连扳机构动作，通常是因为合闸线圈通流时端子电压过低，铺主开关调整不当过早切断电源，以及合闸脱扣机构未锁住等；当它的铁芯不启动，有两种情况：1、线圈无电压，熔丝熔断、二次回路连接松动、辅助开关为切换或接触不良；2、线圈有电压，合闸铁心卡住、两个线圈极性接反、合闸线圈引线断线或线圈烧毁。
第二种是误动故障，也可分为合后即分、无信号自分，其中前一种情况会造成分闸脱扣未复归、机构空合，二次回路有混线，合闸同时分闸回路有电；后一种情况，则是分闸电磁铁最低动作电压太低，继电器节点因振动误闭合[2]。
3智能断路器在线监测系统应用
3.1智能断路器诊断方法
3.1.1粗糙集算法
这种方法在上世纪80年代由帕克教授及其团队推出，它能够很好地处理那些电器设备产生的缺失某些参数的信号，以及数据界限不清晰的情况。适用于数据量大、数据类型混杂、数据参数不完整的监测规模和场景。到了90年代，该技术得到迅猛发展，在原基础上有增加了图形辨析、知识发现等内容。
其中“知识”是粗糙集理论的核心定义，可以看作是“智能分析机制”，它能够在数据、信号过于笼统、模糊，但是各数据之间存在联系的情况下，对这些数据（原始录波数据）进行分类。利用粗糙集算法分类各类数据，不需要根据附加信息，就能够利用知识将其划分为模糊概念一类，在此基础上采用集合的概念进行运算处理。
3.1.2RBF神经网络方法
RBF神经网络方法是基于粗糙集方法的基础而开发，这是因为进行约简处理后，网络输入样本也随之减少，由此减少训练时间，提高精度。这种算法的优点是使用简单、稳定性高、离散功能强，因此被广泛应用于电力行业。
RBF神经网络由输入层、输出层、隐含层组成。输入层又由若干个具有感应功能的节点组成；输出层由线性函数组成；隐含层单元数量根据算法所要解决的问题而定，其中间节点由径向基函数组成。
通过将粗糙集、RBF神经网络算法融合到专家系统中，综合使用提高系统的判断和分析能力，以此辅助使用者做出正确决策[3]。
3.2变电站智能断路器在线监测系统架构
3.2.1在线监测体系架构
目前我国正逐步建设智能变电站，实行“三层两网”的体系结构，它们分别代表着智能断路器在线监测系统的基础机构。所谓“三层”是指：1、过程层，通过它分配电力能源，根据转换、监测设备的机械参数变化，来驱动、控制相应的设备；2、间隔层，主要针对一次设备进行数据采集，利用“两网”附带的通信功能，间隔层主要由计算、测量、网络分析系统等部分组成；3、站控层，其发挥的作用是汇总整个变电站设备的监测信息，接收、调度监控信息，并将数据信息上传至客户端。同时站控层还控制过程层、间隔层，实时分析设备运行状态，分析和处理故障情况。所谓“两网”主要发挥着的通信的功能，主要分布在过程层和间隔层，是这两者的通信网络。智能断路器如图2所示。
图 2 智能断路器图
智能断路器总体架构，主要由三大部分组成，分别是在线监测装置、监测组件、信息一体化平台。
3.2.2智能断路器监测组件（IED）
它变电站重要的一次设备，其智能化特征主要表现在，同时在线监测各设备的机械参数，是智能断路器的重要组件。在运行过程中，主要发挥着测量监测设备的参量，在智能断路器其他组件进行测量、计算、控制和监测操作时，监测组件对其运行状态进行监测，确保各组件运行状态良好。根据变电站的类型，监测组件通常集成在站控层，部分会将其集成在智能化组件。智能断路器的组件按照测量、控制、计量和监测功能划分，在配置方面有以下几种方案：1、测量功能，将测控装置集成在智能断路器，采用测量IED；2、控制功能，采用开关设备控制器；3、计量功能，建议将合并单元集成在断路器；4、监测功能，采用机械特性IED、主IED。
将断路器IED设置在间隔层，用以接收来自站控层发出的控制指令，然后再把指令下发给过程层的在线监测装置；接到指令后，在线监测装置将原始数据反馈给IED；IED初步分析和处理接收到的数据信息，再通过IEC61850协议上传至位于站控层的专家系统；通过专家系统集成的故障诊断方法，分析当前设备的运行情况。
3.2.3站控层专家系统
专家系统能够绘制在线监测各设备的机械参数曲线，根据间隔层、过程层反馈的数据评估故障情况，基于数据库中的故障历史数据与实际监测数据进行比对，提出解决故障的建议，以此保障电力系统整体运行稳定[4]。
透过专家系统能够整合所有一次设备的监测装置，自身配备完整的数据出入口，实时展示设备的监测数据和录波曲线，基于这些信息的基础建立分析模型。把监测到的故障信息纳入到分析模型，从而得到当前故障较为全面的运行状况评价，然后把评估信息发送至各控制设备单元，构建监测、评估、管理的管理链条，促进变电站内各设备有机协作。通过设置专家系统，提高了智能断路器的故障诊断效率和准确性，在监测到设备故障或安全隐患，则以警报的方式通知检修人员，将损失降至最小。除了为变电站各设备进行监测以及故障评估之外，它对于智能断路器安装或拆卸功能模块 ，也能给出合理建议，以此延长断路器的使用寿命。
3.3监测装置硬件
监测装置硬件所采用的功能模块，主要由信号调理模块、最小系统设计模块、信号采集模块、通讯模块、数模转换模块几种。首先是信号调理模块，它主要用以过滤原始信号的噪音和干扰，将电流量转换为A/D芯片计算的电压量；其次是信号采集模块，通过它采集在线监测范围内的设备机械参数；再次是通讯模块，主要在监测装置中承担通信功能，将采集的信号上传至断路器IED；最后是数模转换模块，先过滤原始信号的干扰和杂波，再将采集的模拟信号转化为数字信号，便于主控芯片进行运算和数据处理。
监测装置主控制器采用TMS320F28335芯片，利用它采集监测所需的数据和信号，然后再进行处理。监测装置采用的电流传感器型号为CHB-5AS/SP2，共配置3个霍尔电流传感器，它们分别监测断路器的分闸线圈、合闸线圈以及储能电机电流。完成上述操作后，在将电流信号转化为电压0~5V的，能够被A/D芯片直接读取的电压信号，然后通过数模转换模块，将模拟信号转化为数字信号，交由TMS320F28355芯片处理。
采用kubler8.5020增量型光电旋转位移传感器，监测断路器的动触头行程，然后将主轴角度数转化为计数脉冲，再输送至DSP芯片进行计算，由此获取动触头的行程信息。需要注意的是，以二进制信号“0”、“1”表示辅助触点的分闸和合闸状态。在DSP芯片的I/O口与辅助触点之间用导线连接，再经过一定的软件调试，观测DSP芯片I/O口状态[5]。
3.4监测装置主控芯片最小系统设计
主控芯片采用TMS320F23335芯片，这是考虑到它的CPU架构完善，支持相对较多的外设设备，还可以运行硬件乘法器，实现高速并行浮点型运算。相比其他硬件架构方案，本方案的数据处理能力更强，能够满足智能断路器在线监测的各项要求。分别在Flash、ROM设置128*16位的存储空间，以此满足断路器大数据量的采集要求。为了能够连接足够的外设设备，在接口设置上设置2路CAN接口、3个SCI模块、1个SPI模块，以此提升主芯片与功能芯片之间的数据传输能力，强化其差错控制能力。
3.4.1复位电路以及时钟电路设计
为了避免主芯片自身故障而影响程序运行，为此设计复位电路，将定时器芯片（型号CAT1832）与RESET引脚、GPIO口连接，芯片与TD引脚的延时时间设置为600ms，达到相应延时后定时器芯片向主芯片发出复位指令。除了软件层面的设计，在硬件层面还设置手动复位按钮，以此确保前一项复位命令不能执行时，还有备用操作。复位电路设计结构如图3所示。
图 3 复位电路设计结构图
为了保证DSP运行规律、稳定，需在供电电源设置时钟电路，设计原理是依靠主芯片内部振荡产生的时钟脉冲，将连接的DSP芯片的X1、X2引脚。同时时钟电路外接晶振，利用主芯片的振荡器为DSP芯片提供时钟脉冲，设置的CPU主频为150MHz。
3.4.2外扩RAM电路
主芯片原RAM存储空间为34KB*16位，不能满足智能断路器在线监测庞大的采集量要求，加之软件程序代码就占用了存储空间的一部分，因此需要对其存储空间进行扩充。采取的存储空间扩充方案，主要是更换为IS51HX25616芯片，它的存储量为256KB*16位。通过将芯片的数据、地址线与主芯片外部存储区相连，以此扩充主芯片内存容量。
结论：综合上述，随着逐年攀升的用电需求，变电站需要进行智能化、自动化改造。传统的断路器已不能应付数据采集量、监测速度越来越高的要求，因此尝试采用新型的智能断路器，解决变电站设备运行状态的监测问题。在软件层面采用粗糙集、RBF神经网络算法，硬件层面安装各种功能模块，以此提高智能断路器在线监测的效率和质量。
参考文献：
[1]任瑾,倪元相,龙小丽,等.基于DSP+ARM的双核低压智能断路器控制器系统设计研究[J].现代机械,2017(03):90-94.
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[3]王云.基于CPLD的短路电流监测与保护系统硬件电路设计[J].通信电源技术,2016,33(04):104-106.
[4]吴自然,吴桂初,许海波,等.基于程控恒流源的电流互感器快速测试系统的设计[J].电器与能效管理技术,2016(09):31-35.
[5]李永华,葛建军.电网高次谐波对智能断路器的影响及应对措施[J].中国新技术新产品,2016(01):69.
项目编号：
湖南省教育厅资助科研项目，项目编号：17C0395
论文作者:徐谦
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/13
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