CN102710014B - 一种基于iec61850的断路器机械特性状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEC61850的断路器机械特性状态监测装置，该技术包含以下内容：设计一种可以安装到就地控制柜的监测装置，采用网络化、模块化、积木化设计，以操动机构为对象设计功能监测组件，对行程、分合闸线圈电流、触头位置等一体化设计，对于分相操动机构可同时进行数据采集、综合分析。监测装置数据接口丰富，通过简单配置可灵活适应模拟或数字通信方式。具备IEC61850通信功能，可实现行程曲线波形与简报的同步展示。具备就地诊断功能，并将有价值的诊断报告远传至状态监测后台。为运行管理部门提供设备检修建议，保障设备安全可靠运行，提高电网运行可靠性。本发明属于电力系统状态监测领域，可用于变电站内断路器本体设备的状态监测。

Description

一种基于IEC61850的断路器机械特性状态监测装置

技术领域

本发明属于电力系统状态监测领域，具体涉及一种采用IEC61850完成断路器机械特性状态监测的方法。

背景技术

我国电网在“十二五”期间继续保持快速发展，新建、扩建、改造变电站数以千计，这为智能电网的研究、建设和发展提供了广阔的舞台。智能变电站及智能高压设备技术就是在这样的背景下提出来的。

智能化变电站以智能一次设备和统一信息平台为基础，通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、人工智能等技术，实现变电站设备的远程监控、程序化自动运行控制、设备状态检修、运行状态自适应、智能分析决策、网络故障后的自动重构以及与调度中心信息的灵活交互，实现了一二次设备的智能化，运行管理的自动化。智能设备是附加了智能组件的高压设备，智能组件通过状态感知和指令执行元件，实现状态的可视化、控制的网络化和自动化，为智能电网提供最基础的功能支撑。

智能高压一次设备是智能电网建设的重要装备，也是一次设备未来技术发展的方向。智能高压一次设备由高压一次设备本体和智能组件组成，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化的特征，集成了过程层和间隔层的部分功能，具备测量、控制、保护、计量、检测中的全部和部分功能。

高压断路器是电力系统一次设备中检修、维护工作量最大的设备，据相关统计，大多数的维护费用花在开关上，且多半是花费在定期检修上。目前高压一次设备并没有完全智能化，存在如下缺点：

1)断路器长时间运行，操动机构、电机机械故障检查困难，定期检修费用大，效率低；

2)运行管理部门不能随时掌握变电站重要设备运行情况，存在安全隐患；

3)传统意义上的在线监测信息不统一、通信协议不标准，通信方式多样化，监测系统、设备厂商多样化，用户及系统界面不统一，成为一个个信息孤岛，无法进行信息互动及高级应用；

4)为了解决互操作问题，不同厂商大多采用规约转换装置，增加建设费用，而且信息转换环节的增加会造成信息损失；

5)对于多种传感器的不同接口，配置复杂，工程实施困难，维护工作量大。

基于以上几点不足，即影响一次设备智能化技术发展水平，又存在安全隐患。

因此，需要寻求一种方法来解决此问题。本发明提出的基于IEC61850的断路器机械特性状态监测方法，弥补了上述几点不足，智能组件设备以高可靠性、丰富的接口设备，做到通信标准化，工程实施免维护化，通过就地诊断功能，为高压设备状态监测提供技术基础，实时采集一次设备状态信息，为状态检修提供参考依据，使之代替定期检修，大大提高高压一次设备的利用率及寿命，能及时发现电力设备的安全隐患，预防事故发生，保证供电的可靠性，避免因停电检修所造成的损失，节约预防性定期检修的费用。这是在传统断路器基础上对智能断路器所做的新的尝试。

发明内容

为了解决传统断路大的智能化的问题，解决排除断路器操动机构、电机机械故障问题，本发明公开了一种断路器机械特性状态监测装置。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于IEC61850的断路器机械特性状态监测装置，所述监测装置包括操动机构监测组件、信息管理组件、SV组件、直流监测组件、485监测组件、开出组件、开入组件、指示灯组件，各组件之间以及各组件和信息管理组件之间通过所述监测装置内部CAN网、高速串口和对时总线连接；其特征在于：

操动机构监测组件包括数据采集CPU和分析诊断CPU，其中数据采集CPU连接行程传感器、电流传感器和断路器的辅助节点相连，用于完成断路器行程信号、电流信号、位置信号的同步采集，形成原始采样值，通过共享内存方式与分析诊断CPU进行通信，分析诊断CPU实时分析采样值，形成诊断报告，直流监测组件与温度、湿度传感器相连，采集反映断路器运行工况的温度和湿度信号；

所述开入组件连接远方复归开入信号、装置检修开入信号、储能状态开入信号，用于监测断路器操作机构的储能状态和检修状态；

所述SV组件接收来自合并单元的SV采样报文，实现断路器主回路电流监测功能；

485监测组件分别与控制回路电压传感器和断路器操作计数器相连，完成控制回路电压和断路器操作次数数字信号采集；

所述信息管理组件还具备以太网口，通过IEC61850协议与在线监测后台连接，将分相断路器行程曲线进行整合，对各监测组件进行配置管理；

所述信息管理组件控制所述开出组件向告警节点输出断路器操动机构告警信号，以驱动户外柜的指示灯牌；

所述信息管理组件向指示灯组件发出对指示灯的控制命令，完成所述监测装置以及断路器本体运行、告警状态指示功能。

其中，指示灯指检测装置内的告警LED灯指示，而开出组件具备告警节点输出功能，可以驱动警铃等声音告警信号，以及驱动户外柜的指示灯牌。

本发明公开的这种基于IEC61850的断路器机械特性状态监测装置的优点是，具备就地综合评估、实时状态预报的功能，能够通过站控层网络及时将断路器当前状态参量提供给变电站运行人员，有效的帮助运行人员对断路器运行情况进行分析和判断，提高了工作效率。

本发明的监测装置具有以下技术效果：

1、多种传感器灵活接入，配置简单；

2、IEC61850无缝信息构建，模型自动输出；

3、所述设备在高电场、强磁场、温差大、多尘等外部条件较为恶劣的户外环境下工作正常，运行稳定，满足国家电网公司标准及相关技术规范的要求；

4、配备高速数字式行程、电流数据采集通道，行程曲线实时自动录波，特征值提取、分析诊断结果准确；

5、现场调试简单；

6、对外接口功能齐全，即支持IEC61850MMS，又支持IEC61850GOOSE、SV；

7、具备就地诊断功能。

附图说明

图1是基于IEC61850断路器机械特性状态监测装置结构示意图；

图2是IEC61850配置过程。

具体实施方式

下面进一步结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案进行说明。

本发明公开了一种断路器机械特性状态监测装置，如图1所示，该装置包括操动机构监测组件、信息管理组件、SV组件、直流监测组件、485监测组件、开出组件、开入组件、指示灯组件，各组件之间以及各组件和信息管理组件之间通过所述监测装置内部CAN网、高速串口和对时总线连接。各组件具体介绍如下:

(一)操动机构监测组件

操动机构监测组件是监测装置内主控制组件，包括数据采集CPU和分析诊断CPU。对于断路器三相联动机构，可配置一块操动机构监测组件，对于断路器分相操动机构，可配置三块操动机构监测组件。操动机构监测组件直接与行程传感器、电流传感器、电压传感器、辅助节点等进行连接。其中行程传感器可包括光栅角位移传感器和直线位移传感器，光栅角位移传感器安装在触头连杆的拐臂上，通过拐臂转过的角度可间接测得触头连杆的机械行程，直线位移传感器直接安装在触头连杆上，可直接测得触头连杆的机械行程，两种传感器根据安装方式及位置的不同可适当选用，行程传感器直接与监测装置的操动机构监测组件连接，操动机构监测组件可通过配置选择接入角位移传感器或直线位移传感器；其中电流传感器，采集分合闸线圈电流、电机电流，考虑到操动机构内安装空间的限制，采用4路电流合一设计的前置单元，在前置单元上安装4个霍尔元件，通过导轨安装在操动机构端子排上，采用24V供电，通过485通信电缆方式，直接连接到操动机构监测组件；其中辅助节点状态信号通过操动机构监测组件上的直流220V或110V的强电开入采集，与操动机构监测组件直接通过电缆连接。储能电机电压传感器采用导轨安装方式，安装在操动机构端子排上。温湿度传感器监测操动机构运行工况，安装在操动机构端子排上。操动机构监测组件除具备数据采集功能外，还具备分析诊断功能。其它各功能监测组件将采集到的数据结果通过监测装置内的CAN网传送给操动机构监测组件中的数据采集CPU，数据采集CPU通过共享内存方式与分析诊断CPU进行通信，分析诊断CPU实时分析采样值，形成诊断报告。每个操动机构监测组件对应一个断路器操动机构，对于分相断路器情况，可在监测装置内插入三块操动机构监测组件。每相操动机构由一个操动机构监测组件完成。操动机构监测组件采集行程传感器数据、断路器分合闸线圈电流数据、储能电机电流、断路器辅助位置节点信号等。对每次断路器分合闸操作进行数据采样、录波，形成行程曲线数据文件，提取行程、分合闸速度、分合闸时间、分合闸线圈电流、储能电机电流等特征参数，根据监测装置内存储的定值数据，对行程是否异常、分合闸速度及时间是否达标、储能电机是否异常进行分析，将断路器操作报告及分析报告通过CAN网传送给信息管理组件，同时根据分析结果对监测装置指示灯状态进行刷新，通过CAN网报文驱动指示灯组件。

(二)直流监测组件

直流监测组件采集数据输出方式为4～20mA模拟量的传感器，如操动机构运行工况信息，包括温度、湿度等，采用4～20mA模拟量方式接入，根据监测装置内存储的工程值配置信息，可完成工程值的换算，并将换算结果通过监测装置内CAN网传送至操动机构监测组件的数据采集CPU，分析诊断CPU通过共享内存方式获得直流组件的监测数据，供操动机构监测组件辅助分析用，方便实际工程对传感器的选型。

(三)485监测组件

485监测组件采集485规约数据，通过装置内CAN网，直接与操动机构监测组件的分析诊断CPU进行通信。485监测组件采集数据输出方式为485数字式的传感器，断路器分合闸操作次数传感器监测断路器分合闸位置变化，统计断路器分合闸次数，安装在操动机构端子排上，数据接口方式为485通信方式，与监测装置的485监测组件连接。通过与传感器的连接，完成ModBus规约及其它私有规约接入，提取有用的参数信息，将通过监测装置内CAN网传送到操动机构监测组件，供操动机构监测组件辅助分析用，方便实际工程对传感器的选型。

(四)开入、开出组件

IO组件主要包括开入组件和开出组件，开入组件与监测装置外远方复归开入、装置检修开入、储能状态开入等信号连接，完成开入信号变化较慢的信号接入，通过监测装置内CAN网传送到操动机构监测组件，方便监测装置的远程维护。开出组件主要是接收来自信息管理组件的驱动报文由信息管理组件下发驱动报文，通过节点信号的方式反映装置告警、断路器操动机构告警状态，以驱动户外柜的指示灯牌，提醒运行人员注意。

(五)指示灯组件

指示灯组件主要是接收来自监测装置信息管理组件的CAN网指示灯报文监测装置内CAN网，根据报文内容刷新指示灯的状态。每个指示灯的具体涵义在操动机构监测组件配置内定义。实时反映监测装置运行、告警状态，提醒运行人员注意。指示灯组件完成装置运行状态就地指示，不具备告警节点输出功能，告警信号可以驱动远方告警铃音，具备告警节点输出功能。

(六)SV组件

SV组件主要是考虑到智能变电站或数据化变电站采用非常规互感器的情况，如果需要查看线路、母线的电压电流信息，可通过直接接入SV报文方式进行监测，根据SV组件内SV订阅信息的配置，可对SV报文进行解码，并计算出有效值、谐波、系统频率等信息，通过监测装置内CAN网传送到操动机构监测组件组件，供辅助分析用，此组件可作为备用组件通过配置选择是否使用。

(七)信息管理组组件

监测装置内信息管理组件具备监测装置内数据管理和IEC61850通讯的功能，数据管理模块又分为以下几个功能模块：通信管理模块、配置管理模块、录波管理模块、报告管理模块、历史数据记录模块、时钟管理模块。通信管理模块完成功能组件、PC配置工具送到信息管理组件的各种报文的解析，并将信息管理组件的数据信息按内部规约进行打包发送到相应的目的地址。配置管理模块完成装置所有配置信息的接收、解析、存储、校验、上送等功能。操动机构监测组件将原始录波数据发送到信息管理组件，录波管理模块按照录波配置将录波数据存储为录波文件。PC配置工具或IEC61850客户端召唤录波文件时，录波管理模块对存储录波文件进行检索，将文件索引或指定的文件数据上送。报告管理模块将功能组件件组件上送的各类型报告信息按固定格式存储为报告文件。PC配置工具报告文件时，报告管理模块按类型对报告文件进行检索，将文件索引或指定的文件数据上送。历史数据记录模块将指定的监测数据按一定的时间间隔进行存储，将实时数据报存为历史曲线文件。时钟接收装置外部时钟源发送的对时信号，同步装置的系统时钟，再通过装置内部的对时总线，同步各功能组件的时间。信息管理组件的汇总指的是以下几种情况：1、分相机构，装置内要插入3块操动机构监测组件，3块操动机构监测组件的身份是同等的，相互之间不通信，但用户要看到A、B、C三相在一起的行程曲线，此时要信息管理组件将3块操动机构的行程曲线进行拼接，对外输出一个波形文件，而不是3个波形文件，至于波形的采集还是由操动机构监测组件完成的，信息管理组件不与外部传感器直接通信。2、同样是分相机构，每块操动机构监测组件都会有告警状态，要点亮装置告警灯，这个或逻辑需要信息管理组件来判断，即装置内有任何一个告警，都要点亮告警灯。

监测装置的IEC 61850建模原则完全遵循《基于DLT860标准的变电设备在线监测装置应用规范》。通过自动建模工具导出标准模型文件。

支持的服务包括关联服务、数据读写服务、报告服务、控制服务、取代服务、定值服务、日志服务、文件服务、GOOSE发布/订阅、SV发布/订阅。各功能监测IED使用专用的逻辑节点构建通信数据架构。

智能组件对外采用IEC 61850通信。智能组件通信包括过程层网络通信和站控层网络通信，遵循IEC61850通信协议。智能组件内所有IED都应接入过程层网络，同时需要与站控层设备进行信息交互的IED，如监测功能组主IED等，还应接入站控层网络。对于同时接入站控层和过程层网络的IED，两个网络端口必须采用独立的数据控制器。

适用于断路器状态监测的IEC61850模型如表格1所示：

表格1 IEC61850信息建模

配置互操作获得方法

如图2所示，智能组件设备的配置工具根据断路器的配置信息，输出符合IEC61850标准断路器监测的能力描述文件(ICD)，工程人员根据断路器和间隔层设备的icd文件通过智能变电站系统集成商的系统配置器配置生成变电站配置描述文件(SCD)，智能接口设备的配置能够根据SCD文件分解出断路器的配置后的描述文件(CID)和装置的配置文件(CFG)并通过当地文件服务下载到智能接口设备中。智能组件设备根据CID和CFG文件完成和间隔层设备的通信。上述配置过程和配置文件符合IEC61850标准，因此可以和其他厂家符合IEC61850的间隔层设备进行互操作。

断路器智能组件主要包括断路器动作特性监视和机械故障分析、断路器触头机械寿命、断路器触头电寿命、机构储能监测等。实现断路器在线自动检测，具有异常自动报警等功能。根据测量数据，对设备状态进行综合评估，提高电网运行可靠性。

1)行程监测

对于AIS,将光栅角位移传感器安装在断路器操动机构内触头连杆的拐臂上，对于GIS，将直线位移传感器安装在断路器触头的连杆上，将行程传感器的差分脉冲数据线或者4～20mA模拟量数据线接入监测装置内操动机构监测组件的端子上，同时连接操动机构监测组件对外提供的传感器供电电源线，通过检测光栅角位移传感器或直线位移传感器的数据变化，可间接或直接测得触头运动行程曲线，根据行程曲线计算分合闸时间、行程等数据。分闸时间和操作机构动作时间的增加反映动触头运动速度下降，而动触头速度下降则可能由于跳闸线圈工作异常(阻抗大或线圈有短路)、脱扣器卡涩，润滑不良、元件的紧固问题、轴承磨损或滞塞、储能系统(弹簧或气动)泄压等造成。

2)分合闸线圈电流监测

将装有霍尔元件的电流采集前置单元安装在断路器操动机构箱内的导轨上，同时将前置单元需要的电源供电模块一同安装，将断路器分合闸回路的电流线穿过霍尔元件孔，通过485通信电缆，一端连接电流采集前置单元，另一端连接监测装置的操动机构监测组件，电流采集前置单元实时采集霍尔元件线圈电流，采用20K采样速率与操动机构监测组件通信，操动机构监测组件完成485数据包的校验、解码，作为采样值输入断路器动作判断逻辑判断模块。提取分合闸线圈电流采样值中的峰值、有效值参量，通过操动机构组件内存储的定值、配置信息，对电磁线圈的好坏做出判断，一定程度上可以弥补位移传感器无法安装的不足。且与断路器的电气之间无直接联系，不影响断路器操动机构的可靠动作。

3)储能电机监测断路器储能系统运行状况的监视有赖于对储能电机电流的监视，对储能电机的监测针对储能电机的日储能次数、单次储能时间长短。如果储能周期缩短，单次储能时间变长，则说明储能系统已经出现了问题，如油路或气路发生泄漏、储能电机出力不够管路不畅等。如油泵打压频度增加或弹簧储能不到位等来预告储能系统液压油不清洁、阀口密封破坏及泵系统异常、弹簧机构状态异常等故障。

在电机启动的瞬间有一次大电流冲击，随着电机的启动电流迅速减小，但是随着储能弹簧的储能状态变化，电机电流逐渐加大，当弹簧储能完成后，接点断开电机电源回路，电机电流消失。

监测装置内的储能电机电流监测同样采用霍尔元件，与分合闸线圈电流监测所用到的霍尔元件一同安装在电流采集前置单元上，完成一体化设计，节省操动机构内安装空间，电流采集方式与分合闸线圈电流采集方式一样，通过高速串口完成储能电机电流采样。储能电机电压监测通过电压传感器实现，输出方式为485，安装方式为导轨安装，通过485通信电缆连接监测装置的485通信组件，485通信组件将实时检测到的储能电机电压数值通过监测装置内的CAN网发送给操动机构监测组件。操动机构监测组件通过储能电机电流、电压的实时采样，计算出电机启动最大冲击电流、运行电流、运行电压、运行时间等参数，从而判断储能系统是否存在电机空转、卡转等情况的发生。

4)位置信号监测

采用直流220V或110V强电开入测试辅助开关位置信号、弹簧未储能状态。通过电缆直接与监测装置的操动机构监测组件连接，与行程数据、电流数据同步采样，根据位置信号和行程曲线计算特征值，同时将分合闸状态上送到监测后台。

5)分合闸次数监测

通过安装在断路器操动机构内的计数器传感器，采用模拟通信或数字通信方式接入监测装置的485通信组件或直流监测组件，监测装置对分合闸次数进行管理、统计，具备复位分合闸次数、转发IEC61850功能。

6)运行工况监测

通过安装在断路器操动机构内的温湿度传感器，采用模拟通信或数字通信方式接入监测装置的485通信组件或直流监测组件，对采集到的数据进行工程值换算，以IEC61850遥测方式上送至在线监测后台，从而完成断路器运行工况监测。

7)IEC61850通信

信息管理组件实现IEC61850通信功能，具备MMS以太网口，与在线监测后台完成以太网通信，包含IEC61850库、信息配置实时库、模拟对点库和定值。信息配置实时库里包含状态监测计算的特征值、分析结果、装置告警以及其他状态量或模拟量信号，这些信号是先入实时库然后刷新IEC 61850库，采用报告服务把这些数据送到客户端。模拟对点信息库用于工程调试过程中模拟对点，通过调试工具修改模拟对点库的内容，然后刷新IEC61850库。装置支持客户端通过定值组服务来读取和修改定值，客户端访问的IEC 61850库中编辑区和运行区的定值值，装置根据定值组服务具体命令完成IEC 61850库和定值的同步。状态监测记录的曲线文件通过文件服务的方式上送到客户端。

以上详细描述了本发明在断路器机械特性状态监测过程中的具体实施方式。

而本发明的范围不应局限于这些描述。任何在本发明原理范围内的修改、改进都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于IEC61850的断路器机械特性状态监测装置，所述监测装置包括操动机构监测组件、信息管理组件、SV组件、直流监测组件、485监测组件、开出组件、开入组件、指示灯组件，各组件之间以及各组件和信息管理组件之间通过所述监测装置内部CAN网、高速串口和对时总线连接；其特征在于：

操动机构监测组件，包括数据采集CPU和分析诊断CPU，其中数据采集CPU连接行程传感器、电流传感器和断路器的辅助节点，用于完成断路器行程信号、电流信号、位置信号的同步采集，形成原始采样值，通过共享内存方式与分析诊断CPU进行通信，分析诊断CPU实时分析采样值，形成诊断报告；

直流监测组件与温度、湿度传感器相连，采集反映断路器运行工况的温度和湿度信号；

所述开入组件连接远方复归开入信号、装置检修开入信号、储能状态开入信号，用于监测断路器操作机构的储能状态和检修状态；

所述SV组件接收来自合并单元的SV采样报文，实现断路器主回路电流监测功能；

485监测组件分别与控制回路电压传感器和断路器操作计数器相连，完成控制回路电压和断路器操作次数数字信号采集；

所述信息管理组件还具备以太网口，通过IEC61850协议与在线监测后台连接，将分相断路器行程曲线进行整合，对各监测组件进行配置管理；

所述信息管理组件控制所述开出组件向告警节点输出断路器操动机构告警信号，以驱动户外柜的指示灯牌；

所述信息管理组件向指示灯组件发出对指示灯的控制命令，完成所述监测装置以及断路器本体运行、告警状态指示功能。

2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征为：操动机构监测组件单独配备一个电流采集前置单元传感器，可同时采集2路分闸线圈电流、1路合闸线圈电流、1路储能电机电流，所述电流采集前置单元传感器通过485高速串口方式与操动机构监测组件中的数据采集CPU连接。

3.根据权利要求1所述的监测装置，其特征为：

各组件采用组件的形式设置在监测装置上，能够通过模拟通信、数字通信接口与安装在断路器本体上的相应的传感器相连；所述监测装置具备IEC61850MMS通信接口，并且具备SV接口。

4.根据权利要求1所述的监测装置，其特征为：所述监测装置具备就地诊断功能，自动采集行程曲线，通过分析诊断，形成断路器运行诊断报告，建模遵循IEC61850，行程曲线采用IEC61850文件服务形式上送至在线监测后台。