CN107611945B - 一种设备状态感知式110kV线路保护系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设备状态感知式110kV线路保护系统及实现方法，包括有继电保护功能模块、断路器在线监测模块、综合分析功能模块和双电源切换模块；所述的继电保护功能模块通过光缆分别与合并单元、智能终端、过程层交换机相连接，构成继电保护装置二次回路。本发明构建主动防御型的110kV线路安全防护系统，实现110kV线路设备状态感知、事故预警、继电保护为一体，在减少断路器故障的发生同时又快速切除故障，降低智能变电站设备投资和运维成本，实时保障电网的强壮性，如果继电保护装置能够增加这种设备状态感知的主动防御的报警功能，不仅可以优化继电保护原理，既减少故障的发生又快速切除故障，而且可以降低变电站设备投资和运维成本。
Description
技术领域
本发明涉及智能变电站继电保护技术领域，尤其涉及一种设备状态感知式110kV线路保护系统及实现方法。
背景技术
目前，继电保护装置快速、准确地切除故障元件，只能减少故障带来的危害而不能减少故障的发生，是被动的防御方式。随着电力一次设备状态检测技术快速发展，当一次设备亚健康时发出报警信号，实现不停电状态检修，可以减少因设备故障带来的停电次数，此为积极的防御方式。
现有的继电保护装置和一次设备状态监测装置按功能不同进行独立配置，这种模式可靠性较高，任一装置发生故障时也不会影响其他设备的正常运行，系统的可扩展性和可维护性较好。但是随着单个电力元件容量的增加，如何减少元件故障率越来越重要，设备故障的发生往往是多种因素积累造成的。但是如果能将状态检测功能与保护功能合一，则保护不仅可以切除故障还可以减少故障的发生。
目前，国内一些学者和设备制造商提出了高压线路断路器状态监测实现方法，在一定程度上解决了断路器状态监测的问题。但是却没有利用断路器状态监测的技术优点，提升110kV线路继电保护性能的研究报道。如申请号CN201410136413.2的中国专利，发明专利的名称为一种高压线路断路器状态监测系统，其包括：三相电流互感器、合闸霍尔元件、分闸霍尔元件、直流电压变送器、操动机构压力变送器、微机数据采集系统、多路转换开关、模数转换器和微机监测控制系统；此发明提供的高压线路断路器状态监测系统的特点：可以及时发现断路器的异常现象，在断路器尚未发生故障时，即对断路器进行状态检修。该系统能够有效的缩短停电时间，缩小断路器检修停电范围，提高断路器运行的可靠性。
又如申请号为CN201110263562.1的中国专利，发明专利的名称为断路器状态监测系统，其公开了如下内容：一种断路器状态监测系统，包括断路器、断路器状态监测模块和监测装置，断路器状态监测模块通过监测断路器可运动的零部件位置来监测断路器合闸、分闸状态或故障脱扣状态；断路器状态监测模块以通讯方式将监测数据传送给监测装置；监测装置对多个断路器状态监测模块进行监测。此发明能够减少馈线屏内的布线，使系统安装简洁、维护方便，并能提高系统的可靠性，同时，适应了低压电器智能化、网络化的发展要求。
上述两个发明专利均提供断路器状态监测的技术解决方案，但是其均为单独监测，均未考虑状态监测与继电保护的互相配合，在功能上二者与线路继电保护均是互相独立配置的，在设备投资方面仍需要对继电保护装置和断路器状态监测装置进行分别投入，整体投资成本较大，运行维护成本较高；在继电保护性能方面，没有利用状态监测采集的数据对继电保护性能进行互补，硬件配置重复，接线复杂，信息共享不充分，缺乏全站系统层的协调和功能优化。因此，针对上述问题，结合断路器状态监测的技术特点，研究一种集成度高、造价低的智能变电站设备状态感知式110kV线路保护系统及实现方法，提升智能变电站110kV线路继电保护性能迫在眉睫。
变电站自动化技术的快速发展，IP通信网络获得了广泛应用，数据处理能力与智能化水平大为提高，能支持更复杂的高级应用，推动了变电站各种技术向集成性、适应性和智能性方向发展，在保障电网安全运行可靠的前提下，将现有成熟应用的功能、设备进行集成或整合符合技术和产业发展需求，为实现智能变电站设备状态感知式110kV线路保护技术创造了条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备状态感知式110kV线路保护系统及实现方法，能够在110kV线路继电保护装置设置断路器状态监测功能，将状态监测与继电保护原理进行融合，实现110kV线路设备状态感知、事故预警、继电保护为一体，在减少断路器故障的发生同时又快速切除故障，降低智能变电站设备投资和运维成本，实时保障电网的强壮性。
本发明采用的技术方案为：
一种设备状态感知式110kV线路保护系统，包括有继电保护功能模块、断路器在线监测模块、综合分析功能模块和双电源切换模块；所述的继电保护功能模块通过光缆分别与合并单元、智能终端、过程层交换机相连接，构成继电保护装置二次回路；断路器在线监测模块通过通信电缆与断路器在线监测传感器相连接，构成110kV断路器状态监测回路；继电保护功能模块、断路器在线监测模块分别通过设置在PCB板上的通信回路与综合分析功能模块相连接；
所述的继电保护功能模块按照IEC 61850-9-2标准获取电流电压信息，按照IEC61850-8-1标准中得GOOSE规约实现开入开出功能，通过内部通信走线将实时电气量信息传递给综合分析功能模块；
所述的断路器在线监测模块以RS485和小信号通信接口与断路器机构内置的传感器进行通信，获取断路器状态检测信息，并通过内部通信走线将实时监测信息传递给综合分析功能模块；
所述的综合分析功能模块从继电保护功能模块获取实时电气量信息，进行保护功能逻辑判断；综合分析功能模块从断路器在线监测模块获取断路器状态监测信息，进而对断路器可能发生的故障和运行状态异常进行预警；
所述的双电源切换模块包括有第一电源插件、第二电源插件、电压切换模块、继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件；第一电源插件和第二电源插件将工作电压同时传递给电压切换模块，经电压切换模块切换后向继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件提供工作电源。
按照权利要求1所述的一种设备状态感知式110kV线路保护系统的实现方法，包括以下步骤：
（1）首先，通过继电保护模块实时获取110kV保护电流、保护电压并传递给综合分析模块：综合分析模块发送控制信号到继电保护启动元件，保护逻辑处理的继电保护启动元件用于系统故障检测、开放故障处理逻辑及开放出口继电器的正电源功能；所述的继电保护启动元件包含相电流突变量启动元件、零序电流启动元件、静稳破坏启动元件、差流启动元件，上述任一启动元件动作后，综合分析模块会开放故障处理逻辑；
（2）其次，通过状态监测模块实时获取断路器运行状态信息，并发送到综合分析模块进行智能诊断，从而为断路器拒动和偷跳提供实时预警；
所述的运行状态信息包括：合分闸线圈电流、合分闸线圈电压、断路器动触头行程、断路器动触头速度、断路器操动次数、断路器机械振动信号、断路器开断电流加权值、合分闸线圈通路、合分闸线圈时间、合闸弹簧状态和导电接触部位温度；
（3）进一步的，所述综合分析模块通过接收到的运行状态信息对断路器机构可靠性进行趋势判断，包括分合闸线圈动作分析、断路器动触头位移行程曲线分析和储能电机监测，结合分析结果对断路器不健康状态可能导致的拒动等进行实时综合预警，与保护逻辑判断进行与逻辑，在保护逻辑和综合预警同时启动时，判断保护出口存在由断路器机构原因导致无法执行跳闸、合闸动作的可能，发出保护越级跳闸警报；在断路器机构出现偷跳等误动动作的可能趋势时，传递给保护逻辑模块并发出机构偷跳并继电保护预重合警报，从而完成对线路的保护。
所述步骤（1）中智能变电站继电保护装置与合并单元、智能终端相连，按照IEC61850-9-2和GOOSE标准实现间隔内电流电压的采集、开入开出功能；继电保护装置与过程层交换机相连，按照GOOSE标准在过程层网络实现继电保护装置之间的信息交互。
所述步骤（2）断路器在线监测模块以0^30 mA的电流输入接口监测转换后的断路器开关合分闸线圈电流、储能电机电流信号；通过RS485通信接口与位移传感器、振动信号传感器通信，监测触头行程动触头行程信号和振动信号；断路器在线监测模块对传感器模拟输入信号进行信号调理、隔离滤波、模拟/数字(A/D)转换以及运算处理后得到所需的断路器数字信号状态量。
所述步骤（3）综合分析功能模块将110kV线路继电保护功能和断路器在线状态监测功能整合在一体；综合分析功能模块通过装置内部通信走线获取继电保护功能模块的实时电气量信息，实现110kV线路纵差主保护、距离、零序后备保护功能；通过装置内部通信走线获取断路器在线监测模块的断路器运行状态信息，进行智能诊断，提供断路器拒动和偷跳等实时预警；综合分析功能模块将断路器在线监测模块的断路器拒动预警和偷跳预警归纳到继电保护判断逻辑中，构建主动防御型的110kV线路安全防护系统。
所述步骤（1）～步骤（3）适用于智能变电站设备状态感知式110kV线路保护。
本发明构建主动防御型的110kV线路安全防护系统，实现110kV线路设备状态感知、事故预警、继电保护为一体，在减少断路器故障的发生同时又快速切除故障，降低智能变电站设备投资和运维成本，实时保障电网的强壮性，如果继电保护装置能够增加这种设备状态感知的主动防御的报警功能，不仅可以优化继电保护原理，既减少故障的发生又快速切除故障，而且可以降低变电站设备投资和运维成本。
附图说明
图1为本发明的结构原理框图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
如图1和2所示，本发明包括一种设备状态感知式110kV线路保护系统，包括有继电保护功能模块、断路器在线监测模块、综合分析功能模块和双电源切换模块；所述的继电保护功能模块通过光缆分别与合并单元、智能终端、过程层交换机相连接，构成继电保护装置二次回路；断路器在线监测模块通过通信电缆与断路器在线监测传感器相连接，构成110kV断路器状态监测回路；继电保护功能模块、断路器在线监测模块分别通过设置在PCB板上的通信回路与综合分析功能模块相连接；所述的继电保护功能模块按照IEC 61850-9-2标准获取电流电压信息，按照IEC 61850-8-1标准中得GOOSE规约实现开入开出功能，通过内部通信走线将实时电气量信息传递给综合分析功能模块；
所述的断路器在线监测模块以RS485和小信号通信接口与断路器机构内置的传感器进行通信，获取断路器状态检测信息，并通过内部通信走线将实时监测信息传递给综合分析功能模块；所述的综合分析功能模块从继电保护功能模块获取实时电气量信息，进行保护功能逻辑判断；综合分析功能模块从断路器在线监测模块获取断路器状态监测信息，进而对断路器可能发生的故障和运行状态异常进行预警； 所述的双电源切换模块包括有第一电源插件、第二电源插件、电压切换模块、继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件；第一电源插件和第二电源插件将工作电压同时传递给电压切换模块，经电压切换模块切换后向继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件提供工作电源。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的阐述。图1中，智能变电站设备状态感知式110kV线路保护装置包括电源1插件、电源2插件、电压切换模块、继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件。电源1插件和电源2插件将工作电压同时传递给电压切换模块，经电压切换模块切换后向继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件提供工作电源。正常状态下，电压切换模块默认输出电源1插件的工作电压，电源1插件异常时，自动切换为输出电源2插件的工作电压。继电保护插件通过光缆与合并单元直接连接，按照IEC 61850-9-2标准采集电流电压信息；通过光缆与智能终端直接连接，按照GOOSE标准实现开入开出供能；通过光缆与过程层交换机相连，在过程层网络中以GOOSE标准与母线保护装置、相邻保护装置交互信息。状态监测插件以0^30 mA的电流输入接口与小信号传感器连接，监测转换后的断路器开关合分闸线圈电流、储能电机电流信号；通过RS485通信接口与位移传感器、振动信号传感器通信，监测触头行程动触头行程信号和振动信号。继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件通过装置通信回路实现信息交互。
按照权利要求1所述的一种设备状态感知式110kV线路保护系统的实现方法，包括以下步骤：
（1）继电保护模块获取110kV保护电流、保护电压，将电气量信息传递给综合分析模块：综合分析模块发送控制信号到启动元件，保护逻辑处理的启动元件用于系统故障检测、开放故障处理逻辑及开放出口继电器的正电源功能，启动元件动作后，在满足复归条件后返回；所述的继电保护启动元件包含相电流突变量启动、零序电流启动、静稳破坏启动、差流启动等启动元件，任一启动元件动作后开放故障处理逻辑。
（2）状态监测模块获取断路器运行状态信息，主要参数有：合分闸线圈电流、合分闸线圈电压、断路器动触头行程、断路器动触头速度、断路器操动次数、断路器机械振动信号、断路器开断电流加权值、合分闸线圈通路、合分闸线圈时间、合闸弹簧状态、导电接触部位温度。综合分析模块进行智能诊断，提供断路器拒动和偷跳等实时预警。
（3）综合分析模块对断路器机构可靠性进行趋势判断，将断路器拒动和偷跳等实时预警加入保护逻辑判断。在断路器机构出现无法执行跳闸、合闸动作的可能时，发出断路器拒动实时预警，传递给保护逻辑模块并发出继电保护越级跳闸警报。在断路器机构出现偷跳等误动动作的可能趋势时，传递给保护逻辑模块并发出机构偷跳并继电保护预重合警报。
所述步骤（1）中110kV继电保护二次回路包括继电保护装置间隔内的二次直连回路和继电保护装置之间信息交互的二次回路；110kV断路器状态监测回路包括RS485通信回路和0～30mA小信号通信回路。继电保护功能模块、断路器在线监测模块、综合分析功能模块通过装置内部100M以太网通信回路进行通信。双电源切换模块包括电源1和电源2及电压切换模块，正常状态下电源2热备用，电源1异常时自动切换电源2，保障装置可靠工作。
所述步骤（1）中智能变电站继电保护装置与合并单元、智能终端相连，按照IEC61850-9-2和GOOSE标准实现间隔内电流电压的采集、开入开出功能；继电保护装置与过程层交换机相连，按照GOOSE标准在过程层网络实现继电保护装置之间的信息交互。
所述步骤（2）断路器在线监测模块以0^30 mA的电流输入接口监测转换后的断路器开关合分闸线圈电流、储能电机电流信号；通过RS485通信接口与位移传感器、振动信号传感器通信，监测触头行程动触头行程信号和振动信号；断路器在线监测模块对传感器模拟输入信号进行信号调理、隔离滤波、模拟/数字(A/D)转换以及运算处理后得到所需的断路器数字信号状态量。
所述步骤（3）中综合分析功能模块将110kV线路继电保护功能和断路器在线状态监测功能整合在一体。综合分析功能模块通过装置内部通信走线获取继电保护功能模块的实时电气量信息，实现110kV线路纵差主保护、距离、零序后备保护功能；通过装置内部通信走线获取断路器在线监测模块的断路器运行状态信息，进行智能诊断，提供断路器拒动和偷跳等实时预警；综合分析功能模块将断路器在线监测模块的断路器拒动预警和偷跳预警归纳到继电保护判断逻辑中，构建主动防御型的110kV线路安全防护系统。
综上，在该实施例中，本发明的特点是提出一种设备状态感知式110kV线路保护系统及实现方法，在110kV线路继电保护装置中集成断路器状态监测功能，构建主动防御型的110kV线路安全防护系统，将110kV线路保护功能提高到具有事故预警、保护为一体，在减少一次设备故障的发生同时又快速切除故障，降低智能变电站设备投资和运维成本，实时保障电网的强壮性。本发明使继电保护装置能够增加这种设备状态感知的主动防御的报警功能，不仅可以优化继电保护原理，既减少故障的发生又快速切除故障，而且将状态监测装置与继电保护装置合一，提高了设备集成度，可以降低变电站设备投资和运维成本。
Claims (5)
1.一种设备状态感知式110kV线路保护系统的实现方法，所述的设备状态感知式110kV线路保护系统，包括有继电保护功能模块、断路器在线监测模块、综合分析功能模块和双电源切换模块；所述的继电保护功能模块通过光缆分别与合并单元、智能终端、过程层交换机相连接，构成继电保护装置二次回路；断路器在线监测模块通过通信电缆与断路器在线监测传感器相连接，构成110kV断路器状态监测回路；继电保护功能模块、断路器在线监测模块分别通过设置在PCB板上的通信回路与综合分析功能模块相连接；
所述的继电保护功能模块按照IEC 61850-9-2标准获取电流电压信息，按照IEC61850-8-1标准中得GOOSE规约实现开入开出功能，通过内部通信走线将实时电气量信息传递给综合分析功能模块；
所述的断路器在线监测模块以RS485和小信号通信接口与断路器机构内置的传感器进行通信，获取断路器状态检测信息，并通过内部通信走线将实时监测信息传递给综合分析功能模块；
所述的综合分析功能模块从继电保护功能模块获取实时电气量信息，进行保护功能逻辑判断；综合分析功能模块从断路器在线监测模块获取断路器状态监测信息，进而对断路器可能发生的故障和运行状态异常进行预警；
所述的双电源切换模块包括有第一电源插件、第二电源插件、电压切换模块、继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件；第一电源插件和第二电源插件将工作电压同时传递给电压切换模块，经电压切换模块切换后向继电保护插件、状态监测插件、综合分析插件提供工作电源；其特征在于，包括以下步骤：
（1）首先，通过继电保护模块实时获取110kV保护电流、保护电压并传递给综合分析模块：综合分析模块发送控制信号到继电保护启动元件，保护逻辑处理的继电保护启动元件用于系统故障检测、开放故障处理逻辑及开放出口继电器的正电源功能；所述的继电保护启动元件包含相电流突变量启动元件、零序电流启动元件、静稳破坏启动元件、差流启动元件，上述任一启动元件动作后，综合分析模块会开放故障处理逻辑；
（2）其次，通过状态监测模块实时获取断路器运行状态信息，并发送到综合分析模块进行智能诊断，从而为断路器拒动和偷跳提供实时预警；
所述的运行状态信息包括：合分闸线圈电流、合分闸线圈电压、断路器动触头行程、断路器动触头速度、断路器操动次数、断路器机械振动信号、断路器开断电流加权值、合分闸线圈通路、合分闸线圈时间、合闸弹簧状态和导电接触部位温度；
（3）进一步的，所述综合分析模块通过接收到的运行状态信息对断路器机构可靠性进行趋势判断，包括分合闸线圈动作分析、断路器动触头位移行程曲线分析和储能电机监测，结合分析结果对断路器不健康状态可能导致的拒动进行实时综合预警，与保护逻辑判断进行与逻辑，在保护逻辑和综合预警同时启动时，判断保护出口存在由断路器机构原因导致无法执行跳闸、合闸动作的可能，发出保护越级跳闸警报；在断路器机构出现偷跳误动动作的可能趋势时，传递给保护逻辑模块并发出机构偷跳并继电保护预重合警报，从而完成对线路的保护。
2.按照权利要求1所述的一种设备状态感知式110kV线路保护系统的实现方法，其特征在于，所述步骤（1）中智能变电站继电保护装置与合并单元、智能终端相连，按照IEC61850-9-2和GOOSE标准实现间隔内电流电压的采集、开入开出功能；继电保护装置与过程层交换机相连，按照GOOSE标准在过程层网络实现继电保护装置之间的信息交互。
3.按照权利要求2所述的一种设备状态感知式110kV线路保护系统的实现方法，其特征在于，所述步骤（2）断路器在线监测模块以0^30 mA的电流输入接口监测转换后的断路器开关合分闸线圈电流、储能电机电流信号；通过RS485通信接口与位移传感器、振动信号传感器通信，监测触头行程动触头行程信号和振动信号；断路器在线监测模块对传感器模拟输入信号进行信号调理、隔离滤波、模拟/数字(A/D)转换以及运算处理后得到所需的断路器数字信号状态量。
4.按照权利要求3所述的一种设备状态感知式110kV线路保护系统的实现方法，其特征在于，所述步骤（3）综合分析功能模块将110kV线路继电保护功能和断路器在线状态监测功能整合在一体；综合分析功能模块通过装置内部通信走线获取继电保护功能模块的实时电气量信息，实现110kV线路纵差主保护、距离、零序后备保护功能；通过装置内部通信走线获取断路器在线监测模块的断路器运行状态信息，进行智能诊断，提供断路器拒动和偷跳实时预警；综合分析功能模块将断路器在线监测模块的断路器拒动预警和偷跳预警归纳到继电保护判断逻辑中，构建主动防御型的110kV线路安全防护系统。
5.按照权利要求4所述的一种设备状态感知式110kV线路保护系统的实现方法，其特征在于，所述步骤（1）～步骤（3）适用于智能变电站设备状态感知式110kV线路保护。
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