用于断路器电气操作机构的二次回路全景状态监测系统

1.一种用于断路器操作机构的二次回路全景状态监测系统，其特征在于，包括：通信模块、控制模块、传感器模块、合闸处理模块和跳闸处理模块，其中：控制模块与通信模块相连实现与断路器操作机构的过程层网络交换控制命令和监测信息，控制模块与传感器模块相连以接收状态监测信息，传感器模块分别与合闸处理模块和跳闸处理模块相连并接收操作回路状态信息和监测回路状态信息，合闸处理模块和跳闸处理模块分别与控制模块相连接并接收控制指令并执行跳合闸控制；
所述的合闸处理模块包括：依次串联的第一合闸控制接点(HZCK1)、第二合闸控制接点(HZCK2)、合闸电流保持继电器(HBJ)、第一压板(LTPh)和超时继电器(CSJ1)以及与第一合闸控制接点(HZCK1)和第二合闸控制接点(HZCK2)相并联的第一检测二极管(D1)和合闸保持继电器接点(K-HBJ)，其中：合闸电流保持继电器(HBJ)用于合闸操作的自保持，合闸保持继电器接点(K-HBJ)分别与控制电源和合闸保持继电器动作线圈(TBJ)相连，第一压板(LTPh)用于检修时断开合闸回路。
2.根据权利要求1所述的用于断路器操作机构的二次回路全景状态监测系统，其特征是，所述的通信模块包括：光纤通信接口、继电保护控制继电器接口及断路器信号继电器回路，其中：光纤通信接口的两端分别与过程层网络和控制模块相连接并将光信号的GOOSE报文信息转化为控制命令信息，继电保护控制继电器接口的两端分别与断路器操作机构的间隔层和传感器模块相连接并将继电器接点的控制信息转化为控制模块所需的监测信息及控制命令，断路器信号继电器回路与传感器模块相连接并传输断路器信号回路的监测信息。
3.根据权利要求1所述的用于断路器操作机构的二次回路全景状态监测系统，其特征是，所述的跳闸处理模块包括：依次串联的第一跳闸控制点(TZCK1)、第二跳闸控制点(TZCK2)和跳闸电流保持继电器(TBJ)、第二压板(LTPt)和超时继电器(CSJ2)、与第一跳闸控制点(TZCK1)和第二跳闸控制点(TZCK2)相并联的第二检测二极管(D2)和跳闸保持继电器接点(K-TBJ)以及与第一跳闸控制点(TZCK1)相连接的数字跳闸监视器，其中：跳闸电流保持继电器(TBJ)用于跳闸操作的自保持，第二压板(LTPt)用于检修时断开跳闸回路。
4.根据权利要求3所述的用于断路器操作机构的二次回路全景状态监测系统，其特征是，所述的数字跳闸监视器包括：串联连接的跳闸控制命令继电器(TJA)、第三压板(LTPb)和第三检测二极管(D3)以及连接于跳闸控制命令继电器(TJA)和第三检测二极管(D3)两端的 串联连接的两个监测继电器(SMT)。
5.根据权利要求1所述的用于断路器操作机构的二次回路全景状态监测系统，其特征是，所述的控制模块包括：信号采集单元、逻辑运算单元和控制单元，其中：信号采集单元与传感器模块及通信模块相连接并将状态信息通过抗干扰处理、将通信模块送来的GOOSE信息解码并提取出变位的控制命令后传输给逻辑运算单元，逻辑运算单元将逻辑运算结果输出给控制单元，控制单元将逻辑运算结果编译后分别输出至合闸处理模块、跳闸处理模块和通信模块。
6.根据权利要求1所述的用于断路器操作机构的二次回路全景状态监测系统，其特征是，所述的传感器模块包括：信号回路传感器、控制回路传感器和监测回路传感器。

用于断路器电气操作机构的二次回路全景状态监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及的是一种电力系统技术领域的装置，具体是一种用于断路器电气操作机构的二次回路全景状态监测系统。\n背景技术\n[0002] 随着经济发展、社会进步、科技和信息化水平不断提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临新课题和新挑战。依靠现代信息、通信和控制技术，积极发展智能电网，适应未来可持续发展的要求，已成为国际电力发展的现实选择。作为智能电网建设的重要支撑，具有网络化操控、数字化测量和状态监测特征的智能化一次设备，为电力系统的安全稳定运行奠定了物质基础，为优化电网的运行、调度提供充分的数据和调节手段。\n[0003] 高压断路器是发电厂、变电所一次系统中的重要电气设备，它用来切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。电气二次操作回路是对电气一次设备进行操作控制的电路，是继电保护的一个重要组成部分。现有智能化方法往往是用“智能组件+一次设备”的模式，采用GOOSE跳合闸命令的方式实现网络化操控，对于电气操作回路的监测往往只做到跳合闸出口或只对智能组件操作箱内部回路做监测，不能完整地监测操作回路，使状态监测存在很大的盲点，同时，由于回路无法定位故障点，不能针对性的报警，更不能实现主动防御，隔离故障，避免故障扩大造成事故，这显然已经不能满足智能设备的要求。\n[0004] 跳合闸回路由于长时间运行或其它原因，有可能出现接点粘连、拒动或压板脱落、控制线老化等异常情况。这种异常情况的及时诊断，可以有效预防断路器拒动，保证保护跳合闸通道的畅通，解决断路器回路问题带来的损失，对于变电站乃至电网的安全是极为重要的。这就要求能有一种断路器操作装置，能够具备继电保护控制回路、断路器信号继电器回路、操作回路以及监测回路自身的全景状态监测功能。然而，据了解目前国内的智能终端，普遍都不具备跳合闸回路的全状态监测的能力。\n[0005] 经过对现有技术的检索发现：2009年6月南京南瑞继保电气有限公司的PCS-222B智能操作箱的《技术和使用说明书》中公开了一种功能全面的智能微机型操作箱及其实现方法，该PCS-222B智能操作箱实现了断路器状态监视、控制回路检查、断路器跳合闸操作等功能，支持GOOSE报文。但是该现有技术只是在将传统的跳位监视、合位监视接入了光耦传感器，并未对传感器回路进行监测，也没有监测断路器信号回路、常规继电保护回路，该现有技术不具备完整地监测二次操作回路，使状态监测存在很大的盲点，同时，由于回路无法定位故障点，不能针对性的报警，更不能实现主动防御，隔离故障。\n[0006] 进一步检索发现，中国专利文献号CN 101764432A，公开日2010-6-30，记载了一种“具有动作接点自检功能的智能操作箱”，该技术实现了断路器状态监视、控制回路检查、断路器跳合闸操作等功能，还提供了数字化操作接点的自检方法，也支持GOOSE报文。但是该现有技术只对操作回路中，损坏几率很小的继电器接点粘死现象进行了实时监测，在此实现中，还引入了监测回路，该技术同样不具备完整地监测操作回路的能力，更不能实现主动防御，隔离故障。\n[0007] 综上所述，上述现有技术只针对断路器操作回路进行了部分监测，且在实现回路监测时，引入了新的监测回路，这些监测回路与操作电源、操作回路之间具有直接而密切关联，监测回路自身的器件损坏引起的断路、短路，势必影响整个二次操作回路的安全，引入新的故障点。如果不对这些回路进行监测，则无法保证二次回路的安全。\n发明内容\n[0008] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于断路器电气操作机构的二次回路全景状态监测系统，能够在断路器分、合等各种工作状态下，对操作回路、监测回路以及回路元件完整性进行自我在线监测，实现完全状态下对跳合闸回路的状态监测，并具有主动防御功能。与现有技术相比简化了跳合闸操作回路，提高了系统的整体可靠性，为实现智能断路器的状态检修提供了必要条件，保证了高压断路器的安全运行，提高了电力系统供电的可靠性。\n[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：通信模块、控制模块、传感器模块、合闸处理模块和跳闸处理模块，其中：控制模块与通信模块相连实现与断路器操作机构的过程层网络交换控制命令和监测信息，控制模块与传感器模块相连以接收状态监测信息，传感器模块分别与合闸处理模块和跳闸处理模块相连并接收操作回路状态信息和监测回路状态信息，合闸处理模块和跳闸处理模块分别与控制模块相连接并接收控制指令并执行跳合闸控制。\n[0010] 所述的通信模块包括：光纤通信接口、继电保护控制继电器接口及断路器信号继电器回路，其中：光纤通信接口的两端分别与过程层网络和控制模块相连接并将光信号的GOOSE报文信息转化为控制命令信息，继电保护控制继电器接口的两端分别与断路器操作机构的间隔层和传感器模块相连接并将继电器接点的控制信息转化为控制模块所需的监测信息及控制命令，断路器信号继电器回路与传感器模块相连接并传输断路器信号回路的监测信息。\n[0011] 所述的控制模块包括：信号采集单元、逻辑运算单元和控制单元，其中：信号采集单元与传感器模块及光纤通信模块相连接并将状态信息通过抗干扰处理、将光纤通信模块送来的GOOSE信息解码并提取出变位的控制命令后传输给逻辑运算单元，逻辑运算单元将逻辑运算结果输出控制单元，控制单元将逻辑运算结果编译后分别输出至合闸处理模块、跳闸处理模块和通信模块。\n[0012] 所述的传感器模块包括：信号回路传感器、控制回路传感器和监测回路传感器。\n[0013] 本发明装置提供了控制回路、断路器信号回路、断路器操作回路及监测回路自身的二次回路全景状态监测方法，在不改变跳闸回路可靠性的重要前提下，增加了二次回路全景状态监测功能，又大大地简化了操作回路的设计，提高了系统的整体可靠性，为实现保护继电器回路的“状态检修”提供了必要条件，保证了保护装置的安全运行，提高了电力系统供电的可靠性。\n附图说明\n[0014] 图1为本发明的结构图。\n[0015] 图2为合闸处理模块结构示意图。\n[0016] 图3为跳闸处理模块结构示意图。\n[0017] 图4为控制模块结构示意图。\n[0018] 图5为通信模块之光纤通信方框图。\n[0019] 图6为通信模块之继电保护控制继电器回路方框图。\n[0020] 图7为通信模块之断路器信号回路原理图。\n具体实施方式\n[0021] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。\n[0022] 如图1所示，本实例包括：通信模块、控制模块、传感器模块、合闸处理模块和跳闸处理模块，其中：控制模块与通信模块相连实现与断路器操作机构的过程层网络交换控制命令和监测信息，控制模块与传感器模块相连以接收状态监测信息，传感器模块分别与合闸处理模块和跳闸处理模块相连并接收操作回路状态信息和监测回路状态信息，合闸处理模块和跳闸处理模块分别与控制模块相连接并接收控制指令并执行跳合闸控制。\n[0023] 如图1、图5和图7所示，所述的通信模块包括：光纤通信接口、继电保护控制继电器接口及断路器信号继电器回路，其中：光纤通信接口的两端分别与过程层网络和控制模块相连接并将光信号的GOOSE报文信息转化为控制命令信息，继电保护控制继电器接口的两端分别与断路器操作机构的间隔层和传感器模块相连接并将继电器接点的控制信息转化为控制模块所需的监测信息及控制命令，断路器信号继电器回路与传感器模块相连接并传输断路器信号回路的监测信息。\n[0024] 所述的断路器信号继电器回路是指：跳闸压力继电器YJ1、重合闸压力继电器YJ2、合闸压力继电器YJ3、操作压力继电器YJ4，断路器位置辅助开关继电器TWK、HWK。\n[0025] 如图2所示，所述的合闸处理模块包括：依次串联的第一合闸控制接点HZCK1、第二合闸控制接点HZCK2、合闸电流保持继电器HBJ、第一压板LTPh和超时继电器CSJ1以及与第一合闸控制接点HZCK1和第二合闸控制接点HZCK2相并联的第一检测二极管D1和合闸保持继电器接点K-HBJ，其中：合闸电流保持继电器HBJ用于合闸操作的自保持，合闸保持继电器接点K-HBJ分别与控制电源和合闸保持继电器动作线圈TBJ相连，第一压板LTPh用于检修时断开合闸回路。\n[0026] 如图3所示，所述的跳闸处理模块包括：依次串联的第一跳闸控制点TZCK1、第二跳闸控制点TZCK2和跳闸电流保持继电器TBJ、第二压板LTPt和超时继电器CSJ2、与第一跳闸控制点TZCK1和第二跳闸控制点TZCK2相并联的第二检测二极管D2和跳闸保持继电器接点K-TBJ以及与第一跳闸控制点TZCK1相连接的数字跳闸监视器，其中：跳闸电流保持继电器TBJ用于跳闸操作的自保持，第二压板LTPt用于检修时断开跳闸回路。\n[0027] 所述的数字跳闸监视器包括：串联连接的跳闸控制命令继电器TJA、第三压板LTPb和第三检测二极管D3以及连接于跳闸控制命令继电器TJA和第三检测二极管D3两端的串联连接的两个监测继电器SMT。\n[0028] 如图4所示，所述的控制模块包括：信号采集单元、逻辑运算单元和控制单元，其中：信号采集单元与传感器模块及光纤通信模块相连接并将状态信息通过抗干扰处理、将光纤通信模块送来的GOOSE信息解码并提取出变位的控制命令后传输给逻辑运算单元，逻辑运算单元将逻辑运算结果输出控制单元，控制单元将逻辑运算结果编译后分别输出至合闸处理模块、跳闸处理模块和通信模块。\n[0029] 所述的传感器模块包括：断路器信号回路传感器、控制回路传感器和监测回路传感器，\n[0030] 如图2和图3所示，所述的监测回路传感器包括：设置于第一跳闸控制点TZCK1的第三状态传感器IN3、设置于合闸保持继电器接点K-HBJ的第二状态传感器IN2、设置于超时继电器CSJ1的第一状态传感器IN1；以及\n[0031] 设置于数字跳闸监视器的第四、第七和第八状态传感器IN4、IN7和IN8、设置于跳闸保持继电器接点K-TBJ的第五状态传感器IN5以及设置于超时继电器CSJ2的第六状态传感器IN6。\n[0032] 如图6所示，所述的控制回路传感器置于通信模块的继电保护继电器命令回路，包括：与合闸命令继电器接点HZJ相连的第十四状态传感器IN14、与重合闸命令继电器接点CHZJ相连接的第十五状态传感器IN15，及分别与传动继电器接点CDJ1、CDJ2、CDJ3、CDJ4相连接的第十六、第十七、第十八和第十九状态传感器IN16、IN7、IN18、IN19；\n[0033] 如图7所示，所述的信号回路传感器包括：设置于第一至第四断路器信号继电器YJ1、YJ2、YJ3、YJ4的第九状态传感器IN9和设置于第一和第二断路器位置辅助开关继电器TWK和HWK的第十和第十一状态传感器IN10、IN11。\n[0034] 状态传感器的采样值为“1”时，表示该回路有电流通过，即回路连接状况完好。\n[0035] 状态传感器的采样值为“0”时，表示该回路无电流通过，即回路有开路情况。\n[0036] 本系统通过以下方式进行工作：\n[0037] 第一步、控制回路的状态监测\n[0038] 1.1当断路器处于跳位时，手动或遥控合闸前，先发送预置命令，通信模块中的光纤通信接口通过解码获得合闸预置命令。\n[0039] 1.2控制模块中的采集单元提取出合闸预置命令变位、使能的状态，将命令输入到逻辑运算单元，逻辑运算单元通过状态传感器IN10和IN11的状态，判断当前断路器位置：\n如果IN10的采样值为“1”，且IN11的采样值为“0”，表示断路器位置处于跳位，逻辑运算单元通过控制单元驱动保护跳闸传动继电器CDJ1、CDJ2输出保护跳闸传动命令和通过继电器CDJ3、CDJ4检修状态。否则，退出状态监测过程，并给出断路器位置不符的告警信息，申请检修。\n[0040] 1.3继电保护装置装置收到保护跳闸传动命令和检修状态后，驱动保护跳闸命令TJA继电器接点动作。\n[0041] 1.4传感器模块的状态态传感器IN7监测保护接点动作信息，并将采样值传送给控制模块的信号采集单元。如果IN7的采样值为“1”，表明保护跳闸命令继电器TJA回路连接完好，否则，表示TJA到压板LTPb之间的外部连接没有连通。\n[0042] 1.5控制模块中的逻辑运算单元，判断从传动命令发出到收到保护继电器回路传来的(保护跳闸继电器命令)接点动作信息的时间，即从传动命令发出到IN7采样值为“1”的时间，如果超过0.5s(可整定)，则给出当前控制回路断线的告警信息，并闭锁合闸，收回传动继电器，并立即退出控制回路的状态监测，给出告警信息，申请检修。否则，表明当前检测回路连接完好，收回当前传动继电器。\n[0043] 1.6当断路器处于合位时，CPU驱动CSJ1、CSJ2继电器，打开跳合闸控制回路，这时图2中的IN1和图3中的IN6检测到的状态传感器采样值都为“0”(关系“与”)，表明跳合闸操作回路都被CSJ1/CSJ2接点断开，此时的任何启动操作的命令动作都不会造成断路器的跳合闸误操作，否则立即退出控制回路的状态监测，给出告警信息，申请检修。\n[0044] 1.7逻辑运算单元通过控制单元驱动保护跳闸传动继电器CDJ1、CDJ2输出保护跳闸传动命令和通过继电器CDJ3、CDJ4检修状态。\n[0045] 1.8传感器模块的状态态传感器IN7监测保护接点动作信息，并将采样值传送给控制模块的信号采集单元。如果IN7的采样值为“1”，表明保护跳闸命令继电器TJA回路连接完好，否则，表示TJA到压板LTPb之间的外部连接没有连通。\n[0046] 1.9控制模块中的逻辑运算单元，判断从传动命令发出到收到保护继电器回路传来的(保护跳闸继电器命令)接点动作信息的时间，即从传动命令发出到IN7采样值为“1”的时间，如果超过0.5s(可整定)，则给出当前控制回路断线的告警信息，并闭锁合闸，收回传动继电器，并立即退出控制回路的状态监测，给出告警信息，申请检修。否则，表明当前检测回路连接完好，收回当前传动继电器。\n[0047] 1.10同样方法，检测HZJ、CHZJ继电器回路。\n[0048] 第二步、断路器信号回路的状态监测。\n[0049] 2.1控制模块读取状态传感器IN9的采样值，如果传感器的采样值为“1”，则表明当前压力异常，退出检测，否则继续。\n[0050] 2.2控制模块驱动断路器信号回路中压力低禁止跳闸继电器YJ1的检测继电器JCJ1动作。图7所示的电路设计逻辑，保证了当检测继电器(JCJ1)动作时，该路的压力扩展继电器(1YYJ1、1YJJ2)变位动作。如果当前压力继电器正常，则压力扩展继电器动作(1YYJ1、1YJJ2)，检测继电器动作后，压力扩展继电器收回。反之，如果压力继电器动作，则检测继电器动作后，压力扩展继电器的状态由收回状态变成动作状态。\n[0051] 2.3传感器模块(IN9)将断路器信号继电器接点动作信息传送给控制模块。\n[0052] 2.4控制模块中的逻辑运算单元，判断从检测继电器(JCJ1)发出到收到压力扩展继电器接点变位的信息，即IN9采样值从“0”变为“1”的时间，如果超过0.5s(可整定)，则给出当前断路器信号回路断线的告警信息，并闭锁跳合闸命令信号，收回检测继电器，并立即退出断路器信号回路的状态监测，申请检修。否则，表明当前检测回路连接完好，收回当前检测继电器。\n[0053] 2.5同样的方法对YJ2、YJ3、YJ4进行检测。\n[0054] 第三步、断路器操作回路及监测回路自身的状态监测\n[0055] 3.1控制模块检查来自断路器信号接点的断路器辅助开关(TWK，HWK)的状态信号IN10和IN11的采样值，如果当前断路器位置处于跳位(IN10状态为“1”)，如果此时IN11状态为“0”，则进入步骤3.2，否则给出位置信号回路异常告警信号告警信息，并立即退出断路器信号回路的状态监测，申请检修处理；否则请转步骤3.6。\n[0056] 3.2控制模块判断当前传感器模块送来的合闸回路监视信号(IN1的采样值)和跳闸回路监视信号(IN6的采样值)。如果此时IN1的状态为断开(为“0”)，则发出合闸操作回路异常告警信号，并立即退出断路器信号回路的状态监测，申请检修处理。如果或者IN6为1，则发出合闸操作回路断线告警信号，并立即退出断路器信号回路的状态监测，申请检修处理。否则继续。\n[0057] 3.3控制模块驱动合闸回路超时继电器CSJ1打开，防止断路器误合。驱动合闸控制继电器1(HZCK1)动作，合闸控制继电器2(HZCK2)不动作。这时传感器模块获得HZCK1接点动作的状态由“0”变为“1”，表明合闸控制继电器1元件性能完好。否则发出断路器合闸操作回路HZCK1故障告警，并结束检测，等待处理。\n[0058] 3.4控制模块驱动HZCK1返回，驱动HZCK2动作，这时有微小电流通过TWJ、压板、HBJ、流过HZCK2接点，传感器模块获得HZCK2接点动作的状态由“0”变为“1”，表明合闸控制继电器2元件性能完好，且合闸回路完好，此时如果合闸电流保持传感器监测到的状态由“0”变“1”，则表明回路中的二极管被击穿，发出断路器合闸监测回路故障告警，并结束检测，等待处理。否则发出断路器合闸操作回路故障告警，并结束检测，等待处理。\n[0059] 3.5由于当前处于跳位，跳闸操作回路由断路器辅助开关天然断开，不会发生误动现象。其动作过程同3.2～3.4，在此不再赘述。\n[0060] 3.6控制模块检查来自断路器信号接点的断路器辅助开关开入信号(IN10，IN11)，如果当前断路器位置处于合位(IN11状态为“1”)，如果此时IN10状态为“0”，则进入步骤3.7，否则发出位置信号回路异常告警信号，并结束检测，等待处理；否则请转步骤\n3.1。\n[0061] 3.7控制模块判断当前传感器模块送来的合闸回路监视信号和跳闸回路监视信号，即跳位监视(IN10)和合位监视(IN11)状态。如果此时IN11的状态为断开(为“0”)，则发出合闸操作回路异常告警信号，并结束检测，等待处理。如果或者IN10为“1”，则发出合闸操作回路断线告警信号。否则继续。\n[0062] 3.8由于当前处于合位，合闸操作回路由断路器辅助开关天然断开，不会发生误动现象。其动作过程同3.2～3.4，在此不再赘述。这样，不管开关是在跳位还是合位，都能过对合闸操作回路及监测回路自身进行监测。\n[0063] 3.9控制模块驱动驱动TZCK1继电器动作，TZCK2继电器收回，如果这时传感器模块获得TZCK1接点动作的状态由“0”变为“1”，表明跳闸控制继电器1元件性能完好。否则发出断路器跳闸操作回路TZCK1故障告警，并结束检测，等待处理。\n[0064] 3.10由于当前处于合位，跳闸操作回路导通，为了保证跳闸回路的就绪状态不受影响，本方案不通过断开跳闸回路的方式来检测操作回路，而是采用监测继电器回路来变换监测状态。控制模块控制监测继电器(SMT)动作，TZCK2继电器动作，TZCK1继电器收回，如果这时传感器模块获得TZCK2接点动作的状态由“0”变为“1”，表明跳闸控制继电器TZCK2、TBJ、压板等元件性能完好，回路连接正常，此时如果跳闸电流保持传感器监测到的状态由“0”变“1”，则表明回路中的二极管被击穿，发出断路器跳闸监测回路故障告警，并结束检测，等待处理。否则发出断路器跳闸操作回路故障告警，并结束检测，等待处理。\n[0065] 至此，完成一次全景状态监测的全部步骤\n[0066] 这样，不管开关是在跳位还是合位，都能过对控制回路、断路器信号回路、跳合闸操作回路及监测回路自身进行监测。实现了二次回路的全景状态监测。\n[0067] 本装置提供了控制回路、断路器信号回路、断路器操作回路及监测回路自身的二次回路全景状态监测方法，在不改变跳闸回路可靠性的重要前提下，增加了二次回路全景状态监测功能，又大大地简化了操作回路的设计，提高了系统的整体可靠性，为实现保护继电器回路的“状态检修”提供了必要条件，保证了保护装置的安全运行，提高了电力系统供电的可靠性。