压板状态在线监测的研究

斛冬冬 ,王志文 ,温会文 ,寇大鹏 ,丁宁 ,张峥

摘要：针对继电保护装置中压板位置很容易与正常状态不相符的现象，对压板状态在线监测技术进行了研究；同时提出并设计了压板状态在线监测装置。研究表明，压板状态在线监测技术主要包含压板下口电位采集和分析。此外，本研究从硬件设计、软件设计以及通信设计等3方面对压板状态在线监测装置进行了研制。本研究不仅可以极大的减轻运维人员对压板状态周期巡视的压力，还可以消除了变电站运维中的一大隐患，进一步提高了电力系统的可靠性。

1. 绪论

继电保护装置作为变电站重要的设备，其安全运行与否影响着整个变电站的安全运行。由于继电保护装置非常重要，在其跳闸回路上，一般都设置有二次压板。该压板是一个可见的断开点，方便运行人员判断继电保护装置的跳闸回路是否连通，也为检修提供了方便。但同时，由于这些二次压板的存在，每次都须人工去进行操作，这个过程中完全依赖人员的技术水平、细心程度等人为因素，因此存在发生误操作的可能。在一些大型的操作、作业时，由于涉及的保护屏柜和压板数量多，在目前变电站少人、无人化的模式下，参与的工作人员人数少，不可避免地存在发生错误的几率，造成压板位置与正常状态不相符的现象，从而给一些事故埋下了隐患[1-2]。在目前人员精简的情况下，采用一些技术手段实现压板状态的实时识别，并通过无线组网的形式上送集控后台实现压板状态的实时检测，杜绝继电保护二次压板状态核对不到位的错误具有重要的意义。

二次压板状态核对不到位主要有以下两种情况：（1）压板实际投/退状态与运行要求不符；（2）投入的压板压接不到位造成虚接。随着二次系统防误的发展，为了得到压板的状态，不少厂家纷纷开发研制了新型产品或是提出了一些检测压板状态的方法，目前主要有以下几种压板状态检测原理：

(1) 检测重动继电器触点状态。压板固定在投入状态，用RTU控制重动继电器，将重动继电器的常开触点串入压板回路，并由RTU检测重动继电器触点的开合状态，达到远方遥控压板投退及检测压板投退状态的目的。该方法重点在于解决远方压板的投退，间接解决了这种方式下压板投退状态的检测，该方法存在成本高且不完善的缺点(无法知道压板在退出位置)。

(2) 图像识别法。在变电站继保室安装摄像机，实时拍摄保护测控屏上的压板．并将压板图片上传给上位机压板图像处理系统。上位机压板图像处理系统数据库预存保护压板的状态．通过图像识别技术将实时上传的压板图像与数据库中预存的压板状态进行比较，从而实现压板投退状态的检测。该方法需要移动摄像机．而且必须保证有足够的光线强度；另外，对于某些保护屏，由于压板数量多，安装位置偏屏体低端，当屏门关上时摄像机拍不到部分压板的状态，更为重要的是该方法无法识别压板虚接的情况，所以在推广方面有比较大的局限性。

(3) 非电量原理。根据当进行压板投退操作时内部机械部件有一定位移的特性，采用非电量接触技术将位置的变化转换成对应的电量或开关量信号，微处理器通过对电量或开关量信号的变化来判断压板是在投位置或退位置。目前已有利用磁铁+干簧继电器进行位置到开关量的转换、利用导光板+遮光涂层进行光电检测压板位置等应用案例，但是,这些方案都要对原保护测控屏上的压板进行整体更换，拆除原压板，更换为带状态检测功能的智能压板，改造过程涉及二次线的变动，改造完成要重新传动、验收，有一定安全隐患，而且变电站停电难以协调也是个大问题，同时该类方法也无法检测投入压板虚接的情况。

分析已有的压板状态监测原理，均有各自的优缺点，尤其是对于压板虚接的情况，上述方案均无法有效检测。本项目采集压板下口的电位，依据压板下口的电位情况判断出压板的当前状态。

2. 压板状态在线监测技术研究

2.1 压板下口电位分析

对于出口压板，压板上口连接外部线圈回路，压板下口连接保护装置，如下图所示：

图1

压板下口处的电位有以下几种状态：

1. 压板退出状态，负电平会经过外部线圈在压板上口处形成负电平，而压板下口由于与正电平、负电平均未构成通路，此时压板下口无电压；
2. 压板投入、继电保护没有动作时，负电平会经过外部线圈在压板上、下口处均形成负电平；
3. 压板投入、继电保护动作时，继电保护输出的正电压会在压板下口、上口处均形成正电平；

根据上面的分析可知，通过采集压板下口处的电位即可得到压板是否投入的情况、以及继电保护是否动作的状态。

2.2 压板下口电位采集方案

我站的二次系统中，图1中的负电平为-57V、正电平为+57V，所以压板下口电位在（-57V~+57V）之间，所以电位采集通道要能包含该电压范围；

压板下口电位采集装置采用集中式采集，每个装置采集所在屏柜上所有压板下口的电位情况，如下图：

压板下口电位采集装置不应显著降低下口对地的绝缘水平，为了满足二次在线绝缘监控系统的要求，所有压板下口电位采集通道引入的综合对地阻抗必须大于1MΩ；

综合上面的要求与限制，下口电位采集的原理图如下：

该方案有以下几个特点：

1. 所有压板信号同时接入采集装置，装置内部通过选择开关逐个选通各压板信号进行采集，没有选通的通道、采集装置的输入阻抗是无穷大，该方案避免了随着采集通道的增加、由采集装置引起二次绝缘程度下降的问题；
2. 采用高输入阻抗（大于10MΩ）的差动放大电路（放大倍数为0.01）对压板下口电位进行处理，尽可能的减小装置引入的泄露电流（小于0.1mA）；
3. 采用线性隔离器件隔离前端信号处理电路与后端信号转换、数字处理电路，尽可能减小采样装置对现场二次系统造成的影响；
4. 采用16为的模数转换器件，可以在 （-220V~220V）的范围内，达到0.2级采样精度。

3. 压板状态在线监测装置研制

3.1 硬件设计

设备的硬件框图如下：

压板信号输入切换及切换译码模块电路如下图：

选择开关采用 AQW210A 开关芯片，该芯片输入控制端与输出开关端，隔离电压达到1500V，开关端切断电压最高为350V。使用SN74HC154实现4->16译码逻辑，任意时刻只会输出一路有效信号，也即只有一路输入信号被选通。

差动放大部分的电路如下：

使用信号差动输入无需各压板的参考电平接地或共地，且可设置较大的输入阻抗（本系统为10M欧），信号放大比例为0.01，则（-220V~220V）范围内的压板信号经过差动放大后范围为（-2.2V~2.2V）；核心运放芯片选用AD8676，该芯片具有超低失调、漂移和电压噪声，而且输入偏置电流在整个工作温度范围内均非常低。

线性隔离部分电路如下：

线性隔离器件使用ISO122芯片，该芯片输入输出电气隔离，隔离电压达到1500Vrms，且具有非常好的线性度，非线性失真小于0.02%。

系统电源部分如下：

±15V_A 用于给线性隔离器前级供电，±15V_B 用于给线性隔离器后端的电路供电，两者在电气上完全隔离。

所用隔离电源模块为WRE2415S-1WR2，其电源隔离能力达到3kV DC，这种设计可以让在线监测装置对压板二次系统的影响降到最低（仅其中的±15V_A电源系统与二次信号间有电气连接，阻抗为10MΩ）。

3.3 通信方式

压板状态在线监测装置通过无线网络与后台云服务器进行通信，后台云服务器实时监测、记录压板状态信息，任何授权的、可访问云服务器的终端，均可查看压板的状态。

4. 应用前景

本研究不仅可以极大的减轻运维人员对压板状态周期巡视的压力，还可以将压板虚接的问题直观的反映出来，消除了变电站运维中的一大隐患，进一步提高了电力系统的可靠性。而且还能监视压板是否有开出信号，能够有效避免压板带开出信号投入，避免误投压板引起的保护误动情况。在减轻运维人员压力方面和提高电力系统可靠性方面有明显的经济效益和社会效益。

成果推广范围不仅包括换流站，一般的变电站通过简单的参数修改都可适用，具备广泛的推广空间。

参考文献

[1] 吉瑞. 变电站压板在线状态监测系统的应用[J]. 电力安全 技术, 2016, (2): 31-33.

[2] 高元生, 陈强, 熊小伏, 周岐杰, 郑昌圣. 继电保护压板的智能校核方法[J]. 重庆大学学报, 2015, (6): 91-98.

[3] 李然, 金元元, 钟丽波, 周洋. 变电站硬压板状态在线监测功能研究[J]. 东北电力技术, 2015, (8): 54-56.

[4] 杨俊哲, 彭国俊 . 变电站保护压板远程监控系统的应用 [J]. 内蒙古电力技术, 2016, (6): 56-60.

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[6] 罗 斌等.变电站二次压板状态在线监测系统. 智能电网. 2019.03.011.