一种换流站断路器电寿命预测及健康状态在线监测装置技术领域
本发明涉及直流输电设备技术领域，尤其是涉及一种换流站断路器电寿命预测及
健康状态在线监测装置。
背景技术
直流输电在我国“西电东送、北电南供”、落实国家大气污染防治、支撑国家能源消
耗强度降低等发展战略方面具有十分重要的作用。根据换流理论，直流输电系统中无论是
整流站还是逆变站，换流器都会产生大量谐波，吸收大量无功(约占直流传输容量的40％-
60％)。因此，换流站装设了大量的交流滤波器，根据直流输送功率的变化作频繁投切，以保
持系统无功平衡并消除谐波。所以，与传统变电站相比，换流站交流滤波器断路器的动作次
数大大增加，这就使得断路器的寿命周期缩短、故障率增加。加强交流滤波器断路器的健康
状态在线监测、诊断和寿命预测，及时给出预警，对避免此类事故的发生十分必要。截至目
前，未见国内对换流站交流滤波器断路器电寿命预测及健康状态在线监测装置的研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种换流站断路器
电寿命预测及健康状态在线监测装置。本专利提出一种断路器电寿命预测及健康状态在线
监测装置，本专利的实现可以方便运检人员实时掌握断路器当前的健康状态和寿命预期，
从而为合理安排检修工作、提高状态检修质量以确保系统安全稳定运行提供可靠的依据。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种换流站断路器电寿命预测及健康状态在线监测装置，用以对换流站交流滤波
器断路器进行电寿命预测和健康状态在线监测，所述的装置包括模拟量输入模块、同步采
集模块、数据处理模块和数据输出模块，所述的模拟量输入模块、同步采集模块、数据处理
模块和数据输出模块依次连接；
所述的模拟量输入模块采集流经断路器的电流信号、母线电压信号和开关状态信
号，并将电气量信号转换成模拟量信号，所述的同步采集模块接收模拟量输入模块的模拟
量信号，并对模拟量信号的数据打包，所述的数据处理模块接收同步采样模块的打包数据，
通过数据输出模块进行数据存储、导出和显示，同时所述的数据处理模块还根据采集的数
据进行断路器剩余寿命计算。
所述的数据处理模块包括实时监测单元、时间记录单元、自检单元、参数配置和对
外通信单元，所述的实时检测单元监测断路器的模拟量信号矢量图、开关量状态和谐波状
态。
所述的数据处理模块进行断路器剩余寿命预测的具体步骤为：
所述的数据处理模块通过USB数据总线访问同步采集模块中的数据，在每次有断
路器开合动作时，将故障数据写入数据库中，并完成启动量的计算，从故障数据中提取反映
断路器运行状态的特征参数，结合交流滤波器断路器的寿命评估模型计算断路器剩余寿命
和对断路器健康状态进行评估。
所述的交流滤波器断路器的寿命评估模型为：
应用交流滤波器断路器健康指数的随机模糊分布函数，将求取交流滤波器断路器
在给定健康指数下的最大寿命转化为求取随机模糊变量的关键值问题，通过随机模糊模拟
算法得到交流滤波器断路器的寿命：
交流滤波器断路器的健康指数HI(t)和运行时间t服从随机模糊分布函数，其函数
表达式如下：
HI(t)＝a+b·ect
上式中，a为模糊变量，b和c均为常数，且存在b<0，c>0；
交流滤波器断路器在运行期间，其健康指数HI(t)允许降低到最小值HIL之前，能
保持的最大运行时间设为T，则存在：
HI(t)＝a+b·ect≥HIL
由于b<0，整理后，得到：
由于c>0，整理后，可得：
由于a为模糊变量，易知，上式右端是一个模糊变量，而模糊变量是一种特殊的随
机模糊变量，因此，求上式中最大运行时间T可转化为求随机模糊变量在置信水平α、β下的
乐观值使其满足：
上式即为基于随机模糊理论的交流滤波器断路器的寿命评估模型，通过求解模型
可得到交流滤波器断路器的寿命完成交流滤波器断路器剩余寿命的评估。
所述的断路器剩余寿命以断路器触头的电磨损程度为依据。
所述的装置还包括GPS对时模块，所述的GPS对时模块连接同步采集模块，所述的
GPS对时模块接收卫星信号，为采集数据提供统一的同步时钟。
同步采集模块与数据处理模之间采用USB进行数据通信。
所述的装置的数据输出模块包括固态硬盘和显示屏。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)实时检测：方便运检人员实时掌握断路器当前的健康状态和寿命预期，合理安
排检修工作；
2)计算精确：GPS对时模块为装置采集数据提供统一的同步时钟，确保计算结果准
确，系统安全稳定运行；
3)操作方便：电寿命的评估算法就是针对触头的电磨损进行计算，无需对断路器
进行解体即可掌握触头磨损情况。
附图说明
图1为本发明电气接线图；
图2为本发明硬件结构图；
图3为本发明录波数据分段记录图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发
明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实
施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
断路器的电寿命是断路器状态检测的一个重要内容，尤其是换流站滤波器断路器
动作频繁，对断路器电寿命的预估更为重要。影响断路器电寿命的主要因素是电磨损，包括
灭弧室、灭弧介质、触头三方面，起决定性作用的是触头的电磨损。断路器触头电磨损是影
响断路器电寿命的重要因素，触头的电磨损取决于开断电流(电弧电流)和燃弧时间。电寿
命的评估算法就是针对触头的电磨损进行计算，无需对断路器进行解体即可掌握触头磨损
情况。
本发明通过采集交流滤波器断路器的电压、电流信号和开关状态信号，在有开关
动作时，记录电流和开关量数据，从故障数据中提取反映断路器运行状态的特征参数，并结
合交流滤波器断路器的寿命评估模型对断路器健康状态进行评估，并计算断路器剩余寿
命，对隐患及时进行预警。装置同时还具备健康状态预警、实时监测、远方监控、数据分析等
功能。
1)硬件技术方案
本专利采用嵌入式硬件架构，包括高精度电压、电流输入传感器，同步采集模块，
GPS对时模块，数据处理模块、固态硬盘和显示屏；
电压、电流输入模块，对流经断路器的电流信号和母线电压信号进行转换，并在电
气上和输入模拟信号信号隔离，电气接线图如图1所示，换流站断路器电寿命预测及健康状
态在线监测装置分别与断路器的电流互感器和母线连接；
同步采集模块，用于采集经互感器输入模块处理过的模拟信号，将采集的数据汇
总后放在USB数据总线上，供数据处理模块读取；
数据处理模块，通过USB数据总线访问同步采集模块，接收同步采集模块汇总的数
据，在每次有断路器开合动作时，将故障数据写入数据库中，并自动进行断路器触头电寿命
分析和健康状态的评估，给出分析报告；
固态硬盘，用于存储断路器故障数据供数据处理模块使用；
显示屏，用于人机交互。
2)算法方案
本专利从健康状态的角度对交流滤波器断路器剩余寿命进行评估,针对高压断路
器寿命评估中影响参数的随机模糊双重不确定性，应用不确定理论进行处理,得到高压断
路器健康指数的随机模糊分布函数，将高压断路器在给定健康指数下的最大寿命转化为求
取随机模糊变量的关键值问题，通过随机模糊模拟算法得到高压断路器的寿命，实现对高
压断路器剩余寿命评估的研究。
1、硬件方案
装置采用嵌入式硬件架构，以工业级嵌入式主板为核心，同步数据采集卡配合，共
同完成数据采集、启动量的计算、数据记录及分析。输入信号包括断路器电流信号、母线电
压、断路器节点位置信号，输入信号经传感器传变后，由同步数据采集卡完成数据采集，主
板经由USB总线读取采集数据，放入数据缓冲区。主板除了完成通信和数据分析处理外，还
负责人机交互，告警指示，外部按键信号处理，以及USB接口管理等工作。实现的框图如附图
2所示。
模拟量输入模块主要对电气量进行信号转换，并在电气上和输入信号隔离，信号
输入采用差分方式，可将共模噪声抑制到最小。电压信号采用微型电压互感器，具有漏磁
小、损耗低、精度高、相位误差小的特点。电流信号采用无源电流互感器，用于将暂态故障电
流信号准确变换为适用于弱电回路的信号，故障波形传变真实，具有良好的暂态特性。
同步采集模块主要完成模拟信号的采集和数据打包，同步采集模块接受数据处理
模块启动采集的命令，把采集的通道数与采样频率，时钟方式等信息立即传送到CPLD，CPLD
接受到这些信息后，立即实时地启动采集功能，并按照采样频率的要求，准确地定时启动采
集，并定时将信息传送到USB芯片内部的FIFO中，然后通过USB桥传送到数据处理模块，数据
处理模块的驱动程序接收到该数据后，将数据进行打包处理。
GPS对时模块主要包括FPGA、CPU和OCXO，为采集数据提供统一的同步时钟。用于接
收1PPS、IRIG-B、串行时间报文，利用输入时间信号驯服本地时钟，生成高精度的1PPS、
IRIG-B(DC)、10kHz基准时钟信号、1MHz基准时钟信号。卫星信号消失后，能够精确守时；卫
星信号恢复后，能够自动切换到GPS对时方式。利用输入时间信号驯服本地时钟，再通过
FPGA的逻辑运算输出高精度的时间频率信号。
数据处理模块的硬件是一块嵌入式工业主板，包含CPU和各种接口，安装有操作系
统，完成数据的分析、管理、通信等功能。它负责接收同步采样模块传来的数据放入数据缓
冲区，并负责完成启动量的计算和故障数据记录、并从故障数据中提取反映断路器运行状
态的特征参数，并结合交流滤波器断路器的寿命评估模型对断路器健康状态进行评估，并
计算断路器剩余寿命。本模块还具备触摸屏，通过LVDS接口实现人机界面交互。数据处理模
块内设置实时监测模块、时间记录模块、自检模块、参数配置和对外通信模块，设置固态硬
盘，存储数据，实时监测模块、时间记录模块、自检模块、参数配置和对外通信模块，这些模
块按照任务线程划分，线程间通讯通过共享内存，发信号实现。此主板是基于945GSE
+ICH7M芯片组开发的符合PICMG1.0规范的PCI总线半长卡。板载N270CPU，1根DDRⅡ
SO-DIMM内存插槽，最大支持2GB内存；支持VGA/LVDS双显示，LVDS支持18bit液晶屏；1个(或
2个)10/100/1000Mbps以太网控制器；2个SATA硬盘接口；1个Type I/II Compact Flash接
口；6个USB2.0高速接口；1个4位输入4位输出的数字I/O接口；4个RS-232串口，其中1个支持
RS-485；1个PS/2键盘鼠标接口；看门狗定时器；支持板载1×4Pin的AT电源接口供电，也可
通过底板ATX供电。
2、软件功能
i.录波启动方式：
开关量变位；相电压/电流突变；相电流、零序电流越限；电压/电流负序越限；电压
零序突变和零序越限。
ii.数据记录方式
录波数据采用分段记录方式，如图3所示：
A时段：输出原始记录波形，记录时间5～50周波；
B时段：输出每一个周波的工频有效值及直流分量值，记录时间15～1000周波；
C时段：输出连续的各通道每周波的有效值，记录时间50～3000周波；
D时段：每0.1秒输出一个各通道有效值，记录时间200～30000周波。
iii.实时监测
实时监测断路器各电气量的运行状态：
包括模拟量监测；矢量图监测；开关量监测；谐波监测。
iv.数据管理及分析
将录波数据写入数据库中，在每次有断路器开合动作时，自动进行断路器触头电
寿命分析，给出分析报告。
v.对外通信
通信协议支持智能变电站通讯标准IEC 61850，通讯协议符合IEC 61850-8；同时
支持电力行业通讯标准DL/T667-1999(IEC60870-5-103)。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替
换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利
要求的保护范围为准。