繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的研究

宋 柯，何 滔，鄭焯文，童 松，張海翔，呂飛鵬

(1.國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，使電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修技術(shù)有了實(shí)施的基礎(chǔ)。狀態(tài)檢修，即在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測和分析診斷的結(jié)果科學(xué)安排檢修時(shí)間和項(xiàng)目的檢修方式，通常，包含狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)診斷、檢修決策3個(gè)環(huán)節(jié)［1］。目前，架空線路、油浸式變壓器、SF6斷路器等一次設(shè)備已經(jīng)開始按照狀態(tài)檢修的導(dǎo)則要求有序地開展?fàn)顟B(tài)檢修的工作。而繼電保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)最重要的二次設(shè)備之一，對其開展?fàn)顟B(tài)檢修工作可以有效地提高設(shè)備的可用率，降低繼電保護(hù)檢修工作量，提高設(shè)備的管理水平，是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然要求。

近年來，開展繼電保護(hù)裝置狀態(tài)檢修研究的呼聲很高，眾多學(xué)者在理論和實(shí)踐上展開了深入的探索和研究。文獻(xiàn)［1］提出了電氣二次設(shè)備狀態(tài)檢修的研究思路。文獻(xiàn)［2］利用SEL保護(hù)的可編程邏輯功能實(shí)現(xiàn)操作回路監(jiān)視及探討了繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)［3］提出了一種繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［4-6］研究了繼電保護(hù)裝置的最佳檢修周期。

在上述學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，分析了繼電保護(hù)檢修技術(shù)的現(xiàn)狀及技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)，提出了實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的關(guān)鍵技術(shù)，分析了繼電保護(hù)狀態(tài)檢修體系結(jié)構(gòu)，為繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的實(shí)用化作出了一些嘗試。

1 繼電保護(hù)狀態(tài)檢修現(xiàn)狀及難點(diǎn)

目前，繼電保護(hù)檢修仍以定期檢修為主。而這種單純按固定時(shí)間間隔對設(shè)備進(jìn)行檢修，不考慮設(shè)備實(shí)際情況的檢修方式存在很大的強(qiáng)制性和盲目性，造成電氣設(shè)備的可用度下降，以及人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，同時(shí)定期檢修也會在一定程度上影響繼電保護(hù)裝置的使用壽命，過度檢修和檢修不足并存，并且兩次檢修之間出現(xiàn)的保護(hù)故障往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。

隨著微機(jī)保護(hù)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，保護(hù)裝置本身具備了很強(qiáng)的自檢功能，理論上可以實(shí)現(xiàn)對于逆變電源，電流、電壓輸出回路，保護(hù)定值的完整性，保護(hù)的輸出/輸入接點(diǎn)，保護(hù)的數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)的監(jiān)視，以及保護(hù)裝置重要信息的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，這為繼電保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

雖然微機(jī)保護(hù)本身具備了狀態(tài)檢修的實(shí)施基礎(chǔ)，但是除了繼電保護(hù)裝置本身外，還包括交流輸入、直流回路、操作控制回路等。因而對于繼電保護(hù)的狀態(tài)檢修必須作為一個(gè)系統(tǒng)性的問題來考慮，才能使保護(hù)狀態(tài)檢修技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中得到推廣，而這些二次回路是由若干繼電器和電纜組成，點(diǎn)多、分散，對其實(shí)現(xiàn)“無盲點(diǎn)”監(jiān)測具有相當(dāng)?shù)碾y度，導(dǎo)致繼電保護(hù)的狀態(tài)檢修工作難以推進(jìn)。

目前，對這些二次回路的監(jiān)測手段還不多，而近年來由于二次回路的故障造成繼電保護(hù)裝置不正確動作的比例相當(dāng)高。據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)資料顯示［7］，2008年國家電網(wǎng)公司220 kV及以上交流系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置不正確動作18次，其中TA回路絕緣破損1次、電壓測量回路異常1次、保護(hù)裝置內(nèi)部參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤1次、電源插件異常1次。這些缺陷發(fā)生在兩次定期檢修之間，若能通過狀態(tài)監(jiān)測及早發(fā)現(xiàn)，對有效提高繼電保護(hù)正確動作次數(shù)具有極大的幫助。

因此，實(shí)施繼電保護(hù)裝置狀態(tài)檢修應(yīng)完整監(jiān)測:直流系統(tǒng)，包含直流動力、操作及信號回路絕緣良好、回路完整;交流測量系統(tǒng)，包含TV、TA二次回路絕緣良好、回路完整，測量元件的完好;邏輯判斷系統(tǒng)，包含硬件邏輯判斷回路和軟件功能。

2 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.1 保護(hù)二次回路

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可編程邏輯PLC技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。對繼電保護(hù)狀態(tài)的監(jiān)測，這種技術(shù)使過去采取硬件式結(jié)構(gòu)的操作箱回路可通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，有效地通過操作箱的智能化延伸到保護(hù)裝置的自檢范疇內(nèi)。例如美國SEL提供的數(shù)字仿真式繼電保護(hù)平臺基于平臺化技術(shù)，利用可邏輯編程的PLC功能根據(jù)不同的需要靈活、有效地設(shè)計(jì)微機(jī)操作箱，解決了二次回路狀態(tài)檢修的問題，可為實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)完整的狀態(tài)監(jiān)測創(chuàng)造了必要的條件。

但上述技術(shù)適合于在新興的智能變電站中應(yīng)用，若在常規(guī)變電站采用智能化的操作箱，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而降低系統(tǒng)的可靠性，而且應(yīng)用在大量低壓保護(hù)上也不經(jīng)濟(jì)。因此，針對常規(guī)的變電站，提出了遠(yuǎn)程傳動對二次回路進(jìn)行試驗(yàn)的方法來檢測回路的可靠性。

首先，在用電低谷時(shí)，提前向用戶發(fā)出停電通知，然后進(jìn)行遠(yuǎn)程傳動實(shí)驗(yàn)。在監(jiān)測中心對保護(hù)裝置發(fā)送一次遠(yuǎn)程傳動命令后，執(zhí)行一次跳閘-重合閘的操作。整個(gè)過程只需要1～2 s，對用戶和電網(wǎng)的影響不大，可檢驗(yàn)保護(hù)出口到斷路器執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的回路接線是否正確，還順帶檢測了斷路器動作的正確性。

該方法很適合低壓饋電線路，對于不是很重要的負(fù)荷，理論上可以通過使保護(hù)裝置有計(jì)劃性的動作，實(shí)現(xiàn)跳閘-重合閘回路的檢測，從而替代定期檢驗(yàn)，大大降低了檢驗(yàn)的工作量。對于變壓器保護(hù)，如果能夠由站內(nèi)其他變壓器轉(zhuǎn)帶負(fù)荷，也是可以進(jìn)行遠(yuǎn)程傳動試驗(yàn)的。

2.2 斷路器狀態(tài)的監(jiān)測

從實(shí)現(xiàn)保護(hù)的意義來講，作為電力系統(tǒng)重要一次設(shè)備的斷路器是繼電保護(hù)裝置在一次設(shè)備的延伸。因此，對斷路器跳閘接點(diǎn)的有效監(jiān)視是繼電保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)之一。

常用的方法是檢驗(yàn)常開、常閉輔助接點(diǎn)(52A、52B)，正常情況下52A和52B的狀態(tài)是相反的，如果狀態(tài)相同，就表明斷路器很有可能處于異常狀態(tài)，應(yīng)在一定延時(shí)后予以報(bào)警。具體情況如下:若52A和52B同時(shí)閉合，則表明:①二次回路或輔助接點(diǎn)有缺陷;②斷路器有缺陷。若52A和52B同時(shí)斷開，則表明①二次回路或輔助接點(diǎn)有缺陷;②斷路器處于隔離狀態(tài);③斷路器有缺陷。

一般斷路器檢修需要確保操作動作機(jī)構(gòu)正常，跳合閘回路正確，斷路器的遮斷容量滿足系統(tǒng)要求，這種定期檢修方式只能給予斷路器大致的維修指導(dǎo)，而保護(hù)記錄了斷路器每次動作的情況，可為更精確地評估斷路器的狀態(tài)提供參考信息。

2.3 TV、TA的監(jiān)測

電壓回路的監(jiān)視一般由3個(gè)環(huán)節(jié)組成，如圖1所示。

1)單相或兩相電壓失卻:若在檢測零序電壓時(shí)，零序和負(fù)序電流為0，則表明電壓回路有故障。

2)帶負(fù)荷時(shí)三相電壓失卻:在此情況下無法檢測到零序電壓，因而不能啟動電壓回路監(jiān)測功能，一般根據(jù)電流的變化量來啟動電壓回路監(jiān)測功能。

3)線路充電時(shí)三相電壓失卻:此情況的發(fā)生一般由兩個(gè)原因引起，一是近區(qū)故障，二是TV回路有故障，前者需要加速跳閘，后者需要閉鎖保護(hù)。

圖1 電壓回路監(jiān)視示意圖

電流回路的監(jiān)視示意圖如圖2所示。

圖2 電流回路監(jiān)視示意圖

一般地，若在無零序電壓的情況下監(jiān)測到零序電流，則表明電流回路異常。另外，由于電壓互感器的聯(lián)接需要反映一次側(cè)的零序電壓，所以變壓器必須是一次側(cè)接地或三相5柱式，采用瞬間閉鎖、延時(shí)警告的邏輯。

2.4 收集繼電保護(hù)裝置信息

為了科學(xué)、全面地對繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)進(jìn)行評估，合理地制定檢修策略，除了在線監(jiān)測到的保護(hù)裝置狀態(tài)信息，對于繼電保護(hù)設(shè)備的基礎(chǔ)資料信息收集也是必不可少。

繼電保護(hù)的基礎(chǔ)資料主要由原始資料、檢修資料及遺傳缺陷資料組成。原始資料包含出廠資料(如設(shè)備參數(shù)、技術(shù)說明書、出廠試驗(yàn)報(bào)告等)、技術(shù)協(xié)議、安裝記錄、相關(guān)會議紀(jì)要、驗(yàn)收報(bào)告等;檢修資料包含巡檢記錄、例行試驗(yàn)報(bào)告、消缺記錄、診斷性試驗(yàn)報(bào)告等;遺傳缺陷資料包含家族式缺陷(如保護(hù)裝置的液晶顯示屏、開關(guān)電源等在設(shè)備運(yùn)行后同一時(shí)間發(fā)生故障)、歷年缺陷及異常記錄、歷次狀態(tài)評價(jià)報(bào)告等。

廣泛、完整地收集繼電保護(hù)的基本資料是對其開展?fàn)顟B(tài)檢修工作的重點(diǎn)也是難點(diǎn)之一，只有建立了健全的基礎(chǔ)資料后才能對繼電保護(hù)裝置的狀況進(jìn)行全面有效的評估。

3 繼電保護(hù)狀態(tài)檢修系統(tǒng)

繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的關(guān)鍵在于有效地發(fā)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的異常，及時(shí)消除保護(hù)裝置或回路的缺陷，因此，良好的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)是保護(hù)狀態(tài)檢修的首要環(huán)節(jié)，繼電保護(hù)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

保護(hù)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)基本由3部分組成:①信息采集系統(tǒng);②信息分析系統(tǒng);③信息傳輸系統(tǒng)。信息采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置、跳閘線圈、相關(guān)回路等關(guān)鍵信息的采集，這些是繼電保護(hù)狀態(tài)檢修系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ);信息分析系統(tǒng)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，如保護(hù)定值的管理、保護(hù)自檢報(bào)警、保護(hù)動作報(bào)警等;信息傳輸系統(tǒng)一般采用光纖作為媒介，增加其抗干擾能力。

在獲取了繼電保護(hù)狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，后臺分析系統(tǒng)利用專家?guī)斓闹R和經(jīng)驗(yàn)，模擬專家的思維決策對信息進(jìn)行推理判斷，判斷設(shè)備是否故障及確定故障的位置、性質(zhì)，并得出檢修結(jié)論。保護(hù)狀態(tài)檢修后臺分析系統(tǒng)從功能上一般分為基本應(yīng)用功能和高級應(yīng)用功能，如圖4所示。

圖4 保護(hù)狀態(tài)檢修后臺分析系統(tǒng)

繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的工作流程如圖5所示，主要分為報(bào)警信息處理機(jī)制和專家分析系統(tǒng)。

從圖5可看出，保護(hù)狀態(tài)檢修系統(tǒng)先根據(jù)報(bào)警信息類型將實(shí)時(shí)信息進(jìn)行分類，再結(jié)合歷史信息和設(shè)備運(yùn)行情況，對保護(hù)的健康水平進(jìn)行綜合評價(jià)，判斷設(shè)備是否處于異常狀態(tài)。而專家分析系統(tǒng)根據(jù)繼電保護(hù)裝置的報(bào)警信息，利用推理原則進(jìn)行推理分析，同時(shí)，結(jié)合運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)判斷來診斷保護(hù)裝置可能的異常。

圖5 保護(hù)狀態(tài)檢修系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)論

繼電保護(hù)裝置狀態(tài)檢修的應(yīng)用正方興未艾，在介紹了繼電保護(hù)檢修技術(shù)現(xiàn)狀及狀態(tài)檢修技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的關(guān)鍵技術(shù)，分析了繼電保護(hù)狀態(tài)檢修系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能組成，為繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的實(shí)用化作出了一些嘗試，希望能起到拋磚引玉的作用，促進(jìn)繼電保護(hù)裝置狀態(tài)檢修早日實(shí)施。

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