牽引變電所二次設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)的研究

張永政，張毓格，陳雙

(1.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000;2.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610041;3.四川省電力公司建設(shè)管理中心，四川 成都 610021)

1 引言

二次設(shè)備作為牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要防線之一，在保障牽引供電系統(tǒng)安全中的地位是不可忽視的。二次設(shè)備自身的異?；蚬收峡赡軙?dǎo)致牽引供電一次系統(tǒng)錯誤的運(yùn)行，從而帶來不可想象的損失。因此，為了提前預(yù)知事故的發(fā)生，需要建立牽引變電所二次設(shè)備的故障預(yù)警系統(tǒng)。本文對牽引變電所二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)存在的問題，并進(jìn)行了牽引變電所二次設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)。

2 牽引變電所二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

2.1 牽引變電所二次設(shè)備狀態(tài)

牽引變電所二次設(shè)備主要包括互感器、繼電保護(hù)、自動裝置、故障錄波、就地監(jiān)控和遠(yuǎn)動等［1］。針對此類設(shè)備故障處理目前存在兩個(gè)問題:①故障發(fā)生后才能處理;②大多數(shù)情況下難以明確或追蹤故障的真正原因。那么，提前發(fā)現(xiàn)二次設(shè)備故障并進(jìn)行故障預(yù)警就顯得尤為重要了。

設(shè)備的故障產(chǎn)生、發(fā)展必然要經(jīng)歷一個(gè)時(shí)間的過程，有時(shí)看似偶然的故障，也必然有其內(nèi)在的規(guī)律性。電氣設(shè)備從安全到失效的演變過程如圖1所示，包括安全、早期故障、隱藏故障和失效四種狀態(tài)，其中早期故障指的是故障的初期，而隱藏故障指的是已經(jīng)發(fā)生卻未被發(fā)現(xiàn)的故障［2］。

圖1 電氣設(shè)備健康狀態(tài)演變過程示意圖

2.2 當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

目前，牽引變電所中還沒有故障預(yù)警系統(tǒng)，但部分牽引供電二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是存在的，其技術(shù)大多與電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是一致的，主要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行:

(1)微機(jī)保護(hù)自檢

微機(jī)保護(hù)裝置的自檢功能，可以使保護(hù)裝置在運(yùn)行和調(diào)試的過程中，能夠發(fā)現(xiàn)自身的問題，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，以便在最短的時(shí)間內(nèi)采取相應(yīng)的措施予以修復(fù)。微機(jī)保護(hù)裝置的自檢功能可以發(fā)現(xiàn)故障并定位故障，通常檢測的主要內(nèi)容是CPU、IPO接口、存儲器(EPROM、RAM)、輸入通道(A/D轉(zhuǎn)換回路、開關(guān)量輸入)、輸出通道(開關(guān)量輸出)、開關(guān)及插件的接觸情況等［3］。一般采用比較法、校驗(yàn)法、編碼法、監(jiān)視定時(shí)器法、特征字法等故障測試的方法，對保護(hù)裝置可通過加載診斷程序，自動地測試每臺設(shè)備和部件［4］。

(2)二次回路狀態(tài)監(jiān)測

雖然，繼電保護(hù)裝置具備自檢功能，但作為牽引供電系統(tǒng)安全屏障的繼電保護(hù)除裝置本身以外，還包括交流輸入、直流回路、操作控制回路等環(huán)節(jié)，即二次回路，在不增加新的投入的情況下，可以充分利用現(xiàn)有的測量手段對其進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括CT、PT的斷線檢測、直流回路絕緣監(jiān)測、二次保險(xiǎn)熔斷報(bào)警等［5］。

(3)絕緣性能監(jiān)測

絕緣性能下降可以引起二次設(shè)備故障，因此，對二次設(shè)備的絕緣參量進(jìn)行監(jiān)測是十分必要的，主要測量方法有介質(zhì)損耗因數(shù)的測量，該方法可以用于電流、電壓互感器設(shè)備的監(jiān)測。

(4)溫度的監(jiān)測

電氣設(shè)備出現(xiàn)故障就會導(dǎo)致電氣量發(fā)生變化，電氣量的改變經(jīng)常會使設(shè)備某部分出現(xiàn)溫度的改變，通過對溫度的監(jiān)測，可以反映很多設(shè)備的故障。該方法主要用在觸頭溫度的監(jiān)測中。

2.3 存在的問題

牽引供電系統(tǒng)二次設(shè)備故障預(yù)警的研究主要集中在互感器、繼電保護(hù)等單一失效模式的預(yù)測上，一般采用在線監(jiān)測的手段，結(jié)合設(shè)備的歷史狀況和運(yùn)行條件，根據(jù)設(shè)備所處的客觀狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)故障征兆，進(jìn)行預(yù)警。

但目前對于牽引變電所二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的方法存在以下的幾個(gè)問題:①保護(hù)自檢功能不能檢測所有類型的故障;②沒有考慮故障間的耦合關(guān)系，可能造成對設(shè)備健康狀態(tài)的誤判;③設(shè)備健康評價(jià)所依據(jù)的測量信息單一;④大多監(jiān)測只利用設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行值，未考慮設(shè)備的歷史檢測數(shù)據(jù)和本身特性(如出廠試驗(yàn)值)，缺乏對設(shè)備狀態(tài)的全面把握。

3 二次設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)框架研究

通過研究對牽引變電所二次設(shè)備的故障預(yù)警，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)并獲取與設(shè)備屬性相關(guān)的特征參數(shù)，借助智能的算法，就可以實(shí)時(shí)的跟蹤設(shè)備狀態(tài)，降低故障發(fā)生的概率和風(fēng)險(xiǎn)，減少損失。

3.1 基本框架設(shè)計(jì)

在現(xiàn)場牽引變電所中，實(shí)時(shí)收集已有綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)線、饋線的RTU、FTU數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)收集保護(hù)動作信息，在關(guān)鍵元件(互感器、饋線)加裝在線監(jiān)測裝置，在線路接頭處加裝絕緣、溫度監(jiān)測裝置，形成對牽引變電所的全面狀態(tài)監(jiān)測，通過收集實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)，分析處理實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，對二次設(shè)備出現(xiàn)的隱藏故障進(jìn)行報(bào)警，形成牽引變電所二次設(shè)備的故障預(yù)警系統(tǒng)。

高速鐵路牽引變電所二次設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)涉及多方面的理論與技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、故障特征提取技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)評估技術(shù)、故障預(yù)警技術(shù)以及保障維護(hù)決策技術(shù)，完整框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2 各部分具體研究內(nèi)容

(1)多信息源數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

對牽引變電所二次設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)警，需要考慮來自多方面的信息數(shù)據(jù)，應(yīng)重點(diǎn)研究來自綜合自動化系統(tǒng)、故障錄波裝置、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析來自研究對象自身及其相鄰的設(shè)備信息、斷路器動作信息、保護(hù)配置信息、二次回路測量信息等(主要分析電氣量U、I和開關(guān)量);研究新增的傳感器監(jiān)測信息，如斷路器觸頭溫度、互感器介質(zhì)損耗信息等。通過對以上的多信息源數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)分析其特征，研究利用這些連續(xù)或離散的，空間與時(shí)間相結(jié)合的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)分層的原則，建立故障預(yù)警及故障診斷的數(shù)據(jù)模型，多信息源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 牽引變電所二次設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)示意圖

圖3 多信息源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

(2)設(shè)備狀態(tài)評估技術(shù)

對牽引變電所二次設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行定義，分析其從安全運(yùn)行到隱藏故障再到失效的運(yùn)行機(jī)理，建立二次設(shè)備的狀態(tài)評估理論體系，并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。該狀態(tài)評估體系包括各項(xiàng)數(shù)據(jù)的指標(biāo)權(quán)重、設(shè)備權(quán)重、評估算法、設(shè)備的評估分級等，以此對二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面的評估，如圖4所示。

圖4 二次設(shè)備狀態(tài)評估體系示意圖

牽引變電所中有許多的二次設(shè)備構(gòu)成，因此可以采用分層的思想進(jìn)行狀態(tài)評估:第一層研究單個(gè)二次設(shè)備的狀態(tài)評估;第二層研究由單個(gè)設(shè)備組成的牽引變電所系統(tǒng)的狀態(tài)評估，具體的評估方法可以采用模糊判據(jù)［6］。

(3)故障預(yù)警技術(shù)

牽引變電所二次設(shè)備故障預(yù)警技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)該是隱藏故障的預(yù)警問題，針對隱藏故障的識別，可以采用對比分析設(shè)備本身及與之相關(guān)聯(lián)的設(shè)備所形成的關(guān)系，比如互感器的隱藏故障識別可以根據(jù)基爾霍夫電流、電壓定律對各支路CT、PT二次側(cè)電流之間的制約關(guān)系來判斷;繼電保護(hù)的隱藏故障，可以通過分析相鄰線路之間電氣量的關(guān)聯(lián)以及保護(hù)動作之間的配合來判斷。同時(shí)，對于隱藏故障預(yù)警問題的研究應(yīng)該結(jié)合設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，研究設(shè)備性能衰退的判斷方法。

(4)保障維護(hù)決策技術(shù)

定期對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)可以提高牽引變電所二次設(shè)備的性能，延長設(shè)備的使用壽命，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵的作用。通過對設(shè)備實(shí)行狀態(tài)檢修，在需要維修的時(shí)候進(jìn)行維修，可以有效的降低成本，但降低成本與提高系統(tǒng)可靠性之間存在一定的沖突，那么如何平衡兩者之間的關(guān)系，就需要對維修策略進(jìn)行優(yōu)化［7］。

維修策略的優(yōu)化既要考慮經(jīng)濟(jì)性，也要考慮可靠性。如圖5所示，牽引變電所二次設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用和故障的損失費(fèi)用之和的最小區(qū)域即是維修策略選擇的區(qū)域。由系統(tǒng)可靠性和維修費(fèi)用間的關(guān)系可以得到基于可靠性考慮的狀態(tài)維修曲線，M點(diǎn)即是維修策略優(yōu)化后的狀態(tài)維修點(diǎn)。

圖5 考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性的維修策略優(yōu)化

4 結(jié)論

牽引供電系統(tǒng)二次設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的建立，將在以下幾方面發(fā)揮重大作用:

(1)故障預(yù)警系統(tǒng)的研究，可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備和系統(tǒng)故障狀態(tài)的提早預(yù)測，提早維修，從而避免故障發(fā)生產(chǎn)生的影響，提高了牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

(2)建立設(shè)備狀態(tài)評估體系，采用分層思想，由單個(gè)設(shè)備過渡到整體設(shè)備，并分析權(quán)重，可以更全面的對二次設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評估。

(3)通過對設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，利用狀態(tài)檢修代替周期檢修，節(jié)約時(shí)間，減少成本。

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