電氣控制系統(tǒng)中繼電器的誤操作診斷方法分析

摘要：電氣行業(yè)工作涉及的儀器較多，工作內(nèi)容較復(fù)雜，在工作過程中難免會出現(xiàn)誤操作的現(xiàn)象，降低電氣行業(yè)工作效率?；谶@一問題，分析電氣控制系統(tǒng)中繼電器的誤操作診斷方法。通過獲取繼電器誤操作的診斷數(shù)據(jù)源，制定電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作的診斷流程，建立電氣控制系統(tǒng)誤操作診斷庫，設(shè)置繼電器誤操作的閉鎖診斷的提示和指令，實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)中繼電器的誤操作診斷方法的分析研究。通過對比測試對此方法的應(yīng)用效果進(jìn)行驗證，通過電氣控制系統(tǒng)對繼電器運行速度、閉合頻率的分析和計算得到繼電器的兩組KPCA 數(shù)值。測試結(jié)果表明，所提方法的電器誤操作診斷KPCA 數(shù)值為62.34，在控制允許的KPCA 范圍內(nèi)，且相較于對比方法更低。

關(guān)鍵詞：電氣誤操作;電氣控制系統(tǒng);繼電器;診斷方法

中圖分類號：TM77文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0282-04

Analysis of Relay Misoperation Diagnosis Method in Electrical Control System

XieZicheng

（ Hefei University of Technology Design Institute （ Group ） Co.，Ltd.，Hefei 230001 China ）

Abstract：There are many instruments involved in the electrical industry，and the work content is complex.It is inevitable that misoperation will occur in the work process，which will reduce the work efficiency of the electrical industry.Based on this problem，the misoperation diagnosis method of relay in electrical control system was analyzed.By obtaining the diagnosis data source of relay misoperation，formulating the diagnosis process of relay misoperation in electrical control system，establishing the misoperation diagnosis database of electrical control system，setting the prompt and instruction of locking diagnosis of relay misoperation，and realizing the analysis and research of relay misoperation diagnosis method in electrical control system.The application effect of the method was verified by comparative test，two groups of KPCA values were obtained by analyzing and calculating the relay operation speed and closing frequency by the electrical control system.The test results show that the KPCA value of electrical misoperation diagnosis of the proposed method is 62.34，which is within the allowable KPCA range and lower than that of the comparison method.

Key words：electrical misoperation;electrical control system;relay;diagnostic methods

0 引言

隨著電氣控制系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，社會各行業(yè)也在生產(chǎn)生活中對其加以利用，這也使得這項系統(tǒng)逐漸變得更加科學(xué)、精確、便捷[1]。現(xiàn)如今，電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)雖然已經(jīng)十分成熟，但是仍然存在可提升空間，即系統(tǒng)中存在繼電器誤操作診斷等相關(guān)問題。繼電器是一種生活中很常見的控制元器件，其作用通常是對系統(tǒng)電路進(jìn)行隔離和控制[2]。繼電器根據(jù)電路線圈對電路中的直流電和交流電進(jìn)行分流，并在適當(dāng)?shù)臅r刻接通或者斷開電路中的電壓，如果電流過大，可以將其作為隔離器件使用，分隔掉多余的電流;但是如果電流過小，可以將其作為控制器件使用。一般情況下，繼電器直接控制電氣系統(tǒng)，通常被安裝在中央空調(diào)、水泵以及發(fā)電機(jī)中。在保證操作者、關(guān)聯(lián)設(shè)備以及電網(wǎng)的安全中起到了積極作用。但由于電氣系統(tǒng)實際使用情況的不斷變化，致使繼電器的操作很容易發(fā)生失誤。目前，最新型的繼電器操作裝置主要包括監(jiān)控式操作儀、機(jī)械式操作器、微型繼電器操作組等裝置[3]。監(jiān)控式操作儀具有運行故障率低、操作穩(wěn)定等優(yōu)勢，對電氣系統(tǒng)操作的安全性和可靠性的提升有很好的效果;機(jī)械式操作器通常可以有效地減少繼電器誤操作的發(fā)生，并降低工作的相關(guān)事故率;而微型繼電器操作組的作用較為全面，對電氣控制系統(tǒng)中的五防設(shè)備都起到一定的保護(hù)功效，同時，也在一定程度上減少了繼電器操作的難度[4]。因此，這些裝置在對電氣系統(tǒng)進(jìn)行直接或者間接操作的同時，也對繼電器的誤操作起到一定的控制作用。但僅是對繼電器的誤操作進(jìn)行控制，無法保證系統(tǒng)的正常運行，因此必須對其作出相應(yīng)的診斷，找出問題，從源頭處避免誤操作問題的出現(xiàn)?；诖?，本文主要對電氣系統(tǒng)中繼電器的誤操作方法進(jìn)行分析研究，并提出相應(yīng)的建議，希望可以加強(qiáng)對電氣控制系統(tǒng)故障或者誤操作分析的重視程度，以此提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1 電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作診斷方法設(shè)計

1.1獲取繼電器誤操作的診斷數(shù)據(jù)源

首先，獲取電氣控制系統(tǒng)中繼電器診斷數(shù)據(jù)源，選取一臺電氣控制機(jī)器，使其處于正?？刹僮鬟\行狀態(tài)。在這個過程中，通過系統(tǒng)運行獲取機(jī)器所產(chǎn)生的操作時間、運行速度、繼電器電路的分流項數(shù)據(jù)以及控制節(jié)點數(shù)值等相關(guān)數(shù)據(jù)。然后，利用外部數(shù)據(jù)整理軟件進(jìn)行整理歸納。由于繼電器的數(shù)據(jù)源是電氣控制系統(tǒng)在操作運行時所產(chǎn)生的，因此，需要將整理好的運行數(shù)據(jù)與系統(tǒng)原本的大數(shù)據(jù)庫相融合，形成新的運行數(shù)據(jù)源。之后，利用電氣控制系統(tǒng)對繼電器進(jìn)行誤操作，并記錄相對應(yīng)的數(shù)據(jù)情況，再次進(jìn)行整理分析。在分析的過程中，故障診斷數(shù)據(jù)源可能會受到外部因素的干擾，或者設(shè)備運行自身故障的影響[5]。這也致使數(shù)據(jù)源的改變不僅會改變相關(guān)設(shè)備的運行情況，還會使系統(tǒng)產(chǎn)生的開關(guān)量和電氣量發(fā)生驟增或者驟減的情況。因此，需要將這些因素排除，避免其對誤操作診斷數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響[6]。將整合的繼電器誤操作診斷數(shù)據(jù)添加至系統(tǒng)中，并通過故障信息采集系統(tǒng)傳輸至終端，系統(tǒng)終端在接收數(shù)據(jù)之后，會從繼電器操作時的電壓、功率以及電流等多角度分析數(shù)據(jù)。但這個過程中需要注意的是，在發(fā)生誤操作的同時，系統(tǒng)中的繼電器保護(hù)裝置會發(fā)出相應(yīng)的指令，依照系統(tǒng)中原本設(shè)定的動作發(fā)出命令，使斷路器完成預(yù)定的跳閘。因此獲得的誤操作診斷數(shù)據(jù)在某些方面可能會存在不完整的情況，需要將數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，進(jìn)一步確保誤操作診斷數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。圖1所示為獲取繼電器誤操作診斷數(shù)據(jù)源的流程，按照圖中流程獲取基礎(chǔ)性的繼電器診斷數(shù)據(jù)源。

1.2 制定電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作的診斷流程

當(dāng)獲取到繼電器誤操作的診斷數(shù)據(jù)源后，需要制定相應(yīng)的診斷流程，以確保繼電器誤操作診斷的通順可靠。首先，梳理電氣系統(tǒng)的操作情況：先對電氣控制機(jī)器的情況進(jìn)行實時監(jiān)控，并采集和整合其狀態(tài)量數(shù)據(jù)。然后，打開SCADA 系統(tǒng)輸入獲取的數(shù)據(jù)源，對電氣控制系統(tǒng)在誤操作情況下的狀態(tài)量、電流數(shù)值、運行功率以及測量值進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與監(jiān)控的狀態(tài)量進(jìn)行對比融合。隨后，當(dāng)電力機(jī)器正常運行時，打開系統(tǒng)中的控制開關(guān)，對機(jī)器的電壓、功率數(shù)值、電流強(qiáng)弱進(jìn)行控制。另外，將保護(hù)開關(guān)打開，在保障系統(tǒng)繼電器安全運行的同時，觀察機(jī)器的運行狀態(tài)，如果系統(tǒng)運行出現(xiàn)誤操作，則調(diào)取其相關(guān)數(shù)據(jù)信息值，進(jìn)行記錄和對比分析。數(shù)據(jù)記錄分析完成后，關(guān)閉保護(hù)開關(guān)同時關(guān)閉系統(tǒng)。最后，對電氣控制系統(tǒng)中繼電器的誤操作進(jìn)行診斷。將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入SCADA 系統(tǒng)中，進(jìn)行整合、分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。完成全部整合流程之后，對系統(tǒng)中繼電器的相關(guān)情況進(jìn)行診斷研究，并將問題通過SCADA 系統(tǒng)排列并顯示在屏幕上，以此制定完成繼電器誤操作診斷流程。

1.3 建立電氣控制系統(tǒng)誤操作診斷庫

在完成繼電器誤操作診斷流程的制定后建立誤操作的診斷庫。首先，需要建立一套完整的誤操作診斷庫系統(tǒng)體系，即診斷庫的模型，這樣做可以在一定程度上節(jié)省相關(guān)的診斷時間。先將系統(tǒng)壓板設(shè)定為投退狀態(tài)，隨后對保護(hù)及安全裝置的狀態(tài)進(jìn)行分析，狀態(tài)共分為4種，分別是監(jiān)控狀態(tài)、運行狀態(tài)、檢修狀態(tài)以及信號狀態(tài)，分析結(jié)束后對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行初次采集、整合。完成后傳輸至診斷庫的模型之中，進(jìn)行二次診斷。然后，將壓板的狀態(tài)調(diào)整為可適應(yīng)模式，使其與系統(tǒng)終端的接入標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一，對系統(tǒng)中繼電器的誤操作進(jìn)行控制。同時，啟動系統(tǒng)中的保護(hù)和安全裝置，對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)完成二次繼電器誤操作診斷時，調(diào)取相關(guān)的數(shù)據(jù)，再次傳輸回系統(tǒng)中。將兩次繼電器誤操作所診斷的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，再通過GOOSE 網(wǎng)絡(luò)對其準(zhǔn)確性、可靠性進(jìn)行核實，證實數(shù)據(jù)真實可靠，將兩項信息合并，完成電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作診斷庫的創(chuàng)建。與信息源相同的是，診斷庫也會隨著系統(tǒng)實際情況的變化而進(jìn)行更新，致使診斷庫不斷變得更加完善。

1.4設(shè)置繼電器誤操作的閉鎖診斷的提示和指令

當(dāng)完成繼電器誤操作診斷庫的建立后，需要在系統(tǒng)中添加相應(yīng)的診斷指令，使整個診斷過程可以更加迅速地實現(xiàn)。首先，打開GOOSE 網(wǎng)絡(luò)，將準(zhǔn)確的節(jié)點位置傳輸進(jìn)去，當(dāng)GOOSE 網(wǎng)絡(luò)接收到位置信息之后，會根據(jù)預(yù)先制定的繼電器閉鎖邏輯進(jìn)行判斷，如果電氣控制機(jī)器沒有出現(xiàn)異常情況，控制系統(tǒng)將不會啟動，而一旦發(fā)生問題，GOOSE網(wǎng)絡(luò)將會按照事先約定好的協(xié)議，向電氣控制系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)的報文，系統(tǒng)會對報文進(jìn)行分析，并對問題做出處理。處理過程大致為：當(dāng)系統(tǒng)對指定的終端下達(dá)閉鎖指令時，系統(tǒng)中的設(shè)備連接點會立即閉合，同時將串聯(lián)的隔離開關(guān)、接地開關(guān)進(jìn)行關(guān)閉，致使繼電器周圍的元器件都處于斷電狀態(tài)，如圖3所示。圖中W5為閉鎖指令的總控制模塊，其是一個閉鎖診斷芯片，主要利用相關(guān)指令以及電阻的輔助，將處于間隔層中的繼電器主線進(jìn)行閉合，以此完成對電氣控制系統(tǒng)中繼電器閉鎖診斷指令的設(shè)置。

需要注意的是，在完成繼電器誤操作閉鎖診斷指令的設(shè)置之后，還需要在系統(tǒng)中添加相應(yīng)的誤操作診斷提示。首先對電氣控制系統(tǒng)的二次設(shè)備進(jìn)行檢修隔離，確定操作票的功能，提高其安全可靠性[7-9]。然后分析電氣控制系統(tǒng)中各裝置之間端口連接的關(guān)系。解析配置在系統(tǒng)中的SCD 地址，并獲取相關(guān)的診斷設(shè)備和提示編碼。以得到的設(shè)備作為操作票提示和診斷的基礎(chǔ)，然后，打開系統(tǒng)的提示界面，將屬性設(shè)置為可建立，選擇一個提示框，在二次設(shè)備的基礎(chǔ)上，將繼電器誤操作票的提示編碼添加進(jìn)系統(tǒng)之中，點擊設(shè)定保存，完成繼電器誤操作提示的設(shè)定。電氣控制系統(tǒng)發(fā)生誤操作時，電腦會立即感應(yīng)，并作出識別，同時系統(tǒng)也會彈出提示框，提示使用者操作錯誤，一定程度上減少了繼電器誤操作情況的發(fā)生，且對于繼電器的使用也是一種保護(hù)。以上便是對電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作閉鎖診斷功能的完整設(shè)置過程。

1.5 實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作的診斷

在完成繼電器誤操作閉鎖診斷功能的設(shè)置之后，接下來，進(jìn)行繼電器誤操作診斷的實現(xiàn)。首先，將獲取的信息源進(jìn)行整合，使電氣控制機(jī)器正常運行，并觀察控制系統(tǒng)的相關(guān)情況。當(dāng)機(jī)器發(fā)生操作失誤時，系統(tǒng)上會出現(xiàn)相應(yīng)的繼電器誤操作提示框，并顯示繼電器相應(yīng)端口的情況。此時，可以利用電氣控制系統(tǒng)和SCADA 平臺同時對其進(jìn)行診斷。隨后，確定系統(tǒng)終端的隔絕開關(guān)、接地開關(guān)、斷路器的節(jié)點位置，并按照統(tǒng)一的傳輸協(xié)議編譯出相對應(yīng)的報文[10-11]。當(dāng)報文傳輸至系統(tǒng)之中時，將其與電氣控制機(jī)器實際的隔絕開關(guān)、接地開關(guān)、斷路器的節(jié)點位置進(jìn)行調(diào)整和修改，使其達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[12]。通過對以上因素的診斷，可以得知系統(tǒng)控制功能的相關(guān)情況，接下來，將閉鎖診斷芯片安裝在系統(tǒng)繼電器的控制板區(qū)域。但由于電氣系統(tǒng)的控制板通常會有4個接口，因此，為了保證整個控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，需要在4個控制接口處分別連接閉鎖診斷芯片，利用其功能對繼電器的誤操作進(jìn)行二次診斷。

以下是繼電器診斷控制接口的連接過程：首先，當(dāng)線路間隔靠近1端口母線位置時，側(cè)隔離開關(guān)閉合，判斷需要采集端口的母線節(jié)點位置。同時，獲取接地開關(guān)、斷路器側(cè)開關(guān)、斷路器位置信息;當(dāng)1端口母線側(cè)隔離開關(guān)移動至繼電器合閘節(jié)點位置時，將其與接口1關(guān)聯(lián)。隨后，當(dāng)1端口母線接地開關(guān)移動至繼電器分閘節(jié)點位置時，先觀察對應(yīng)隔離開關(guān)的狀態(tài)，再將其與接口2相關(guān)聯(lián)。此時，關(guān)閉系統(tǒng)中的繼電器，使整個電路形成完全閉鎖診斷狀態(tài)。然后，在繼電器控制處，接入另一根母線，將其先與線路的位置連接點相關(guān)聯(lián)，之后使其正常運行，當(dāng)2端口的母線移動至分閘位置節(jié)點時，關(guān)聯(lián)接口3。此時，將已經(jīng)完成的3個接口以并聯(lián)的形式連接繼電器，同時再次移動母線，當(dāng)其閉鎖開關(guān)移動至合閘時，以并聯(lián)的形式關(guān)聯(lián)接口4，完成繼電器診斷控制接口的連接。

打開系統(tǒng)，對繼電器情況進(jìn)行系統(tǒng)掃描。完成之后，打開系統(tǒng)的誤操作庫，誤操作庫會從繼電器的基礎(chǔ)電壓、運行頻率、閉合速度以及電流控制數(shù)據(jù)等多方面進(jìn)行核查，同時對繼電器附近的相關(guān)元器件進(jìn)行診斷。完成之后，核查結(jié)果會自動顯示在頁面上，其中，會顯示一些可以計算誤操作診斷魯棒比率的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過公式進(jìn)行精準(zhǔn)度的計算，如下：

式中：A 為繼電器誤操作診斷結(jié)果的魯棒比率;x 為繼電器的運行最高速度;y 為繼電器的運行最低速度; a 為繼電器的固定運行頻率;Xi 為繼電器的總電壓;Yi為繼電器運行前的基礎(chǔ)電壓。

計算得到繼電器誤操作診斷的魯棒比率后，可以利用魯棒比率和其他相關(guān)數(shù)值計算出繼電器診斷的KPCA 數(shù)值，以此驗證方法是否可行。綜上所述，便是對電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作診斷方法的設(shè)計步驟。

2 方法測試

2.1 測試準(zhǔn)備

本次測試主要是對電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作診斷方法的KPCA 數(shù)值進(jìn)行驗證。測試會通過兩種診斷方法進(jìn)行，一種是基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變電站防止電氣誤操作診斷方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)組[1];另一種則是本文的設(shè)計方法，將其設(shè)定為測試組。通過兩組測試方法得出的KPCA 數(shù)值進(jìn)行對比，來驗證各自測試方法的效果。為了保證測試結(jié)果的真實可靠，將采用同一個電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，并進(jìn)行4次測試，最后將結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.2 測試過程

首先，將系統(tǒng)的損失函數(shù)L（x，y ）輸入到電氣控制系統(tǒng)之中，得出繼電器運行的實際數(shù)值。之后，進(jìn)行電氣控制機(jī)器的錯誤操作，系統(tǒng)會作出處理。此時，打開電氣控制系統(tǒng)，按照制定好的診斷標(biāo)準(zhǔn)流程對繼電器進(jìn)行系統(tǒng)診斷。先將閉鎖診斷的數(shù)值整合，如表1所示。

將表1中的數(shù)值代入電氣控制系統(tǒng)之中，得到繼電器的期望診斷函數(shù)，兩組同時進(jìn)行，然后獲得兩組診斷數(shù)據(jù)。之后，需要計算繼電器的KPCA 數(shù)值：

式中：W 為KPCA 數(shù)值;n 為魯棒比率;Xi 為繼電器的閉合時間;Yi 為繼電器單個節(jié)點的閉合距離;L （x， y ）為電氣控制系統(tǒng)的損失函數(shù)，其表示診斷的可控?fù)p失范圍。

將兩個測試組的數(shù)據(jù)依次代入公式中，獲得兩個 KPCA 數(shù)值，便是本次測試的分析結(jié)果。通過對KPCA數(shù)值的對比，來判斷兩種診斷方法的效果。

2.3 測試結(jié)果

通過電氣控制系統(tǒng)對繼電器運行速度、閉合頻率的分析，再加之以上公式的計算，得出兩組KPCA 數(shù)值，對比兩組數(shù)值，KPCA 數(shù)值大的一組，說明診斷方法效果不佳，反之，如果KPCA 數(shù)值較小，那說明診斷方法效果較好，可靠性較高，對比數(shù)值如表2所示。由表可知，繼電器的診斷情況必須要在KPCA 數(shù)值允許控制的范圍之內(nèi)，并在這個范圍內(nèi)數(shù)值小的一組，診斷結(jié)果較為可靠。因此依據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)組的數(shù)值為80.99，明顯高于測試組的KPCA 數(shù)值62.34，由此可以證明測試組的電氣控制系統(tǒng)中繼電器的診斷方法可靠性較高，效果較好，其主要原因是所提方法根據(jù)診斷流程建立電氣控制系統(tǒng)誤操作診斷庫，并相應(yīng)設(shè)置了閉鎖診斷的提示和指令，提高了診斷性能。

3 結(jié)束語

隨著電氣控制系統(tǒng)在我國各領(lǐng)域的廣泛發(fā)展，人們也逐漸認(rèn)識到電氣控制在日常生活中的重要性。為了提高電氣控制行業(yè)的工作效率，進(jìn)行了電氣控制系統(tǒng)中繼電器誤操作診斷的相關(guān)分析研究。這種方法不僅提升了工作效率，降低了電氣控制機(jī)器的操作隱患，而且還提高了對繼電器誤操作的診斷可靠性，一定程度上減少了誤操作問題的發(fā)生，排除了安全隱患，使電氣控制系統(tǒng)可以更加平穩(wěn)地運行。雖然本文對繼電器的誤操作診斷方法進(jìn)行了一定的探討，但還是存在一定的不足，在日后的研究中會對其進(jìn)行更加深入的研究。

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作者簡介：解紫城（1979-），男，安徽合肥人，大學(xué)本科，高級工程師，研究領(lǐng)域為電氣工程及其自動化?

（編輯：王智圣）