智能變電站繼電保護(hù)故障排查及新型巡檢技術(shù)研究

常立偉，鄧 明

（1.南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京 211006；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211006；3.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 211006）

0 引 言

由于智能變電站具有全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化以及信息共享標(biāo)準(zhǔn)化的特性，使得繼電保護(hù)裝置故障排查更加智能、實(shí)時(shí)以及可靠[1]。數(shù)字式繼電保護(hù)的故障包括裝置硬件故障、二次回路故障、通信故障、配置錯(cuò)誤以及人為不當(dāng)操作引起的故障等[2]。

1 故障類型

1.1 硬件故障

智能的繼電保護(hù)裝置多采用單元化設(shè)計(jì)和模塊化結(jié)構(gòu)。裝置由機(jī)箱、總線板、液晶以及各種功能插件組成。功能插件包括中央處理單元（Central Process Unit，CPU）插件、交流采樣插件、開入開出插件、光口插件以及電源插件等。裝置硬件故障通常只涉及單獨(dú)的某個(gè)插件。根據(jù)繼電保護(hù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，繼電保護(hù)裝置應(yīng)具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、閉鎖以及告警等功能[3]。當(dāng)裝置監(jiān)測(cè)到自身硬件故障時(shí)，應(yīng)傳輸相應(yīng)信號(hào)并亮異常信號(hào)燈。出現(xiàn)如“CPU插件異常”等嚴(yán)重故障時(shí)，應(yīng)閉鎖裝置。

1.2 二次回路故障

智能變電站二次設(shè)備使用光信號(hào)替代電信號(hào)傳輸。智能變電站繼電保護(hù)裝置信號(hào)傳輸如圖1所示，其二次回路故障多發(fā)生在光纖鏈路上。光纖相比傳統(tǒng)電纜簡化了二次回路，縮短了變電站的建設(shè)周期。但是，光纖在經(jīng)過高低溫或者過度彎折后，易出現(xiàn)老化和光衰過大的問題。針對(duì)光纖鏈路故障，各裝置會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖收發(fā)光功率和數(shù)據(jù)的質(zhì)量。當(dāng)出現(xiàn)光衰過大或發(fā)送端數(shù)據(jù)異常時(shí)，繼電保護(hù)裝置會(huì)及時(shí)告警。

圖1 智能變電站繼電保護(hù)裝置信號(hào)傳輸

1.3 通信故障

智能變電站采用“3層2網(wǎng)”的設(shè)計(jì)，如圖2所示。處于間隔層的繼電保護(hù)裝置和站控層設(shè)備通信，一般使用AB雙網(wǎng)通信。AB雙網(wǎng)中只需其中一個(gè)通信網(wǎng)工作正常，裝置信號(hào)便能正常傳輸，通信可靠性高。當(dāng)繼電保護(hù)裝置通信物理鏈路中斷或由于硬件和軟件問題不能正常與站控層設(shè)備通信時(shí)，監(jiān)控后臺(tái)等站控層設(shè)備可以發(fā)出裝置通信中斷告警。

圖2 智能變電站“3層2網(wǎng)”示例

1.4 配置錯(cuò)誤

智能變電站通過統(tǒng)一的全站系統(tǒng)配置文件（System Configuration Documents，SCD）描述各智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）的實(shí)例配置、通信參數(shù)、IED之間的通信配置以及變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。繼電保護(hù)裝置通過統(tǒng)一的SCD生成各自的配置文件，便于其他設(shè)備接收和識(shí)別信號(hào)。如果各裝置使用的SCD版本不統(tǒng)一或私自修改裝置的私有信息，將導(dǎo)致配置錯(cuò)誤，影響裝置間的數(shù)據(jù)收發(fā)。此外，嚴(yán)重的配置錯(cuò)誤可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置功能異常甚至閉鎖。

1.5 人為不當(dāng)操作引起的故障

變電站的運(yùn)維有著健全的規(guī)范要求，錯(cuò)誤使用檢修壓板、錯(cuò)誤投退裝置功能軟壓板以及不按相應(yīng)安全措施要求斷開裝置電源等不合規(guī)操作，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置告警甚至保護(hù)功能退出，影響系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

2 新型巡檢技術(shù)

2.1 一體化監(jiān)控技術(shù)

一體化監(jiān)控技術(shù)具有自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量以及監(jiān)控等基本功能，并支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策以及協(xié)調(diào)互動(dòng)等高級(jí)功能[4]。監(jiān)控主機(jī)的高級(jí)功能包括防誤閉鎖邏輯判斷、順序控制、智能告警、綜合分析、智能操作票以及視頻聯(lián)動(dòng)等。通過一體化監(jiān)控技術(shù)運(yùn)維人員可以實(shí)時(shí)掌握變電站動(dòng)態(tài)，了解一二次設(shè)備的運(yùn)行情況。通過一體化監(jiān)控技術(shù)查看繼電保護(hù)裝置的通信狀態(tài)、運(yùn)行溫度、告警信息以及參數(shù)等。

2.1.1 智能告警

如果繼電保護(hù)裝置在運(yùn)行中出現(xiàn)異常，通過一體化監(jiān)控系統(tǒng)的智能告警功能可以了解告警時(shí)間、裝置名稱、告警報(bào)文、影響范圍以及建議措施，縮短了故障排查時(shí)間，降低了處理故障難度，提高了電力系統(tǒng)的可靠性。

2.1.2 故障信息綜合分析決策

在繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，采集繼電保護(hù)上傳的動(dòng)作報(bào)告及其他相關(guān)信息生成故障簡報(bào)，可提醒運(yùn)維人員相關(guān)保護(hù)動(dòng)作情況，并在故障簡報(bào)中提示運(yùn)維人員故障性質(zhì)與處理方案。故障信息綜合分析決策節(jié)省了運(yùn)維人員查看繼電保護(hù)裝置的時(shí)間，方便了向調(diào)度人員匯報(bào)動(dòng)作情況，提高了工作效率。

2.2 一鍵順控技術(shù)

變電站運(yùn)維需要嚴(yán)格遵循“3票2制”的流程，即工作票、操作票、交接班制、巡回檢查制以及設(shè)備定期試驗(yàn)輪換制?！?票2制”使得運(yùn)維過程實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，降低了人為不當(dāng)操作的風(fēng)險(xiǎn)，但也增加了操作的復(fù)雜度。

與傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)相比，一鍵順控在調(diào)試中完成模塊化的操作票，編寫過程中通過審查和傳動(dòng)試驗(yàn)保證其內(nèi)容的完整和準(zhǔn)確。運(yùn)維人員不需要現(xiàn)場(chǎng)編寫操作票，節(jié)省了運(yùn)行站編寫操作票的時(shí)間。由計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行操作票內(nèi)容，校驗(yàn)五防避免誤操作，同時(shí)節(jié)省了執(zhí)行時(shí)間。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控和輔助觸點(diǎn)雙重確認(rèn)的方式形成反饋，可以確保操作準(zhǔn)確有效[5,6]。

2.3 懸掛軌道式智能巡檢機(jī)器人

繼電保護(hù)裝置通常安裝在保護(hù)小室的屏柜中或開關(guān)柜上，裝置排布集中且規(guī)整。通過懸掛軌道式巡檢機(jī)器人在線監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置環(huán)境、外觀、液晶以及指示燈。該機(jī)器人使用小室內(nèi)的頂部空間，不占用原有的巡檢通道。通過傳感器監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行的溫濕度和環(huán)境中特定氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7,8]。根據(jù)機(jī)器人反饋的信息，可以調(diào)節(jié)小室的溫濕度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。繼電保護(hù)裝置是一種長期運(yùn)行的微型計(jì)算機(jī)，長期處于高溫狀態(tài)會(huì)加速老化，增加故障率。溫度變化過大和濕度異常等，會(huì)加劇智能變電站的光纖老化，導(dǎo)致電纜絕緣受損，影響裝置的安全運(yùn)行。

智能巡檢機(jī)器人能及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝置的異常告警。按照規(guī)范要求，繼電保護(hù)裝置需要正確反饋系統(tǒng)中的異常狀態(tài)，并通過點(diǎn)亮發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈或發(fā)送報(bào)文的形式示警。在裝置異?；虺霈F(xiàn)跳閘時(shí)，裝置會(huì)點(diǎn)亮紅色的異常燈或跳閘燈。此時(shí)，人工巡檢機(jī)器人通過圖像識(shí)別技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和反饋相應(yīng)情況給運(yùn)維人員。變電站監(jiān)控后臺(tái)匯總整站的信息。對(duì)于異常報(bào)文，運(yùn)維人員需查看繼電保護(hù)裝置情況。懸掛軌道式智能巡檢機(jī)器人可以輔助運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)和處理問題，同時(shí)避免運(yùn)維人員面臨有害氣體或局部放電等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[9]。

2.4 智能變電站繼電保護(hù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

智能站繼電保護(hù)數(shù)字化程度高，通過數(shù)字信號(hào)將大量信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，為繼電保護(hù)在線監(jiān)測(cè)和智能診斷建立信息基礎(chǔ)。智能變電站繼電保護(hù)通過光纖傳輸面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）和采樣值（Sample Value，SV）。相比電纜，光纖擁有更高的傳輸效率，但是更容易發(fā)生老化和物理損傷。智能變電站繼電保護(hù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以匯總各光信號(hào)接口收發(fā)功率，提前示警和處理光衰過大的接口，避免光功率下降導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。

智能站大量使用光信號(hào)使得二次回路由實(shí)轉(zhuǎn)虛，原本實(shí)際的電纜變成了虛端子鏈接，連接關(guān)系依賴于每臺(tái)裝置的配置文件。當(dāng)配置文件由于變電站擴(kuò)建或者維護(hù)發(fā)生變化時(shí)，存在配置出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。智能繼電保護(hù)會(huì)計(jì)算配置文件的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check，CRC），即使很小的改動(dòng)，也將改變CRC校驗(yàn)碼。繼電保護(hù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過匹配SCD中的信息和裝置上傳的CRC校驗(yàn)碼，在線監(jiān)測(cè)裝置配置是否修改、繼電保護(hù)裝置與其他設(shè)備的連接關(guān)系以及了解虛端子接線。

智能繼電保護(hù)裝置插件和光口多，當(dāng)二次回路出現(xiàn)故障時(shí)，通常對(duì)照光口定義表和標(biāo)簽來確定故障光纖。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)光纖回路的異常并生成對(duì)應(yīng)提示，快速定位到裝置的插件和光口，便于運(yùn)維人員排查問題[10]。

3 新型巡檢技術(shù)對(duì)繼電保護(hù)故障的有效性

不同的巡檢技術(shù)對(duì)各種繼電保護(hù)的故障有不同側(cè)重，通過多種巡檢技術(shù)生成更加全面和安全的巡檢策略，從而快速發(fā)現(xiàn)和定位繼電保護(hù)裝置的故障點(diǎn)，提高運(yùn)維效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。巡檢技術(shù)對(duì)繼電保護(hù)各種類型故障的有效性如表1所示。

表1 新型巡檢技術(shù)對(duì)不同繼電保護(hù)故障的有效性

4 結(jié) 論

隨著智能變電站技術(shù)的發(fā)展，繼電保護(hù)技術(shù)和巡檢技術(shù)不斷創(chuàng)新，其在實(shí)際運(yùn)用時(shí)需考慮不同技術(shù)的重疊范圍，通過融合多種技術(shù)處理繼電保護(hù)故障，提高可靠性，降低運(yùn)維人員的工作量。繼電保護(hù)裝置從就地化保護(hù)裝置逐漸發(fā)展到基于自主可控的繼電保護(hù)裝置，在滿足繼電保護(hù)4個(gè)基本特性的基礎(chǔ)上，對(duì)裝置的生產(chǎn)和運(yùn)維均有不同的要求。在應(yīng)用各種巡檢技術(shù)時(shí)，應(yīng)考慮新技術(shù)之間的配合與適應(yīng)性。