電網(wǎng)變電運(yùn)維檢修技術(shù)研究

崔曉飛，徐 策，張 群，林國(guó)成

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣州供電局，廣東 廣州 510000)

國(guó)網(wǎng)電力的監(jiān)控系統(tǒng)主要用于變電站設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，所監(jiān)控的SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)中可用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含變電站維護(hù)優(yōu)化的有用信息。變電站故障通過(guò)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別到的數(shù)據(jù)信息可用于評(píng)估維護(hù)策略和計(jì)劃設(shè)備的改造更換。而變電站設(shè)備的維護(hù)管理則是實(shí)現(xiàn)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵，以前的定期維護(hù)流程可以向更具預(yù)防性和基于現(xiàn)場(chǎng)條件的維護(hù)方向發(fā)展，控制中心是實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的重要手段，主要負(fù)責(zé)監(jiān)視和控制電力系統(tǒng)，現(xiàn)代電力控制中心也增加了將電氣設(shè)備維護(hù)功能傳輸至智能電網(wǎng)平臺(tái)上[1]。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，電站監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從每臺(tái)變電站設(shè)備收集盡可能多的數(shù)據(jù)，然后這些數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，并將所有獲取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在中央數(shù)據(jù)中心。智能電網(wǎng)應(yīng)用主要是通過(guò)維護(hù)中心來(lái)處理數(shù)據(jù)，以提升變電站設(shè)備后期維護(hù)和檢修的便捷性。

1 控制中心監(jiān)控系統(tǒng)中可用的數(shù)據(jù)點(diǎn)

1.1 應(yīng)用背景

國(guó)家電網(wǎng)是我國(guó)主要的輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，負(fù)責(zé)整個(gè)我國(guó)大部分省份的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)(1 000 kV、400 kV、220 kV和110 kV)的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和建設(shè)。國(guó)家電網(wǎng)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)峰值負(fù)荷為100 GW，生產(chǎn)裝機(jī)容量為4.5 kMW，傳輸網(wǎng)絡(luò)通過(guò)現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，所有內(nèi)部輸電變電站和相鄰輸電系統(tǒng)中的許多變電站都連接到后臺(tái)計(jì)算機(jī)和運(yùn)營(yíng)中心并收集所有本地電力信息，并將大部分信息傳輸?shù)娇刂浦行牡腟CADA。

國(guó)家電網(wǎng)的SCADA數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)匯總了數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有信息。其中，監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一般數(shù)據(jù)包括電壓、變電站運(yùn)行、發(fā)電廠開關(guān)站等重要的電力數(shù)據(jù)。SCADA控制中心的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集是一個(gè)基礎(chǔ)應(yīng)用，也是許多其他電力應(yīng)用的根基，尤其是變電方面的應(yīng)用，其中一個(gè)重要的應(yīng)用是變電管理系統(tǒng)。國(guó)家電網(wǎng)是國(guó)家的中央企業(yè)公司，此公司現(xiàn)在是負(fù)責(zé)我國(guó)大范圍的電力供應(yīng)。但不同供電區(qū)域中間還是存在差異，除了歷史差異、地區(qū)之間還有其他差異[2]:①地理差異(盆地、海濱地區(qū)、山區(qū)、島嶼)；②截然不同的氣候；③不同的發(fā)電和負(fù)荷結(jié)構(gòu)；④操作規(guī)則、控制和保護(hù)設(shè)備的一些細(xì)節(jié)。

每個(gè)電力傳輸區(qū)域通過(guò)其區(qū)域控制中心進(jìn)行操作，因此，SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)存是不同的。一些區(qū)域中心采取了一般化的管理方法，從變電站發(fā)送分組數(shù)據(jù)，表明設(shè)備的特定部分容易存在錯(cuò)誤，而其他區(qū)域中心發(fā)送描述錯(cuò)誤類型的詳細(xì)數(shù)據(jù)，這可以在斷路器故障指示信息中進(jìn)行顯示。在一些區(qū)域控制中心，只有一個(gè)名為“斷路器故障”的組信號(hào)，而在其他區(qū)域控制中心，可以找到像“變電數(shù)據(jù)丟失”這樣的單個(gè)信號(hào)。

SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)可以包含以下設(shè)備的實(shí)時(shí)信息[3]:①一次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括有功和無(wú)功功率測(cè)量、電流和電壓、開關(guān)狀態(tài)、變壓器調(diào)節(jié)控制運(yùn)行等；②保護(hù)繼電器運(yùn)行數(shù)據(jù)；③一次和二次設(shè)備故障和警告；④通信信息，包括遠(yuǎn)程終端單元RTU、開關(guān)、SCADA；⑤數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成在SCADA系統(tǒng)中，包含電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前拓?fù)錉顟B(tài)。

1.2 維護(hù)和統(tǒng)計(jì)計(jì)劃的當(dāng)前流程

最新的電力監(jiān)控系統(tǒng)更新于2019年。該系統(tǒng)的主要目的是針對(duì)變電站傳輸網(wǎng)絡(luò)的“維護(hù)規(guī)則手冊(cè)”進(jìn)行資產(chǎn)管理和維護(hù)規(guī)劃。它由兩部分組成：技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和維護(hù)規(guī)則。其中，技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)列出、分類和描述變電站運(yùn)行擁有的所有設(shè)備；維護(hù)規(guī)則表述了禁止時(shí)間表、工作類型、授權(quán)和責(zé)任。

另一個(gè)獨(dú)立的程序系統(tǒng)“運(yùn)行事件統(tǒng)計(jì)”(OES)在一年的時(shí)間內(nèi)負(fù)責(zé)監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)單元的可用性[4]。生成OES和收集年度報(bào)告數(shù)據(jù)的流程圖，如圖1所示?？刂浦行牡牟僮鲉T在應(yīng)用程序DOR(每日運(yùn)行報(bào)告)中手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)匠绦蚝蛿?shù)據(jù)庫(kù)后進(jìn)行操作環(huán)境分析。

圖1 運(yùn)營(yíng)事件統(tǒng)計(jì)的基本流程Fig.1 Basic process of operation event statistics

變電站傳輸網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)用于創(chuàng)建年度報(bào)告，該報(bào)告由設(shè)備統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)組成，例如變壓器總數(shù)、輸電線路長(zhǎng)度、按各種標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分的設(shè)備強(qiáng)制和計(jì)劃停電信息。從“運(yùn)營(yíng)事件統(tǒng)計(jì)”中得出的公司維護(hù)和業(yè)務(wù)效率指標(biāo)，可以顯示一年內(nèi)強(qiáng)制停機(jī)的次數(shù)。當(dāng)今的變電維護(hù)計(jì)劃方法源于對(duì)現(xiàn)有法規(guī)和內(nèi)部維護(hù)程序的遵守。除了在定期維護(hù)期間發(fā)現(xiàn)的問題報(bào)告外，與實(shí)際故障率沒有關(guān)聯(lián)。

“經(jīng)營(yíng)活動(dòng)統(tǒng)計(jì)”是分析關(guān)鍵業(yè)績(jī)指標(biāo)的有用工具，但由于它是作為官方年度報(bào)告匯編的統(tǒng)計(jì)，存在報(bào)告較晚，分析不夠靈活等問題，故其用途有限。最優(yōu)的方案是利用控制中心SCADA系統(tǒng)中收集的數(shù)據(jù)，更多的轉(zhuǎn)向基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的維護(hù)計(jì)劃中[5]。預(yù)防性維護(hù)依賴于設(shè)備的定期維護(hù)工作，可以通過(guò)使用監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的新方法來(lái)改進(jìn)。①在公司內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)命名的標(biāo)準(zhǔn)化工作；②分析警報(bào)、事件和測(cè)量，以創(chuàng)建主動(dòng)維護(hù)。

2 變電設(shè)備管理的新流程

2.1 數(shù)據(jù)點(diǎn)命名的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)電力面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化?？紤]到變電站中的一次設(shè)備和二次設(shè)備在不同地區(qū)和不同安裝時(shí)間具有較大不同，標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)以最大的精確度完成。這影響了站內(nèi)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中信號(hào)的命名、分類和分組，從而影響了控制中心。

更新數(shù)據(jù)目錄包含每個(gè)單獨(dú)處理信號(hào)的許多信息，點(diǎn)名稱是獲取該信號(hào)所有屬性的關(guān)鍵。對(duì)于每種類型的變電設(shè)備，如繼電保護(hù)、斷路器、隔離開關(guān)變壓器、測(cè)量、過(guò)程信息、輔助系統(tǒng)，都有點(diǎn)類信息(跳閘、報(bào)警、故障、控制等)。這種分類和獨(dú)特的信息是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析的良好基礎(chǔ)，其中，分類目錄包含信號(hào)處理、信號(hào)狀態(tài)、數(shù)據(jù)交換地點(diǎn)等信息。

研究對(duì)象海北檢修分公司職責(zé)包括海北電網(wǎng)35、110 kV變電設(shè)備的后期保養(yǎng)維護(hù)，同時(shí)進(jìn)行電力技術(shù)改造，海北電網(wǎng)110 kV電壓等級(jí)以下變電設(shè)備涵蓋30臺(tái)110 kV主變、 60臺(tái)35 kV主變、600 臺(tái)開關(guān)、40臺(tái)電容器 、500臺(tái)二次設(shè)備[6]。

變電運(yùn)維檢修組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 運(yùn)維檢修組織架構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of operation and maintenance organization

2.2 分析信號(hào)的事件數(shù)量

變電運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量和指示名稱/類型的事件數(shù)量對(duì)應(yīng)相同的名稱/類型的指示，這將使比較和分析變得相對(duì)容易。繼電保護(hù)、斷路器、隔離開關(guān)變壓器、測(cè)量、過(guò)程信息等這些名稱/類型在數(shù)據(jù)庫(kù)中有少量數(shù)據(jù)點(diǎn)，但有大量與之相關(guān)的電氣事件。

SCADA系統(tǒng)中的指示總數(shù)接近90 000。在操作使用中，有超過(guò)5 500種不同的名稱/類型。這些大量的變電信號(hào)名稱/類型均有其標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)于所有新建變電站，“統(tǒng)一過(guò)程信息目錄”用于顯示站內(nèi)計(jì)算機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)中的所有信息顯得至關(guān)重要。分析和報(bào)告變電運(yùn)行工作相當(dāng)復(fù)雜，整個(gè)過(guò)程需確定標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)名稱及型號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程本身很重要，但也需要執(zhí)行更好的變電設(shè)備維護(hù)管理，沒有標(biāo)準(zhǔn)化，就不可能在控制中心實(shí)現(xiàn)基于SCADA數(shù)據(jù)的先進(jìn)管理應(yīng)用。

維護(hù)變電運(yùn)行設(shè)備流程依賴于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整計(jì)劃的維護(hù)時(shí)間表，以響應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其中，維護(hù)計(jì)劃的時(shí)間間隔是在分析特定數(shù)據(jù)組之后確定的。

3 分析警報(bào)和事件

國(guó)網(wǎng)的電力應(yīng)用程序從SCADA中收集數(shù)據(jù)，并將其與過(guò)程信息目錄中的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以創(chuàng)建不同時(shí)間段的分析和報(bào)告。分析和報(bào)告用于各個(gè)方面，其中之一是維護(hù)管理。

3.1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中交換設(shè)備的操作

SCADA系統(tǒng)監(jiān)控變電系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中有6 278臺(tái)交換機(jī)，此些設(shè)備的開關(guān)操作頻率各不相同。圖3顯示了在6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)按開關(guān)類型(斷路器、隔離開關(guān)和接地開關(guān))分組的單個(gè)開關(guān)的開關(guān)操作數(shù)量，結(jié)果表明，有6 278臺(tái)交換機(jī)受到監(jiān)控，其中只有2 500臺(tái)在此期間至少運(yùn)行了1次[7]。

圖3 開關(guān)操作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)示意Fig.3 Schematic diagram of switch operation data statistics

3.2 斷路器中斷故障電流分析

數(shù)據(jù)點(diǎn)主要包含設(shè)備的多個(gè)電氣信息，可以將運(yùn)行中的設(shè)備與來(lái)自數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)。為了識(shí)別斷路器的中斷故障電流，需要確定受保護(hù)的設(shè)備在停機(jī)前是否在運(yùn)行狀態(tài)，如果運(yùn)行，跳閘保護(hù)信號(hào)則需與斷路器中斷進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)2個(gè)月內(nèi)每個(gè)區(qū)域斷路器中斷故障電流的次數(shù)。當(dāng)對(duì)斷路器進(jìn)行維護(hù)時(shí)，應(yīng)檢查中斷的故障電流，并采取適當(dāng)?shù)木S修措施。此外，斷路器中斷運(yùn)行電流的次數(shù)應(yīng)與斷路器供應(yīng)商確定的系數(shù)相乘，從而計(jì)算斷路器中斷故障電流的累計(jì)數(shù)。

3.3 RTU通信

SCADA警報(bào)和事件也可用于跟蹤系統(tǒng)維護(hù)效率計(jì)算和可用性分析。圖4分析了在沒有與RTU-s通信時(shí)激活的通信損失報(bào)警事件數(shù)，其中，圖4(a)顯示的是RTU通信丟失的次數(shù)，圖4(b)顯示的是通信丟失的持續(xù)時(shí)間。另外，SCADA系統(tǒng)中可用的數(shù)據(jù)不足以確定通信不可用的原因，如果將SCADA數(shù)據(jù)能與解釋計(jì)劃中斷的監(jiān)測(cè)相結(jié)合，則可以進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)分析。

圖4 通信損失信息示意Fig.4 Schematic of communication loss information

3.4 分析測(cè)量值

傳輸系統(tǒng)控制中心主要致力于確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和控制。SCADA系統(tǒng)提供了對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，但并非所有這些信息都永久存儲(chǔ)在檔案中。對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)，這意味著需根據(jù)變電數(shù)據(jù)處理規(guī)則放入其他永久存儲(chǔ)器中。整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的最小時(shí)間分辨率為2 s，非關(guān)鍵數(shù)據(jù)為10 s[8]，數(shù)據(jù)也以其他頻率進(jìn)行采樣:1 min、15 min、1 h和1 d[9]，不同的時(shí)間頻率用于不同的分析目的。

4 變電設(shè)備檢修方案的確定

根據(jù)國(guó)網(wǎng)運(yùn)維檢修流程現(xiàn)狀，經(jīng)常因變電站設(shè)備實(shí)時(shí)信息收集流程不通暢和變電站設(shè)備檢修流程環(huán)節(jié)復(fù)雜等問題，導(dǎo)致運(yùn)維檢修工作質(zhì)量不高、工作效率低和人員工作量過(guò)大等問題。因此，為了解決面臨的困境，結(jié)合SCADA數(shù)據(jù)分析管理準(zhǔn)則，根據(jù)國(guó)網(wǎng)變電運(yùn)維檢修管理優(yōu)化方案，進(jìn)行變電設(shè)備檢修流程的優(yōu)化改進(jìn)，以提高變電運(yùn)維檢修工作質(zhì)量和工作效率、降低綜合成本和保障變電站設(shè)備健康運(yùn)行目的[10]。國(guó)網(wǎng)某公司設(shè)備狀態(tài)檢修流程步驟中涵蓋的7個(gè)關(guān)鍵子流程如圖5所示。優(yōu)化前后收集設(shè)備狀態(tài)信息流程如圖6所示。

圖5 狀態(tài)檢修流程步驟Fig.5 Condition based maintenance process steps

由圖6(a)和圖6(b)可知，優(yōu)化前，變電站變電設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息收集流程環(huán)節(jié)較多、復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間多，增加了一線人員的工作量。優(yōu)化后，將運(yùn)維班和檢修試驗(yàn)班的流程進(jìn)行了合并和簡(jiǎn)化，去掉了通知并與檢修試驗(yàn)班組相互溝通共同給出檢修意見等不增值環(huán)節(jié)，當(dāng)在變電站現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，可由綜合班組人員迅速解決異常問題；當(dāng)在缺陷消除過(guò)程中有突發(fā)額外狀況時(shí)，綜合班組人員也能迅速履行工作票手續(xù)快速完成操作，確保運(yùn)檢操作工作的快速完成。優(yōu)化后的流程重構(gòu)了集中監(jiān)控流程，增加了遠(yuǎn)程巡視功能，通過(guò)遠(yuǎn)程巡視更能夠發(fā)現(xiàn)隱蔽的隱患和缺陷，提高了隱患缺陷的識(shí)別率，大大減少了綜合班組人員巡視工作量、降低了交通和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、提升了運(yùn)維檢修質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)了精益化作業(yè)管控[11]。

圖6 優(yōu)化前后收集設(shè)備狀態(tài)信息流程Fig.6 Process of collecting equipment status information before and after optimization

優(yōu)化前后變電站現(xiàn)場(chǎng)停電檢修流程如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后變電站現(xiàn)場(chǎng)停電檢修流程Fig.7 Optimize the on-site outage maintenance process of substations before and after optimization

由圖7(a)和圖7(b)可知，優(yōu)化前，變電站現(xiàn)場(chǎng)停電檢修操作流程相對(duì)復(fù)雜，存在作業(yè)人員相互等待浪費(fèi)時(shí)間較多，即檢修試驗(yàn)人員等待運(yùn)維人員倒閘操作和運(yùn)維人員等待檢修試驗(yàn)人員檢修試驗(yàn)等時(shí)間。優(yōu)化后，將倒閘操作、檢修和試驗(yàn)的流程進(jìn)行了合并和簡(jiǎn)化，綜合班組人員在變電站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)對(duì)接受調(diào)度指令、停電倒閘操作、布置安全措施、工作票許可、變電設(shè)備檢修試驗(yàn)、驗(yàn)收和恢復(fù)送電倒閘操作等工作中的每一個(gè)步驟都是一體化工作，充分利用了現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員，即使在倒閘操作中遇到斷路器無(wú)法分合、控制回路斷線等缺陷時(shí)，也能夠迅速消除，優(yōu)化后的流程使得變電站變電設(shè)備的運(yùn)維檢修工作更加規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，讓變電站實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與綜合效益最大化[12]。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)網(wǎng)電力輸送網(wǎng)絡(luò)可以利用SCADA系統(tǒng)從變電站設(shè)備中收集各種信號(hào)。監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)的新技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了制定電氣設(shè)備預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃的目的，該方法通過(guò)使用實(shí)時(shí)信息對(duì)設(shè)備的實(shí)際條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且識(shí)別SCADA系統(tǒng)異

常數(shù)據(jù)中的單個(gè)或一系列變電故障設(shè)備，同時(shí)制作統(tǒng)計(jì)報(bào)告和關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)對(duì)維護(hù)工作進(jìn)行評(píng)價(jià)。

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果高級(jí)電力數(shù)據(jù)分析要有更精確的結(jié)果，站計(jì)算機(jī)和SCADA系統(tǒng)都必須嚴(yán)格遵循維護(hù)規(guī)則。數(shù)據(jù)點(diǎn)描述的信息質(zhì)量與通過(guò)SCADA數(shù)據(jù)得出的結(jié)論直接相關(guān)。SCADA數(shù)據(jù)的使用提高了數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息質(zhì)量，因此在使用SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理至關(guān)重要，對(duì)變電站的檢修管理也有很大的幫助。