變電站分布式繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗方法

摘 要：當前繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗模型多為單項執(zhí)行結構，檢驗范圍較小，促使最終得出的重疊檢驗誤差增加，為此提出對變電站分布式繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗方法的設計與驗證。根據(jù)當前測定，先進行繼電保護裝置失效特征提取，設置閉環(huán)檢驗標準，采用多階的方式，提升檢驗范圍，設計多階閉環(huán)自動化檢驗模型，采用自適應定點的方式來處理實現(xiàn)檢驗。測試結果表明，在預設的兩個階段中，針對選定的5個測試覆蓋區(qū)域，計算得出的重疊檢驗誤差被控制在2.2以下，說明此次設計的繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗速度和精度較高，穩(wěn)定性強，檢驗結果更加可靠。

關鍵詞：變電站；分布式繼電保護；保護裝置；閉環(huán)自動化；檢驗方法；遠程控制

中圖分類號：TM 77" " 文獻標志碼：A

分布式繼電保護裝置是變電站的重要保護設備，對保證電力系統(tǒng)運行至關重要。當前，較常用的繼電保護裝置檢驗方法一般是定向識別或者范圍標定的檢測形式，雖然能實現(xiàn)持續(xù)性檢測，但是存在效率低、操作復雜的問題，無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的高效、智能需求[1]。因此，本文提出變電站分布式繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗方法，利用現(xiàn)代計算機技術、通信技術、控制技術等手段構建自動化檢驗系統(tǒng)[2]。雖然增加了數(shù)據(jù)采集、處理、分析、判斷等多個環(huán)節(jié)，但能實現(xiàn)對繼電保護裝置的全面、快速、準確檢驗，提高檢驗效率和精度。同時，降低人工操作的復雜性和誤差率，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全隱患，適應電力系統(tǒng)的發(fā)展變化，提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1 設計變電站繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗方法

1.1 繼電保護裝置失效特征提取

當設計閉環(huán)自動化檢驗方法時，需要對繼電保護裝置的失效特征進行提取。這些失效特征包括電氣參數(shù)的異常變化、保護動作的不正確或延遲等。對這些失效特征進行提取和分析，可以判斷繼電保護裝置是否存在故障，從而制定相應的檢修和維護策略。

具體來說，失效特征提取可以分為以下3個步驟。1）數(shù)據(jù)采集。利用傳感器和監(jiān)測設備實時采集繼電保護裝置的電氣參數(shù)和保護動作信息。這些數(shù)據(jù)包括電壓、電流、功率、頻率等電氣參數(shù)，保護裝置的啟動、復歸等動作信息。2）數(shù)據(jù)預處理。對采集的原始數(shù)據(jù)進行清洗、濾波和標準化處理，消除噪聲和異常值的影響，提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。3）特征提取算法。利用采集的信號處理，對失效特征進行進一步提取[3]。明確劃分應用信號的覆蓋時域、頻域，提取失效信號中的關鍵特征參數(shù)，見表1。結合表1采集繼電保護裝置的時域、頻域關鍵特征。特征參數(shù)直觀地反映裝置的性能狀態(tài)，還需要測定對應的特征值。4）特征選擇。從提取的眾多特征中選擇最具代表性的特征，用于后續(xù)的故障診斷和分類。

在特征選擇過程中，一個重要的公式是皮爾遜相關系數(shù)（Pearson correlation coefficient），可以衡量2個變量之間的線性相關程度，其計算公式如公式（1）所示。

（1）

式中：x、y為2個變量；xi、yi分別為x、y的樣本值；μx、μy分別為x、y的均值。

ρ（x，y）的取值范圍為-1～1，值越接近1表示正相關性越強，值越接近-1表示負相關性越強，值為0表示無相關性。

通過計算繼電保護裝置各電氣參數(shù)之間的皮爾遜相關系數(shù)，可以分析它們之間的關聯(lián)程度，從而提取與失效相關的特征。例如，當某個電氣參數(shù)與其他參數(shù)的相關性發(fā)生顯著變化時，意味該參數(shù)出現(xiàn)異常，可以推斷繼電保護裝置存在故障。

需要注意的是，在提取失效特征的過程中，盡量保證數(shù)據(jù)的完整性和準確性，并結合裝置的實際運行情況和電力系統(tǒng)的需求，進一步優(yōu)化裝置的參數(shù)配置，為繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗奠定基礎。

1.2 閉環(huán)檢驗標準設置與多階閉環(huán)自動化檢驗模型設計

在變電站繼電保護裝置的閉環(huán)自動化檢驗中，設計多階閉環(huán)自動化檢驗模型能夠對不同層次的故障進行逐級排查和處理，提高檢驗的精細度和可靠性。

閉環(huán)檢驗標準的設置需要考慮多個方面，包括電氣參數(shù)的閾值、保護動作的時間窗、故障判別的準確率等。這些標準需要根據(jù)實際的電力系統(tǒng)運行情況、繼電保護裝置的性能特點以及相關的行業(yè)規(guī)范進行制定。例如，針對電氣參數(shù)的閾值，可以通過分析歷史數(shù)據(jù)、結合專家經驗來確定合理的上下限值。針對保護動作的時間窗，需要根據(jù)保護裝置的響應速度和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求進行設定。結合變電站分布式繼電保護裝置運行實況，以多階檢驗來代替單向檢驗，強化檢驗結果的真實性。閉環(huán)檢驗標準的設置是確保檢驗過程規(guī)范、準確的基礎[4]。因此，設定的過程中應基于電力系統(tǒng)的實際需求和繼電保護裝置的性能特點來制定，具體如下所示。1）靈敏性檢驗。結合繼電保護裝置的運行，對其異常情況感知的靈敏程度。2）動作時間。對實際錯誤動作的瞬時捕捉時間，判定自動化檢驗的實際速度。3）可靠性。檢驗是以自動化形式對比閉環(huán)檢測的穩(wěn)定、可靠，確保閉環(huán)檢測結果的真實性。

結合上述設定的閉環(huán)檢驗標準，設計多階閉環(huán)自動化檢驗模型。將檢驗過程劃分為多個階段，設置數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及反饋優(yōu)化等環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)控制。根據(jù)預設的檢驗標準對裝置性能進行評估，根據(jù)具體的閉環(huán)需求，捕捉異常位置的信號[5]，并對其進行整合處理，設計模型的階閉環(huán)自動化檢驗流程，如圖1所示。

結合圖1，對模型多階閉環(huán)自動化檢驗流程進行設計和實踐。此時，可以結合基礎的仿真系統(tǒng)模擬各種復雜的電網繼電保護裝置閉環(huán)故障場景，根據(jù)檢驗特征值來測試性能，此時可以設計模型自動化檢驗表達式，如公式（2）所示。

（2）

式中：H為自動化檢驗模型輸出結果；?為檢驗范圍；λ為異常區(qū)域標定；T為檢驗點位；S為失效特征[6]。

結合當前的測定，對最終得出的自動化檢驗模型輸出結果進行對比分析，通過大數(shù)據(jù)分析進行深度挖掘和處理，提取更多有價值的失效特征和性能優(yōu)化建議，進一步完善自動化檢驗模型的穩(wěn)定性。

1.3 自適應定點處理實現(xiàn)檢驗

自適應定點處理的核心思想是根據(jù)裝置的實際運行狀態(tài)和性能特點，動態(tài)調整檢驗過程中的數(shù)據(jù)處理方式和精度要求。根據(jù)不同場景下的需求，自動選擇最合適的處理方法和參數(shù)，以確保檢驗結果的準確性和可靠性。對裝置的運行數(shù)據(jù)進行實時采集和預處理，并對數(shù)據(jù)進行定點化處理[7]。結合繼電保護裝置的性能特點和故障特征計算定點檢驗限值，如公式（3）所示。

（3）

式中：I為定點檢驗限值；?為故障特征；X為定點速度；E為單元范圍。

將得出的定點檢驗限值設置為自適應定點標準，與閉環(huán)自動化檢驗的其他環(huán)節(jié)相結合，形成一體化的檢驗結構，實現(xiàn)檢驗過程的持續(xù)優(yōu)化和改進。需要注意的是，當前所設定的自適應定點形式并不是固定的，在針對繼電保護進行檢測的過程中，可以隨時調整、轉換，增加檢測的覆蓋范圍以及綜合靈活度[8]，不斷強化繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗結果。此外，自適應檢測的對比標準也需要及時調整、更新，從而保證檢驗數(shù)據(jù)的真實性、可靠性。

2 方法測試

結合實際的變電站控制管理要求，在復雜的電網運行環(huán)境下，對變電站分布式繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗方法測試環(huán)境進行關聯(lián)、設定。選定G變電站作為測試的輔助目標對象，利用專業(yè)的電網平臺和裝置采集實時運行數(shù)據(jù)和信息，匯總整合相關數(shù)據(jù)后，采用對比的形式進行驗證。接下來，綜合閉環(huán)檢驗的原則，細化部署具體測試環(huán)境。

2.1 測試準備

G變電站的覆蓋范圍相對較大，日常電網及電路的可控針對性和穩(wěn)定性也相對較強。因此，需要增加對繼電保護裝置的控制與調整。隨機選定5條輸電線路進行測試，并劃分對應的覆蓋區(qū)域，區(qū)域內部設置監(jiān)測點，各個監(jiān)測點之間搭接聯(lián)系，形成閉環(huán)式的監(jiān)測結構，有助于采集實時數(shù)據(jù)和信息。另外，各個位置的節(jié)點還需要對接入的大型等值電力機組運行狀態(tài)進行監(jiān)測，形成一個獨立的檢驗區(qū)域。值得注意的是，當前還需要將預設的自動化檢驗程序導入檢驗測試環(huán)境中，確保后期的感應對比可以正常進行。接下來，設置對應的測試環(huán)境與參數(shù)，見表2。

根據(jù)表2對測試環(huán)境和參數(shù)進行設置。在此基礎上，還需要設定和支撐測試硬件環(huán)境。一般情況下，繼電保護需要增設傳感裝置以及電壓電流識別設備做輔助，建立應用聯(lián)系，如圖2所示。

結合圖2實現(xiàn)對繼電保護裝置測試硬件的支撐關聯(lián)。當前，確定測試設備與裝置的穩(wěn)定運行之后，尋找并標定失效中繼電保護穩(wěn)定平衡點，調整此時電力機組的機電模式，鎖定繼電保護裝置的覆蓋影響范圍，完成對當前測試環(huán)境的設定和搭建工作。

為了確保測試結果的可靠性，設置異常對比檢驗輔助測試條件，見表3。

收集繼電保護裝置在正常運行和故障狀態(tài)下的多個電氣參數(shù)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率等。對收集的原始數(shù)據(jù)進行清洗、濾波和標準化處理，以消除噪聲和異常值的影響。使用皮爾遜相關系數(shù)公式來計算電壓和電流之間的相關性。如果ρ（x，y）的值接近1，就表示電壓和電流之間存在強正相關關系，這通常表示繼電保護裝置在正常運行狀態(tài)。如果ρ（x，y）的值顯著偏離1（例如小于某個預設的閾值），就表示這兩個參數(shù)之間存在異常關系，指示繼電保護裝置存在潛在故障。

在閉環(huán)檢驗標準中，設置具體的參數(shù)閾值，針對電壓參數(shù)的閾值，設置正常運行時電壓的上下限為 220V ± 5%，即209V～231V。如果檢測到的電壓值超出這個范圍，那么表示存在故障。

針對保護動作的時間窗，設置保護動作的最大延遲時間為50ms，如果保護裝置的實際動作時間超過這個值，就表示存在故障或性能下降。

設置定點檢驗限值為0.8，故障特征值為1.2，定點速度為30ms，單元范圍為1，自動化檢驗模型輸出結果1表示通過，0表示未通過，檢驗范圍是故障特征、定點速度和單元范圍的綜合，設定為一個多維空間或區(qū)間，失效特征 （`）：這是描述裝置失效或性能下降的特定參數(shù)或特征為重疊檢驗誤差。

2.2 測試過程及結果分析

計算出重疊檢驗誤差，如公式（4）所示。

（4）

式中：P為重疊檢驗誤差；φ為重疊區(qū)域；?為擾動頻率；μ1和μ2分別為基礎檢驗區(qū)域和實際檢驗區(qū)域。

根據(jù)以上測定，對最終得出的結果進行對比分析，見表4。

根據(jù)表4對測試結果進行分析：在預設的2個階段中，針對選定的5個測試覆蓋區(qū)域，計算得出的重疊檢驗誤差控制在2.2以下，說明此次設計的繼電保護裝置閉環(huán)自動化檢驗速度和精度較高、穩(wěn)定性強、檢驗結果更可靠。

3 結語

本文結合實際的檢驗需求，深入理解閉環(huán)自動化檢驗方法的核心原理和技術實現(xiàn)，設計更靈活、更多變的檢驗模式，在復雜背景環(huán)境下，短時間內提升檢驗效率、保障電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。同時，結合電力系統(tǒng)實際運行需求進行動態(tài)調控，確保閉環(huán)自動化檢驗方法能夠真正服務于電力系統(tǒng)，推動電力系統(tǒng)快速朝智能化、自動化方向發(fā)展。

參考文獻

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