變電站繼電保護測試設備的自動化設計與實現(xiàn)研究

[摘 要]文章通過引入高精度傳感器、智能測試系統(tǒng)及先進的數(shù)據(jù)采集與分析技術，構建了一個智能化測試平臺。研究結果表明，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的準確性、響應時間、故障檢測和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異，為變電站的安全高效運行提供了強有力的技術支持。

[關鍵詞]變電站；繼電保護測試設備；自動化設計與實現(xiàn)

[中圖分類號]TM774 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0134–03

Research on the Automation Design and Implementation of Substation Relay Protection Testing Equipment

HU Bohua

[Abstract]This study focuses on the automation design and implementation of relay protection testing equipment for a substation in Ningxia. By introducing high-precision sensors， intelligent testing systems， and advanced data acquisition and analysis technologies， an intelligent testing platform is constructed. The research results indicate that the system performs excellently in terms of data collection accuracy， response time， fault detection， and system stability， providing strong technical support for the safe and efficient operation of substations.

[Keywords]substation； relay protection testing equipment； automated design and implementation

1 工程概況

本研究以寧夏某變電站為例，該變電站的額定容量為200 MVA，配置了高壓與低壓側的繼電保護裝置，主要承擔周邊區(qū)域的電力供應任務。在日常運行過程中，該變電站面臨著多種技術挑戰(zhàn)，如繼電保護誤動、延時動作和設備老化等問題。這些問題不僅嚴重影響了電力供應的穩(wěn)定性，還可能導致設備損壞和停電事故，給用戶和企業(yè)帶來嚴重損失。因此，亟需采用自動化設計對繼電保護測試設備進行改進從而提高整體設備的穩(wěn)定性和安全性。

2 變電站繼電保護測試設備的自動化設計

2.1 系統(tǒng)架構設計

本項目的系統(tǒng)架構采用的是分層設計理念，主要分為感知層、傳輸層和應用層3個部分，如圖1所示。

（1）感知層。該層負責數(shù)據(jù)的實時采集，包括繼電保護裝置的工作狀態(tài)、電流電壓參數(shù)等信息。使用高精度傳感器和智能測試儀器，實時監(jiān)測各項參數(shù)。傳感器的精度應達到0.5%以內(nèi)，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

（2）傳輸層。負責將感知層收集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊或有線網(wǎng)絡傳輸至應用層。采用工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議（如MQTT或Modbus）進行數(shù)據(jù)傳輸，以確保在電力環(huán)境下的穩(wěn)定性和實時性。

（3）應用層。該層主要包括數(shù)據(jù)分析與處理模塊、用戶界面和故障診斷模塊。數(shù)據(jù)分析模塊運用大數(shù)據(jù)分析技術，對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理，及時識別設備的異常狀態(tài)并生成分析報告。

2.2 硬件配置

硬件配置（表1）選擇了高精度智能傳感器，用于實時監(jiān)測電流、電壓和頻率等關鍵參數(shù)。在測試儀器方面，本設計選擇了多通道自動化繼電保護測試儀，該儀器具備至少8個通道的輸入和輸出能力，能夠同時對多組保護裝置進行測試。測試儀的頻率響應范圍設定為10 Hz～20 kHz，該儀器同時支持快速斷開和恢復測試，降低對設備正常運行的影響。通訊設備采用了工業(yè)級無線通訊路由器，支持4G/5G和Wi-Fi雙重通訊方式，具備良好的抗干擾能力和數(shù)據(jù)加密功能。服務器配置方面，部署了1臺高性能服務器，搭載Intel Xeon處理器、32 GB內(nèi)存和1 TB SSD存儲，滿足高并發(fā)數(shù)據(jù)處理的需求。該服務器運行Linux操作系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，負責接收、存儲和處理來自各設備的數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的高效運行。

2.3 軟件設計

在軟件設計中，系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)處理和用戶界面3大模塊，確保整體系統(tǒng)的高效運作。

系統(tǒng)管理模塊負責全面的設備管理和用戶權限控制功能，管理人員通過該模塊能夠?qū)崟r監(jiān)控所有連接的傳感器和測試儀器，并及時調(diào)整測試參數(shù)。數(shù)據(jù)處理模塊可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集、存儲和分析功能。用戶界面模塊設計為友好的圖形用戶界面（GUI），操作人員可實時查看各項監(jiān)測數(shù)據(jù)和測試結果。

2.4 數(shù)據(jù)管理

（1）數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)管理模塊設計中，系統(tǒng)可通過高精度傳感器采集電流、電壓和頻率等關鍵參數(shù)，實時監(jiān)測變電站繼電保護裝置的工作狀態(tài)。根據(jù)變電站額定容量為200 MVA的實際情況，本設計設定數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz，傳感器的電流測量范圍設定為0.1～500 A，電壓范圍為300～1 000 V。

（2）數(shù)據(jù)存儲。在數(shù)據(jù)管理模塊設計中，系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的持久性和安全性?？紤]到變電站預計年負荷達到5 000 MW·h，數(shù)據(jù)庫的設計將具備高可用性和冗余備份功能，確保在設備運行過程中即使發(fā)生故障也不會導致數(shù)據(jù)丟失。此外，系統(tǒng)將設置數(shù)據(jù)訪問權限，確保只有授權的運維人員能夠訪問和操作關鍵數(shù)據(jù)，提升整體系統(tǒng)的安全性。初步預計數(shù)據(jù)存儲容量需要達到至少10 TB，才能滿足長時間數(shù)據(jù)積累和存檔的需求。

（3）數(shù)據(jù)分析。針對數(shù)據(jù)分析功能引入了機器學習算法，通過對歷史數(shù)據(jù)進行深入分析和預測，結合變電站的運行數(shù)據(jù)，特別是繼電保護裝置在不同負載下的表現(xiàn)，采用聚類分析方法將設備工作狀態(tài)進行分類，識別正常和異常狀態(tài)。例如，通過分析過載保護設定為1.5倍額定電流的歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可實時監(jiān)控并預測可能出現(xiàn)的故障風險。此外，通過異常檢測技術，系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障，并根據(jù)設定的閾值判斷異常程度，指導運維人員進行有效的維護決策。在數(shù)據(jù)分析過程中，還可以定期生成分析報告為運維人員提供數(shù)據(jù)洞察，幫助其優(yōu)化維護策略，從而提升變電站的整體管理水平和設備的可靠性。數(shù)據(jù)分析工作流程如圖2所示。

3 變電站繼電保護測試設備自動化設計的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成需要將高精度傳感器、自動化測試儀器和工業(yè)路由器與軟件平臺有效集成。采用Modbus協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率要求達到9 600 bps，滿足實時監(jiān)測需求。系統(tǒng)管理模塊分為設備監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和用戶權限控制。設備監(jiān)控模塊每5 s獲取傳感器數(shù)據(jù)并緩存，數(shù)據(jù)處理模塊則動態(tài)監(jiān)控電流和電壓參數(shù)。為保證穩(wěn)定性，設定異常狀態(tài)閾值，電流超過1.5倍額定電流時自動觸發(fā)警報。用戶權限控制采用角色訪問控制，確保不同操作人員的權限。

3.2 測試驗證

系統(tǒng)集成后進行全面功能測試和性能驗證。設定正常、過載和短路等多種測試場景。系統(tǒng)需連續(xù)運行48 h，確保數(shù)據(jù)采集頻率達到1 Hz，并驗證數(shù)據(jù)完整性。在過載測試中，模擬電流達到1.5倍額定電流，監(jiān)測系統(tǒng)能否在5 s內(nèi)識別異常。在短路測試中，電流快速上升至設定值（0.1 s內(nèi)），檢驗系統(tǒng)響應能力。測試期間記錄響應時間、數(shù)據(jù)丟失率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，確保在高負載條件下，最大響應時間控制在100 ms以內(nèi)。

3.3 現(xiàn)場部署

現(xiàn)場部署包括系統(tǒng)安裝、調(diào)試和人員培訓等。系統(tǒng)工程師需要根據(jù)設計合理選擇傳感器位置并采取防干擾措施，在通訊網(wǎng)絡配置中，工業(yè)級無線路由器需設定初始參數(shù)并測試信號強度，保證在變電站環(huán)境中穩(wěn)定運行。路由器通訊間隔設定為1 min，實時監(jiān)測網(wǎng)絡狀態(tài)。服務器優(yōu)化設置需要針對高并發(fā)需求，將CPU負載控制在80%以內(nèi)，內(nèi)存使用率保持在70%以內(nèi)。同時，需要對運維人員進行系統(tǒng)操作和故障處理培訓，包括演練報警處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)查看和報告生成等操作，確保運維人員熟練掌握系統(tǒng)功能。

4 效果評價

4.1 數(shù)據(jù)采集與準確性

在檢測中發(fā)現(xiàn)，該自動化系統(tǒng)的電流和電壓監(jiān)測頻率為1 Hz，傳感器精度達到0.5%。在48 h連續(xù)測試中，系統(tǒng)采集到86 433條數(shù)據(jù)，完整率達99.5%，可確保高負荷下數(shù)據(jù)的有效性。經(jīng)過多輪校準，傳感器在0.1～500 A測量誤差控制在0.25%以內(nèi)，有效降低了誤判風險。冗余數(shù)據(jù)采集機制保證了主傳感器失效時可自動切換至備份傳感器，確保了監(jiān)測連續(xù)性。

4.2 響應時間與故障檢測

在過載和短路測試中，系統(tǒng)對1.5倍額定電流的反應時間平均為4.8 s，符合5 s的預設要求。在短路條件下，系統(tǒng)在0.08 s內(nèi)檢測到異常并發(fā)出警報。通過機器學習算法，系統(tǒng)成功識別出8次潛在故障狀態(tài)，提供了提前預警，減輕了設備老化風險。誤報率保持在0.3%以下，進一步提高了故障檢測的準確性，減輕了運維人員的負擔。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性與并發(fā)處理能力

在多通道測試中，系統(tǒng)最大響應時間穩(wěn)定在90 ms，遠低于100 ms的閾值，表明在高負載下仍能保持良好性能。服務器在高并發(fā)情況下，CPU負載保持在75%左右，內(nèi)存使用率控制在65%以內(nèi)，資源利用效率良好。在處理瞬時大量數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)維持較低延遲，有效提高了數(shù)據(jù)處理的實時性和準確性。

5 結束語

本研究以寧夏某變電站繼電保護測試設備為例，通過高精度傳感器和智能測試系統(tǒng)，該變電站在數(shù)據(jù)采集、故障檢測及響應時間等方面均達到了預期效果。

參考文獻

[1] 王浪群.電力綜合自動化系統(tǒng)與變電站的繼電保護研究[J].中華紙業(yè)，2024，45（9）：115-117.