智能變電站繼電保護在線運行狀態(tài)評估

［摘 要］文章介紹了繼電保護系統(tǒng)的基本組成，且通過構(gòu)建精確的設(shè)備模型，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)信息的全面感知與整合，并提出了保護設(shè)備在線評估的關(guān)鍵指標與評估方法。為進一步提升評估的準確性和效率，引入了可靠性框圖和故障樹分析等先進技術(shù)，并設(shè)計了一個全面的保護設(shè)備在線狀態(tài)評估系統(tǒng)。該研究成果對于提升智能變電站繼電保護系統(tǒng)的運維管理水平、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

［關(guān)鍵詞］智能變電站；繼電保護；在線評估；運行信息；指標評估

［中圖分類號］TM73 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0055–03

1 繼電保護系統(tǒng)的基本組成

繼電保護系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其主要任務(wù)是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障和異常的情況下，迅速切除故障原件，防止故障擴大，保證非故障部分繼續(xù)安全運行。該系統(tǒng)的基本組成如下。

1.1 測量元件

測量元件負責檢測被保護元件的電氣量（如電流、電壓、功率等）的變化情況，這些電氣量能夠反應(yīng)電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電氣量會發(fā)生變化，測量元件能夠快速地捕捉到這些變化。

1.2 邏輯判斷元件

邏輯判斷元件用于接收來自測量元件的電氣量信息，并根據(jù)預(yù)定的邏輯規(guī)則進行判斷。若判斷結(jié)果為電力系統(tǒng)發(fā)生故障，邏輯判斷元件會執(zhí)行跳閘指令；若判斷結(jié)果為電力系統(tǒng)正?；虍惓５形催_到故障程度，則可能發(fā)出報警信號或進行其他處理。

1.3 執(zhí)行元件

執(zhí)行元件負責接收邏輯判斷元件的指令，并驅(qū)動相應(yīng)的斷路器或繼電器等設(shè)備動作。當接收到跳閘指令時，執(zhí)行元件會迅速切斷故障元件與電力系統(tǒng)的聯(lián)系，以隔離故障并防止其擴大。

2 保護設(shè)備建模及運行數(shù)據(jù)感知

2.1 模型介紹

2.1.1 IEC61850標準系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IEC61850 標準系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是電力自動化領(lǐng)域中的一項重要規(guī)范，其為智能變電站的通信和建模提供了統(tǒng)一的框架：①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義了智能變電站的基本組成部分，包括站控層、間隔層和過程層，每層都承擔著特定的功能和任務(wù)。②系統(tǒng)詳細闡述了各層之間的通信機制，包括GOOSE（面向通用對象的變電站事件）和SV（采樣值）等通信服務(wù)，這些通信服務(wù)確保了信息的實時傳輸和高效處理。③ IEC61850 規(guī)定了數(shù)據(jù)模型的定義和建模方法，通過標準化的對象模型和數(shù)據(jù)屬性，使得不同廠商的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無縫集成和互操作，特別是在標準模型、通信等方面。

2.1.2 基于IEC61850保護設(shè)備建模

基于IEC61850 標準的保護設(shè)備建模涉及對保護設(shè)備的功能、參數(shù)及與其他系統(tǒng)組件的交互進行精確描述和定義。在建模過程中，需要參考IEC61850 標準中定義的數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型，數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型為建模提供了標準化的框架和指導(dǎo)。即保護設(shè)備建模需要涵蓋設(shè)備的邏輯節(jié)點（LogicalNode）、數(shù)據(jù)對象（DataObject）、數(shù)據(jù)屬性（DataAttribute）及它們之間的關(guān)系。不同邏輯節(jié)點代表了設(shè)備中的特定功能單元，如測量、控制、保護等；數(shù)據(jù)對象則描述了功能單元所需的數(shù)據(jù)和信息；數(shù)據(jù)屬性則定義了數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容和格式。在建模過程中，需要根據(jù)保護設(shè)備的實際功能和需求，定義相應(yīng)的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象，并為其分配唯一的標識符和屬性。

2.2 運行信息運用狀態(tài)及整合

在智能變電站的運行過程中，運行信息的運用狀態(tài)和整合是確保系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。運行信息包含了保護設(shè)備、開關(guān)設(shè)備、傳感器等各個部分的實時數(shù)據(jù)，反映了變電站當前的運行狀況。

（1）運行信息的運用狀態(tài)涉及對數(shù)據(jù)的實時收集、處理和分析。通過先進的監(jiān)測技術(shù)，可以實時獲取設(shè)備的運行狀態(tài)、電氣參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和分析后，能夠為運行人員提供有關(guān)系統(tǒng)健康狀況、潛在故障及性能優(yōu)化等方面的信息。

（2）運行信息的整合是將來自不同設(shè)備和系統(tǒng)的信息進行綜合處理的過程。由于智能變電站中的設(shè)備種類繁多、信息源復(fù)雜，因此需要將來自不同設(shè)備和系統(tǒng)的信息進行整合，形成一個全面、統(tǒng)一的信息視圖。通過整合，可以更好地理解系統(tǒng)的整體運行狀況，為決策提供有力的支持。

（3）在運行信息整合的過程中，需要考慮信息的準確性、實時性和一致性。準確性是指整合后的信息能夠真實反映系統(tǒng)的運行狀況；實時性是指信息能夠快速地傳輸和處理，滿足對系統(tǒng)實時監(jiān)控的需求；一致性則是指整合后的信息在不同設(shè)備和系統(tǒng)之間保持一致，避免信息沖突和誤解。在智能變電站中，傳統(tǒng)的標準系統(tǒng)架構(gòu)并不完全適用于保護設(shè)備的通信需求。智能變電站保護及測控通信結(jié)構(gòu)拓撲如圖1所示。

3 保護設(shè)備在線評估指標及評估方法

3.1 保護設(shè)備在線評估指標

3.1.1 狀態(tài)評估指標分析

（1）明確狀態(tài)評估指標的目的，即全面、準確地反映保護設(shè)備的運行狀態(tài)。這些指標能夠涵蓋設(shè)備的各個方面，包括電氣性能、機械性能、環(huán)境條件等。

（2）狀態(tài)評估指標應(yīng)該具有可量化、可比較的特點。通過具體的數(shù)值或等級，可以對保護設(shè)備的狀態(tài)進行直觀的判斷和評估。

（3）在評估指標的選擇上，需要考慮設(shè)備的類型、功能及運行環(huán)境等因素。不同類型的設(shè)備可能有不同的評估指標，如對于斷路器，可以關(guān)注其分合閘時間、操作次數(shù)等；對于保護裝置，可以關(guān)注其動作時間、動作準確性等。

3.1.2 智能變電站繼電保護裝置狀態(tài)信息評價指標

在智能變電站中，繼電保護裝置的狀態(tài)信息評價是確保電力系統(tǒng)可靠運行的重要環(huán)節(jié)。

（1）在評價指標的選擇上，根據(jù)繼電保護裝置的特點和實際需求進行篩選，常見的評價指標包括動作正確率、動作時間、自檢功能、通信狀態(tài)及環(huán)境條件等。

（2）隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，還需要關(guān)注繼電保護裝置與其他智能設(shè)備之間的互操作性和協(xié)同工作能力。因此，在評價指標中還可以考慮加入與智能電網(wǎng)相關(guān)的指標，如信息交換能力、遠程控制功能等。

（3）在評估智能變電站的繼電保護裝置狀態(tài)時，絕緣電阻的測量是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。絕緣電阻的評估可以通過兩種方式進行，即離線采樣和在線測量。

3.1.3 可視化研究及應(yīng)用

智能變電站繼電保護在線運行狀態(tài)評估的可視化研究及應(yīng)用，是電力行業(yè)信息化和智能化發(fā)展的重要方向。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，繼電保護裝置作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要防線，其在線運行狀態(tài)評估的準確性和實時性對電網(wǎng)的安全運行至關(guān)重要。

可視化技術(shù)通過圖形、圖像、動畫等直觀形式，將繼電保護裝置的運行狀態(tài)、參數(shù)變化、故障信息等復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易于理解和分析的視覺信息。在智能變電站繼電保護在線運行狀態(tài)評估中，可視化技術(shù)的應(yīng)用可以提高評估的效率和準確性，幫助運維人員更直觀地了解設(shè)備的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取相應(yīng)的措施。但需要注意的是，在可視化研究中，需要關(guān)注如何有效地將繼電保護裝置的運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視覺信息，并設(shè)計合理的可視化界面和交互方式。其中會涉及數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、人機交互技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)等多個領(lǐng)域的知識。而通過深入研究以上技術(shù)，可以開發(fā)出更加高效、直觀、易用的可視化工具，為智能變電站繼電保護在線運行狀態(tài)評估提供有力支持。此外，在可視化應(yīng)用方面，還可以將可視化技術(shù)應(yīng)用于繼電保護裝置的實時監(jiān)控、故障診斷、性能分析等方面。

3.2 保護設(shè)備在線評估方法

（1）利用先進的傳感器和監(jiān)測設(shè)備，實時收集變電站內(nèi)各類設(shè)備的電壓、電流、溫度、振動等信息，這是用于評估設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)分析結(jié)果，對設(shè)備的性能、潛在的安全隱患等進行評估。

（3）基于設(shè)備在線評估結(jié)果，制訂針對性的維護計劃，對于健康狀況優(yōu)良的設(shè)備，可以延長維護周期；對于存在潛在安全隱患的設(shè)備，需要及時進行維護和更換，避免發(fā)生安全事故。

4 在線運行狀態(tài)評估技術(shù)

4.1 可靠性框圖

可靠性框圖（Reliability Block Diagram，RBD）是一種直觀展示系統(tǒng)各部件之間可靠性關(guān)系的圖形化工具。在智能變電站繼電保護系統(tǒng)中，通過構(gòu)建可靠性框圖，可以清晰地描繪出各保護裝置、控制回路、通信鏈路等關(guān)鍵部件之間的邏輯關(guān)系，進而分析這些部件對系統(tǒng)整體可靠性的影響。在可靠性框圖中，不同的部件通過串聯(lián)、并聯(lián)、混合等方式連接，形成一個完整的系統(tǒng)可靠性模型。通過該模型，可以定量地計算出系統(tǒng)的可靠度、故障率等關(guān)鍵指標，為系統(tǒng)維護和故障預(yù)測提供科學依據(jù)。

4.2 故障樹分析

故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是一種從上往下、由頂及底逐層細化的系統(tǒng)分析方法。在智能變電站繼電保護系統(tǒng)中，故障樹分析主要用于分析可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效的各種故障因素及其組合。故障樹以一個特定的系統(tǒng)失效事件作為頂事件，然后逐層向下分析導(dǎo)致該項事件發(fā)生的所有可能故障模式。每個故障模式都通過一個邏輯門（如與門、或門等）與下一層的故障因素相連，形成一個樹狀結(jié)構(gòu)。通過分析故障樹，可以找出導(dǎo)致系統(tǒng)失效的最小割集（即導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最低層次故障因素組合），進而確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵部件。

在智能變電站繼電保護系統(tǒng)中，故障樹分析可以幫助運維人員深入理解系統(tǒng)失效的機理和原因，為制訂針對性的維護措施和故障預(yù)防策略提供有力支持，將其用于系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化階段，通過預(yù)先分析可能存在的故障因素，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和安全性。

5 保護設(shè)備在線狀態(tài)評估系統(tǒng)設(shè)計

智能變電站繼電保護設(shè)備在線狀態(tài)評估系統(tǒng)的設(shè)計，是確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)通過集成先進的監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)分析方法和評估算法，能夠?qū)崟r、準確地評估繼電保護設(shè)備的運行狀態(tài)，為運維人員提供及時、有效的決策支持。在設(shè)計智能變電站繼電保護設(shè)備在線狀態(tài)評估系統(tǒng)時，需要考慮以下幾個關(guān)鍵方面。

5.1 全面性

系統(tǒng)需要能夠全面監(jiān)測繼電保護設(shè)備的各項參數(shù)和性能指標，包括設(shè)備的電氣性能、機械性能、環(huán)境條件等多個方面，以確保評估結(jié)果的全面性和準確性。

系統(tǒng)需要具備強大的數(shù)據(jù)處理和分析能力。通過收集實時運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠運用先進的算法和模型，對設(shè)備的運行狀態(tài)進行深入分析，識別潛在的風險和問題。

此外，系統(tǒng)還需要具備友好的用戶界面和交互方式。通過直觀的圖形化界面和簡潔的操作流程，運維人員能夠方便地查看設(shè)備的運行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和評估結(jié)果，從而快速做出決策。

5.2 可擴展性

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要考慮系統(tǒng)的可擴展性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和設(shè)備種類的增加，系統(tǒng)需要能夠靈活地適應(yīng)新的評估需求和技術(shù)要求。系統(tǒng)還需要具備完善的故障自診斷和修復(fù)能力，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

6 結(jié)束語

智能變電站繼電保護在線運行狀態(tài)評估對于電網(wǎng)的正常運行和運維工作具有重要意義。文章所提評估方法通過實時監(jiān)測和分析繼電保護設(shè)備的運行狀態(tài)，確保了電網(wǎng)在遭受各種故障時能夠迅速、準確地切斷故障點，保護電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

參考文獻

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