智能變電站二次回路故障診斷技術(shù)探討

摘要：隨著電力系統(tǒng)智能化進(jìn)程的加速，傳統(tǒng)的二次回路故障檢測(cè)手段已難以滿足檢測(cè)速度與精度的要求。二次回路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起二次保護(hù)裝置、測(cè)控裝置保護(hù)邏輯判別失靈，導(dǎo)致智能變電站現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)開關(guān)誤動(dòng)、拒動(dòng)的現(xiàn)象，最終引發(fā)電力事故。在此背景下，系統(tǒng)地介紹了智能變電站二次系統(tǒng)故障診斷模型，并分析和提出了智能變電站繼電保護(hù)二次回路的在線監(jiān)測(cè)要點(diǎn)，通過(guò)[A2]"故障診斷策略與實(shí)例驗(yàn)證了系統(tǒng)在故障診斷方面的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：智能變電站 二次回路 回路故障 診斷技術(shù)

Exploration of Fault Diagnosis Technology for Secondary Circuit of Intelligent Substation

SHI Huiguang"" DONG Zhaofang""" WANG Junwei

Inner Mongolia Ultra High Voltage Power Supply Company， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010000 China

Abstract： With the acceleration of the intelligentization process of the power system， traditional secondary circuit fault detection methods are no longer able to meet the requirements of detection speed and accuracy. When the secondary circuit malfunctions， it can cause the protection logic discrimination of the secondary protection device and the measurement and control device to fail， resulting in switch misoperation and refusal to operate on site in the intelligent substation， ultimately leading to power accidents. In this context， a systematic introduction was made to the fault diagnosis model of the secondary system in intelligent substations， and the online monitoring points of the relay protection secondary circuit in intelligent substations were analyzed and proposed. The effectiveness and feasibility of the system in fault diagnosis were verified through fault diagnosis strategies and examples.

Key Words： Intelligent substation; Secondary circuit; Circuit fault; Diagnostic technology

自2009年國(guó)家電力公司率先開展智能變電站試驗(yàn)項(xiàng)目以來(lái)，全國(guó)范圍內(nèi)已成功投運(yùn)超過(guò)5 000座智能變電站。這些智能變電站，涵蓋第一代與第二代技術(shù)，憑借高度集成化的設(shè)計(jì)與優(yōu)化的布局，在提升經(jīng)濟(jì)性、促進(jìn)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。然而，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，智能變電站也暴露出維護(hù)工作量龐大、維護(hù)成本高昂等挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題已成為其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。因此，深入探索智能變電站二次回路故障診斷技術(shù)，已成為當(dāng)前電網(wǎng)科技研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。

1 智能變電站二次系統(tǒng)故障診斷模型

智能變電站二次系統(tǒng)作為電力體系的核心構(gòu)成，承擔(dān)著監(jiān)控、保護(hù)、計(jì)量等重要職責(zé)，是電網(wǎng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)集成了先進(jìn)的電子裝置與高效的通信網(wǎng)絡(luò)，為站內(nèi)各項(xiàng)任務(wù)提供了全面支持。在此背景下，本文提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型故障診斷技術(shù)模型，專門針對(duì)智能變電站的二次回路設(shè)計(jì)。該模型整合了多種診斷所需要的特征信息，這些信息來(lái)源于“綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱“綜自系統(tǒng)”）的報(bào)警信號(hào)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及設(shè)備診斷、報(bào)文診斷、配置校驗(yàn)和集成診斷等多個(gè)獨(dú)立且協(xié)同工作的模塊^[1]。

1.1設(shè)備智能診斷模塊

此模塊充分利用綜自系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施全面監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確識(shí)別任何異常狀況。設(shè)備故障涵蓋程序錯(cuò)誤、硬件損壞、信息采樣異常（如ISG故障）、開關(guān)機(jī)構(gòu)故障等多種類型。

1.2報(bào)文診斷模塊

該模塊借助網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包監(jiān)控與報(bào)警機(jī)制，針對(duì)智能變電站二次回路在故障時(shí)產(chǎn)生的通信網(wǎng)絡(luò)異常報(bào)警信息，進(jìn)行精確分析，迅速鎖定異常位置和關(guān)聯(lián)設(shè)備。通信網(wǎng)絡(luò)故障具體可以劃分為通信鏈路中斷、交換機(jī)失效、信息報(bào)文錯(cuò)誤等情形。

1.3配置校驗(yàn)?zāi)K

此模塊依據(jù)所有智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并結(jié)合智能變電站的配置文件中的信息，對(duì)所有IED的配置參數(shù)進(jìn)行逐一核對(duì)，確保各IED處于正確的運(yùn)行狀態(tài)。

1.4綜合診斷模塊

作為整個(gè)故障診斷技術(shù)模型的核心，該模塊負(fù)責(zé)整合并深入分析各診斷模塊的輸出結(jié)果，進(jìn)行細(xì)致的推理與判斷，最終得出全面且精確的診斷結(jié)論。在評(píng)估類別中，特別關(guān)注智能變電站二次回路切換動(dòng)作和保護(hù)邏輯異常的原因剖析，為故障處理提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。

2" 智能變電站繼電保護(hù)二次回路的在線監(jiān)測(cè)

2.1" 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)整體布局來(lái)看，該系統(tǒng)包括了調(diào)度管控中心、繼電保護(hù)在線監(jiān)控模塊、故障辨識(shí)單元、數(shù)據(jù)交互組件、網(wǎng)絡(luò)隔離與安全解析設(shè)備，以及防火墻與保護(hù)狀態(tài)在線評(píng)估裝置。這一架構(gòu)設(shè)計(jì)不僅促進(jìn)了繼電保護(hù)在線監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)在信息傳輸與指令調(diào)度方面的有效整合，還通過(guò)調(diào)度端層級(jí)式地收集智能變電站二次回路的工作狀態(tài)信息，并對(duì)其進(jìn)行指令處理。收集的數(shù)據(jù)經(jīng)由開關(guān)聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系被上傳至分析設(shè)備，用于后續(xù)線路運(yùn)行數(shù)據(jù)的評(píng)估與線路分析，隨后將監(jiān)控與診斷的反饋結(jié)果傳遞至二次回路，以實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)。當(dāng)二次回路遭遇異?；蚬收蠒r(shí)，系統(tǒng)會(huì)即刻切換至保護(hù)模式，對(duì)故障部位進(jìn)行深入剖析，并依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與歷史故障案例，進(jìn)行綜合判斷，最終生成線路故障統(tǒng)計(jì)報(bào)告，并提出與實(shí)際情況相符的故障處理方案與維修措施^[2]。

2.2智能變電站二次回路故障特性解析

為了精確鎖定智能變電站二次回路的故障位置，需要對(duì)其故障特性進(jìn)行提取。采用配電開關(guān)監(jiān)控終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）與傳感器，對(duì)智能變電站的二次回路實(shí)施不間斷的監(jiān)測(cè)。FTU的數(shù)據(jù)采集過(guò)程具體為：首先，借助電流互感器、電壓互感器等設(shè)備，采集并轉(zhuǎn)換弧光故障的相關(guān)信息，然后將其傳送至FTU；FTU會(huì)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行一系列的預(yù)處理，包括濾波、放大和數(shù)字化處理；FTU對(duì)預(yù)處理后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣與存儲(chǔ)，詳細(xì)記錄故障發(fā)生的具體時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和故障電流的最大值；FTU利用RS485或Ethernet等通信接口，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至上行控制單元（如配電網(wǎng)調(diào)度主站）進(jìn)行進(jìn)一步的分析與處理。

基于上述數(shù)據(jù)采集流程，本文構(gòu)建了一個(gè)故障數(shù)據(jù)樣本集合G。在選取某一數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)信號(hào)成分的幅度較小時(shí)，故障信號(hào)的衰減速度會(huì)明顯加快。因此，在存在故障信號(hào)的情況下，需要適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)數(shù)據(jù)的采集長(zhǎng)度，以便更準(zhǔn)確地描述原始信號(hào)，其[A3]"表達(dá)式為

F=G?Σ（AUcosθ）"" （1）

式（1）中：A表示信號(hào)成分的數(shù)量；U表示信號(hào)的幅度；θ表示信號(hào)的初始相位。假設(shè)在t時(shí)刻系統(tǒng)接收到了故障信號(hào)，那么t時(shí)刻接收到的故障特征信號(hào)可以表示為

I=E（t）∫（ω+m）+F"" （2）

式（2）中：E（t）表示振幅；ω表示相位；m表示頻率調(diào)制參數(shù)。基于上述表達(dá)式，可以獲取t時(shí)間內(nèi)接收到的故障特征信息，并對(duì)其進(jìn)行頻率調(diào)制，從而得到調(diào)制后的故障信號(hào)。

L=E（t）∫{I（ω+m）+h（t）}"" （3）

式（3）中：h（t）表示頻率調(diào)制后相位的變化。接下來(lái)，對(duì)故障特征進(jìn)行進(jìn)一步的分析，其表達(dá)式為

R=arcsin（L/ΣN=1^N_O）"" （4）

式（4）中：L表示調(diào)試后的故障信號(hào)。綜上所述，成功地實(shí)現(xiàn)了智能變電站二次回路故障特性的提取與分析^[3]。

2.3操控機(jī)制、信號(hào)獲取與量測(cè)技術(shù)

首先，智能變電站的控制架構(gòu)構(gòu)建中，采用了110 V或220 V的高壓直流電源作為一次電氣設(shè)備的操控能源，并借助硬接線的物理連接方式，將一次設(shè)備與計(jì)算機(jī)化的監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站的整體性管理。此外，在操作控制電路中嵌入了電力監(jiān)控的反饋機(jī)制，確保了對(duì)跳閘與合閘操作的閉環(huán)式監(jiān)控。在指示燈持續(xù)點(diǎn)亮的工作模式下，該機(jī)制構(gòu)建了防跳躍的預(yù)設(shè)功能，以保障防跳躍電路的穩(wěn)定運(yùn)行。在操作電路中系統(tǒng)還采用了雙指示燈配置的照明設(shè)計(jì)，[A4]"以在供電線路中斷時(shí)能夠迅速向運(yùn)維人員發(fā)出警告信號(hào)，并通過(guò)遠(yuǎn)程遙控的方式對(duì)高壓隔離開關(guān)進(jìn)行操控，使得10kV及以下電壓等級(jí)的電源隔離與接地開關(guān)能夠在現(xiàn)場(chǎng)靈活操作。這一設(shè)計(jì)確保了隔離開關(guān)、接地開關(guān)以及母線開關(guān)均具備完備的操作閉鎖邏輯，且各回路的供電是彼此獨(dú)立的，從而提升了繼電器次級(jí)電路設(shè)備的使用效能。

其次，在信號(hào)獲取系統(tǒng)的構(gòu)建層面，系統(tǒng)通過(guò)硬接線設(shè)備與通信技術(shù)的結(jié)合，將各類信號(hào)數(shù)據(jù)匯總至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用了高壓切換量輸入的電路電壓設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)信號(hào)采集的穩(wěn)固性與可靠性。運(yùn)維人員可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定同一信號(hào)單元，以提升對(duì)同類測(cè)試設(shè)備的監(jiān)控效能。在開關(guān)量與狀態(tài)量的采集過(guò)程中，系統(tǒng)能夠確保真實(shí)切換的狀態(tài)與系統(tǒng)內(nèi)部記錄保持一致，從而實(shí)現(xiàn)與繼電保護(hù)裝置、安全自動(dòng)裝置、故障信號(hào)配置等監(jiān)控體系的緊密關(guān)聯(lián)與極限狀態(tài)監(jiān)控。此外，交流不間斷電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所產(chǎn)生的重要信號(hào)，均可被統(tǒng)一接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，以確保監(jiān)控工作的全面性、過(guò)程監(jiān)控的連續(xù)性和信號(hào)響應(yīng)的及時(shí)性^[4]。

最后，在量測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程中，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的監(jiān)督作用。系統(tǒng)通過(guò)采用交流采樣技術(shù)或直流變送器的數(shù)據(jù)匯聚方式，進(jìn)一步提升了相關(guān)交流電參數(shù)的測(cè)量精度。在此過(guò)程中，系統(tǒng)能夠確保測(cè)量回路的交流電流額定值保持在1 A或5 A的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并將交流額定電壓電路的設(shè)定值維持在100 V。這一設(shè)定使計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠直接且高效地連接各電氣設(shè)備的監(jiān)控信號(hào)，從而顯著提高了測(cè)量的精確程度和信號(hào)連接的密集程度。通過(guò)上述技術(shù)手段的綜合運(yùn)用，智能變電站二次回路的故障診斷技術(shù)在操控機(jī)制、信號(hào)獲取與量測(cè)方面均實(shí)現(xiàn)了全面的優(yōu)化與提升。

2.4電流與電壓回路配置

首先，在智能變電站中，電流互感器的安裝被用于強(qiáng)化其電流監(jiān)測(cè)能力，并與變壓器的二次回路進(jìn)行連接，同時(shí)將配電單元與端子排接地相結(jié)合，確保一次回路的額定電壓與電壓互感器的匹配需求得到滿足。其次，對(duì)于變壓器而言，在一次側(cè)斷開后，需要采取措施防止二次繞組發(fā)生反向充電現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)確保一次側(cè)接地能夠集成于保護(hù)設(shè)備內(nèi)部。對(duì)于設(shè)置于繼電保護(hù)室內(nèi)的二次繞組，應(yīng)定位其中心點(diǎn)，并在此位置進(jìn)行接地處理。此外，氧化鋅閥片也被視為一種可行的接地方式^[5]。

2.5故障診斷技術(shù)的實(shí)施

首先，在智能變電站環(huán)境中，電網(wǎng)二次側(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)測(cè)與控制裝置進(jìn)行統(tǒng)一分析?？刂蒲b置上的傳感器負(fù)責(zé)收集設(shè)備的工作狀態(tài)信息。利用采樣值（Sampled Value，SV）和面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸功能，結(jié)合監(jiān)測(cè)設(shè)備，確保在接收到信息的同時(shí)，能夠迅速定位故障點(diǎn)，對(duì)故障信息進(jìn)行及時(shí)處理，并將處理方案通過(guò)信息系統(tǒng)反饋至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這樣，操作人員可以根據(jù)二次回路運(yùn)行周期后的數(shù)據(jù)狀態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)一處理。在二次設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽箶?shù)據(jù)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行集中捕獲、整合與存儲(chǔ)。同時(shí)，在處理層對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解析后集中傳送至制造消息規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）系統(tǒng)。

其次，對(duì)于專用電纜，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入終端后，若出現(xiàn)故障，則主要可能發(fā)生在信號(hào)發(fā)射器、光纜本身或最終數(shù)據(jù)連接終端。此時(shí)，技術(shù)人員需要執(zhí)行以下步驟來(lái)判定二次回路的故障因素：首先，確認(rèn)光纜線路中的插件是否一致、插頭是否存在問(wèn)題，以及是否僅通過(guò)輔助電路即可解決問(wèn)題；其次，技術(shù)人員基于數(shù)據(jù)變化情況，檢測(cè)邏輯連接中的數(shù)據(jù)問(wèn)題，并通過(guò)警報(bào)設(shè)備的信息系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步處理，確保邏輯鏈路的工作流暢^[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)智能變電站二次回路故障檢測(cè)與診斷技術(shù)進(jìn)行探討，分析了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段的局限性，并提出了一套智能化的監(jiān)測(cè)與診斷體系。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于多傳感器信息融合的新型監(jiān)測(cè)方法，為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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