變電站二次設備狀態檢修研究

雷 興，徐 楠，董志赟，盛 煒

(國網上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

變電站二次設備狀態檢修研究

雷 興，徐 楠，董志赟，盛 煒

(國網上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

分析了二次設備的狀態監測難點，包括外回路、破壞性失效、電磁干擾和數據模型。從狀態評估角度構建狀態監測的要素：狀態量的確定與監測方法的選擇。選取功率和溫度為模型參數，構建電源插件老化分析模型，計算其剩余壽命。提出基于力矩特征的狀態監測方法，監測端子緊固程度。提出基于RUBEE/ZIGBEE技術的設備辨識和數據錄入方案，方便狀態監測數據的自動收集、歸類。

狀態檢修；狀態監測；數據模型；電源老化；狀態量；監測方法

電力系統一次設備狀態檢修的逐步推進，特別是帶電檢測技術的應用，因檢修而導致設備停電時間越來越短，客觀上將改變二次設備的檢修體制和檢修方法，促進電網二次設備狀態檢修的發展[1-3]。《繼電保護狀態檢修導則》對繼電保護基礎數據和信息收集做出詳細規定，強化了運行巡視和專業巡檢，各省市公司也相繼開發繼電保護狀態檢修輔助決策(RCBM)系統[4]，加強狀態監測數據的采集，推進PMS2.0、OMS2.0、EMS和DMS數據的共享共通[5]。微機保護從九十年代中期推廣至今，全生命周期的運行數據已大量積累，但這些基礎數據的完備性和有效性都難以滿足狀態評估的要求。

針對二次設備的狀態監測難點，本文從狀態評估角度構建狀態監測的要素；從定期檢修角度分析狀態監測的內容；提出基于RUBEE/ZIGBEE技術的便攜式測試儀，方便狀態監測數據的自動收集、歸類，克服人工收錄數據的低效率和低準確率。

1 狀態監測的難點

電力二次設備一般由保護裝置和與之相連接的二次回路兩個部分組成。微機型保護裝置具備自我檢測，可實現對逆變電源、A/D系統轉換、數據采樣分析、保護定值完整性、開入開出接點狀態、保護數據通信狀態、控制回路斷線等情況的自我監測。現有的測量手段已可以監測外回路的部分內容，如用直流回路的絕緣監測。

1.1 外回路

從歷年來的故障及缺陷記錄可以發現，由于外回路造成保護裝置不正常動作的例子屢見不鮮。而由于繼電保護本身故障所引起的情況反而相對較少，例如繼電保護參數設置錯誤、電源插件異常等。

與保護裝置相連接的有數量眾多的交流電流電壓回路、直流控制回路和信號回路。這些二次回路是由若干繼電器和連接各個設備的電纜所組成，點多、分散、接線繁雜，很難在線監測繼電器觸點的狀況、回路接線的正確性和連通性，也不經濟，這是二次設備未能有效地推進狀態檢修的主要原因。因此，應著重解決外回路的狀態監測，提升其狀態檢修內容的比重，有針對性的實現重要項目和關鍵環節的狀態監測。

1.2 破壞性失效

電子元器件的失效為破壞性失效與老化性失效共存。設備可劃分為3個狀態，即正常工作、潛在故障、功能故障。老化失效有較長潛在故障狀態，便于監測和采取維修措施防止功能故障的發生；而破壞性失效具有突發性，對于單個電子元件，其潛在故障狀態非常短，進行預防維修難度較大，失效檢測較為困難。

電子元器件的失效原因主要可以分為固有缺陷引起的失效及使用問題引起的失效。電子元器件的固有缺陷往往具有家族性，在檢修過程中發現后有必要考慮進行整批次更換，目前工作中較為重視家族性缺陷統計。首檢時并未建立完善的數據庫以方便后期跟蹤，更多的是后期人為排查。使用過程中的一些問題也會導致電子元器件的失效，例如機械過應力、過電應力、靜電損傷以及選型不當、設計不當、操作不當等因素，目前缺乏這方面的研究。

1.3 電磁干擾

由于大量微電子元件、集成電路在二次設備中廣泛應用，二次設備對電磁干擾越來越敏感，容易受到電磁干擾。電磁干擾會使二次設備采樣信號失真、裝置異常、保護誤動或拒動，甚至使元件損壞。

國際電工委員會(IEC)及國內有關部門對繼電保護制定了電磁兼容(EMC)標準。目前在國內，對電磁的監測、管理還沒有納入檢測范圍，也沒有合適的監測手段。對二次設備進行電磁兼容性試驗是二次設備狀態檢修的一項重要工作。要對不同發電廠及變電站的干擾源、耦合途徑、敏感器件進行監測和管理，諸如對二次設備接地狀況檢查；微機保護裝置附近使用移動通訊設備的管理等。

1.4 數據模型

在沒有建立完整的二次設備模型情況下，所有監測的信息不能實現有效的關聯識別[5]，無法滿足綜合化、智能化應用的需要。因此，對于二次設備的實時狀態監測，需要及時維護二次設備的模型數據，保證二次設備模型的一致性，對于不符合模型配置要求的信息，給出綜合的分析判斷及警告。

狀態監測系統應基于PMS生產管理人員的業務需要來統一建模，實現各類狀態監測信息與PMS已有信息的高度融合和集成化展現。一、二次設備的狀態監測信息應形成一個設備狀態全景信息平臺，提供給交互的用戶。

2 狀態監測的要素

狀態監測是辨識基于設備及過程特征估計的狀態特性改變量的活動，包括三部分：信號拾取、信號處理和監測決策。信號處理和監測決策是一個集成的整體，稱之為監測方法。因此，狀態監測的要素為：(1)信號拾取的對象——關鍵參數，能反映狀態特性改變；(2)監測方法，最簡單的就是辨識兩類過程狀態(正常和異常狀態)的方法。如使用一個傳感器信號，可按如下條件描述：如果y

2.1 狀態量的確定

根據繼電保護設備缺陷、故障的性質和概率統計分析，借鑒以往發現、處理缺陷和故障的方法、數據和經驗，通過狀態量的表述方式，以現有的運行巡視、定期停役檢修或帶電檢測、在線監測等技術手段獲取狀態信息，為狀態評價依據。狀態量的選取，必須兼顧可靠有效和經濟實用。

2.2 基于模型的監測方法

描述線性時不變系統的各類模型中，動態數據系統方法(DDS)對很多設備及過程的監測非常有效。根據DDS方法的理論，過程可以由ARMA模型來近似。

基于模型的方法有兩個明顯的局限：首先，許多設備及過程是非線性的時變系統。其次，傳感器的信號依賴于過程的工作條件，常常很難辨識一個傳感器信號的改變量是由過程工作條件改變引起的還是由過程本身的衰變引起的。

2.3 基于特征的監測方法

基于特征的監測方法是使用傳感器信號的適當特征(也稱作監測指數)來辨識設備及過程狀態，如圖1所示。這些特征可能是傳感器信號的時域或頻域特征，如均值、方差、偏斜度、峭度、特定頻帶功率等。推薦使用的是歸一化指數，即監測指數獨立于物理單位。監測指數應能：(1)對過程健康狀況靈敏；(2)對過程工作條件不靈敏；(3)實現成本經濟。

基于特征的方法包括兩個階段：學習和分類。學習也稱作訓練，就是建立關系式的過程。有兩種類型的學習方法：從樣本中學習和從指令中學習。對許多設備及過程的監測而言，從樣本中學習常常更為有效。在狀態分類階段，基于關系式和新的樣本所估計的過程狀態來辨識。

圖1 設備及過程狀態監測的通用模型

3 電源插件老化狀態監測

各類保護裝置逆變電源插件均為外購件，難以對元器件進行優劣篩選；電源芯片為進口產品，存在同一批次問題。傳統的電源劣化狀態分析側重于脫機、非實時數據分析，電源剩余使用壽命側重于離線、統計分析。統計分析方法為宏觀概率問題，方便發現家族性缺陷，但微觀上對單個插件沒有指導意義，即無法明確哪個需要修、何時修。

研究電源系統剩余使用壽命動態在線監測方法，對電源的劣化過程非線性時變行為建模，用行為性、解析性建模方法替代傳統離線統計分析方法，并在線獲取劣化非線性時變狀態及其關鍵參數，實現變劣化狀態的在線可測[6]。

3.1 模型參數

統計表明開關電源故障大多是因其電解電容故障引起的，因為在開關電源產品中，除電解電容以外的其他元件只出現偶發故障，電解電容由于化學變化，會發生損耗性故障。電解電容的壽命一般依據“十度法則”確定，即溫度每降低10℃，壽命將增大1倍。為此在開關電源內部靠近電解電容附近裝設測溫元件，實時檢測開關電源溫度，繪制該保護自投運以來的溫度曲線，結合開關電源的累計工作時間就能夠大致推算出開關電源的壽命[3]。

輸出電壓、電流是反映電源質量最重要的參數，輸出電壓或電流的變化趨勢能夠在一定程度上反映電源模塊的老化狀態，輸出紋波能夠有效地反映電源內部的濾波效果和元器件工作狀態，輸入、輸出電阻反映電源內部結構狀態，電源的功耗一定程度反映了其老化程度[7]。因此，本文選取溫度和功率作為模型參數。

3.2 剩余壽命計算模型

通過對系統壽命周期內所承受的全部載荷(溫度和功率)分析，評估系統的累積損傷程度，并估算系統的剩余使用壽命。

假設已工作天數為 1，則累積損傷百分比的倒數就是總失效前的時間；再用總失效前的時間減去已工作的時間就是剩余壽命。計算任一時間點處的剩余壽命為：

(1)

式中RLN——第N天時的剩余壽命；DRN——第N天時的累積損傷百分比。

由Palmgren-Miner線性損傷積累理論獲得：不同應力條件下的累積損傷百分比可以表示為在該應力條件下產品的實際工作時間與該應力條件下產品預測的失效時間的比值：

(2)

式中DR——產品在n個不同應力條件下工作后的累積損傷百分比；t——根據失效物理模型預測的產品在不同應力條件下的總失效前的時間；Δt——產品在某一應力條件下的實際工作時間。

在一個特定天數的剩余壽命還可以通過從前一天預測得到的剩余壽命中減去在該天中消耗的壽命獲得，該方法充分利用了迭代方程來獲得剩余壽命。對于特定天數的剩余壽命的計算可以認為該天的失效前的總壽命與前一天的失效前的總壽命是相同的。表達式如下：

RLN=RLN-1-DRN×TLN-1

(3)

式中RLN——第N天時的剩余壽命；TLN-1為第(N-1)天時預測的產品失效前的總壽命；RLN-1——第(N-1)天的剩余壽命；DRN——累積損傷百分比。

4 端子緊固狀態監測

4.1 特征參數

二次設備的保護裝置屏內、就地端子箱內都有大量的端子，定期檢修的一個常規的項目就是緊線。端子松動的原因主要包括由于熱脹冷縮等原因導致的老化松動、震動等原因導致的外力松動，均難以建模來分析。

本文提出基于特征的狀態監測方法，即通過分析對比最佳緊固力矩、測量力矩、臨界緊固力矩的關系來判斷檢修的時點。

常用的計算螺紋緊固件擰緊力矩的公式為：

T=D×K×P

(4)

式中T——力矩；D——螺紋的外徑；K——螺母的摩擦系數；P——夾緊力。

最佳緊固力矩Tz、臨界緊固力矩Tl由端子的金屬材質、設計尺寸等因素決定，可由廠家提供。測量力矩Tc通過智能緊固工具測量得出。

4.2 統計方法

設計具有測量力矩的緊固工具來采集數據，根據端子型號、間隔的設計規格和特征進行分類統計分析，定量評估端子松動水平。

經過一段時間t1后，測量力矩為Tc，根據式(5)求取達到臨界緊固力矩的時間t2，即剩余時間：

(Tz-Tc)/t1=m×(Tc-Tl)/t2

(5)

式中m——系數，可通過兩次測量力矩的值分析計算。

根據采集的大量t2數據進行分析：從t2時間的離散度可以評估端子排的質量，離散度越低則質量越好。

5 基于RuBee/ZigBee技術的自動錄入數據方案

傳統的狀態監測是通過人工定期診斷來完成的，但是更多品類的傳感器、更完善的自動監測系統以及物聯網技術的發展，如RuBee/ZigBee技術，將極大的促進狀態監測自動化解決方案的發展。選擇狀態監測系統時需要重點考量的因素有兩個，首先是數據管理，包括使用正確的數據架構、實現自動錄入數據庫、數據庫是否易于挖掘數據；其次就是系統管理，特別是在數據積累越來越多的情況下，遠程管理大量檢測系統有助于提高整體解決方案的可靠性、可維護性及可用性。

數據管理的主要任務是建立完善的數據體系，包括“靜態數據”和“動態數據”。靜態數據描述了設備的固有特性，比如生產廠家、出廠試驗數據、銘牌數據等。動態數據描述了設備的實時狀態，比如定期試驗數據、監測數據、色譜抽樣數據、過電壓情況、線路故障情況等。

5.1 基于RuBee技術進行辨識

RuBee(IEEE Std 1902.1-2009)是一種新型電子標識技術，能夠實現雙向、非接觸、點對點傳輸，并且工作頻率小于450 kHz，數據處理速率達到300～9 600bit/s。目前RuBee已商業化應用，包括醫院的高價值醫療設備的智能貨架，用于庫存追蹤的智能商店。RuBee的優勢如下：(1)電池壽命長；一顆標準的鋰電池即可讓RuBee設備運作超過10年以上；(2)標簽可編程。在讀取的同時，也能進行寫入的動作；(3)傳輸距離遠。搭配特定的天線，RuBee最大傳輸涵蓋范圍可達900 m2以上；(4)抗干擾且傳輸安全。適用于惡劣環境下，比如水的附近，甚至是電磁噪音干擾嚴重的環境中。

RuBee的低速特性使其無法追蹤移動中的物品，而變電站二次設備均為靜止設備，使用不受限制。RuBee系統由讀寫器(Reader)、標簽(TAG)和數據管理系統組成，如圖2所示。

圖2 標識系統結構

RuBee標簽是RuBee系統的載體，由于自供電，需要自動調節狀態來省電。標簽被設定為sleep(休眠)狀態和listen(偵聽)狀態，如圖3所示。當標簽處于sleep狀態時，在固定周期間隔內檢測是否有有效載波；如果檢測到有效載波(131 kHz)，則進入listen狀態；當標簽處于listen狀態時，時刻準備接受命令和回復命令；若一定時間間隔內，沒有檢測到有效載波，則標簽重新進入sleep狀態。

圖3 電子標簽的狀態轉換示意

5.2 基于ZigBee技術錄入數據

由于資金或技術原因不能安裝在線監測裝置的設備，只能靠巡視、檢查、試驗建立狀態履歷表(EXCL數據表格)來統一管理數據。狀態履歷表應當包含設備的參數、運行時間、設備的定級、所在間隔、類別、電壓等級、生產廠家、大修日期、最近的預試時間、近期設備存在的問題、設備的維修記錄等。

基于ZigBee技術的便攜式繼保測試儀，采用RuBee技術辨識保護裝置，通過ZigBee服務器下載上一次校驗設置信息，對比最新定值單進行修改，然后利用測試儀順序控制來實現一鍵校驗功能，并自動生成報告，將所需現場作業數據上傳回服務器。基于RuBee/ZigBee技術的便攜式裝置將是在線監測的的延伸和補充。比對當前的試驗數據與歷史試驗數據或同類設備試驗數據，并可查詢被試設備的運行工況、缺陷信息等資料。

電網中的繼電保護用量激增，檢修工作量呈幾何數狀態增加，同時許多線路不能停電或者窗口時間短，從而形成了繼電保護的檢驗完成率較低，試驗數據的完整性差；繼電保護技術人員多數是事后補寫報告，數據的真實性不高。基于RuBee/ZigBee技術的便攜式裝置在試驗的同時記錄數據，且不能修改，保證了數據的真實、試驗項目的完整，將有利于改變注重定性評估、缺少定量評估的現狀。

6 結語

狀態監測是狀態檢修的基礎，是狀態評估的前提；狀態評估是狀態檢修的關鍵，是檢修決策的根本；檢修決策是狀態檢修的核心，是實施檢修的依據。狀態監測需要健全的設備管理體制、完善的檢修質量管理體系、齊全的設備管理臺帳以及先進的監測手段和記錄功能。

繼電保護狀態檢修減少了設備的停電時間，降低了設備的運維檢修成本，提高了設備的可用率和供電的可靠性，是二次專業轉變發展方式的必然選擇。國家電網已開展了狀態檢修模式的探索，但由于繼電保護的復雜性和重要性，目前離實用化尚有一定的距離。本文僅初步探索了電源插件老化狀態監測和端子緊固狀態監測，提出了基于RuBee/ZigBee技術的設備辨識和數據錄入方案，還有大量問題需要進一步攻克。

[1] 葉遠波, 孫月琴, 黃太貴, 等. 繼電保護相關二次回路的在線狀態檢測技術[J]. 電力系統自動化, 2014, 38(23):108-113.

YE Yuan-bo, SUN Yue-qin, HUANG Tai-gui, et al. On-line state detection technology of relay protection relevant secondary circuits[J]. Automation of Electric Power Systems,2014,38(23):108-113.

[2]韓 平, 趙 勇, 李曉朋, 等. 繼電保護狀態檢修的實用化嘗試[J]. 電力系統保護與控制,2010,38(19):92-95, 117.

HAN Ping, ZHAO Yong, LI Xiao-peng, et al. Instantiation sample of relay protection state maintenance[J]. Power System Protection and Control,2010,38(19):92-95, 117.

[3]段 斌,譚 成,劉 艷,等. 基于IEC61850和多代理技術的保護定值在線追蹤系統[J]. 電力系統自動化, 2014,38(7):70-76.

DUAN Bin, TAN Cheng, LIU Yan, et al. An online tracking system of protection settings based on IEC 61850and multi-agent technology[J]. Automation of Electric Power Systems,2014,38(7):70-76.

[4]朱奕帆. 繼電保護狀態檢修提升電網運維效率[N].國家電網報，2014-04-15.

[5]袁 浩, 屈 剛, 莊衛金, 等. 電網二次設備狀態監測內容探討[J]. 電力系統自動化, 2014,38(12):100-106.

YUAN Hao, QU Gang, ZHUANG Wei-jin, et al. Discussion on condition monitoring contents of secondary equipment in power grid[J]. Automation of Electric Power Systems,2014,38(12):100-106.

[6]VICHARE N, PECHT M. Prognostics and health management of electronics [J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2007, 29(1): 222-229.

(本文編輯：嚴 加)

Condition Monitoring of Secondary Equipments in Substations

LEI Xing, XU Nan, DONG Zhi-yun, SHEN Wei

(State Grid Inspection & Maintenance Company, SMEPC, Shanghai 201204, China)

The difficulties in the condition monitoring of secondary equipments are analyzed, including the outer loop, destructive failure, electromagnetic interference and data model. Factors of condition monitoring are built from the perspective of state evaluation: the determination of state variables and the selection of monitoring methods. The power and temperature are selected as the model parameters, and the model of the power plug aging analysis is built, in order to calculate the remaining life. A condition monitoring method based on torque characteristics is proposed in order to monitor tightening degree of terminal board. Finally, the equipment identification and data entry scheme based on RUBEE/ZIGBEE technologies is proposed, which is convenient for the automatic collection and classification of the data.

condition-based maintenance; condition monitoring; data model; power aging; state variable; monitoring method

10.11973/dlyny201606006

雷 興(1980)，男，博士，工程師，主要從事超高壓繼電保護自動化工作。

TM63；TM77

A

2095-1256(2016)06-0690-05

2016-10-15