智能變電站繼電保護檢修方法研究

孟凡濤

（國網山東省電力公司梁山縣供電公司，山東 梁山 272600）

0 引 言

與傳統變電站不同的是，智能變電站的繼電保護系統結構出現了很大變化。一方面，智能變電站的繼電保護系統結構由2層變為3層，部分原屬二次設備的功能成為獨立功能模塊，如開關控制功能，同時加入了傳統變電站繼電保護系統結構沒有的合并單元、智能終端等組件[1]；另一方面，智能變電站繼電保護系統使用光纖通道代替常規的輔助電纜線路，實現數字網絡數據傳輸。這些變化導致智能變電站繼電保護系統檢修、維護難度加大。同時，有效的在線監控設備和智能變電站二次系統中信息交換的簡單技術特性有力地支持了繼電保護系統檢修。因此，探討智能變電站繼電保護系統檢修方法，提高智能變電站運維管理效率，對于促進智能變電站技術的進步具有非常積極的理論和實踐意義。

1 繼電保護系統組件檢修思路

智能變電站包括同步系統、交換機、光纖通道、繼電保護單元、合并單元和智能終端等組件。由于大多數組件可以進行在線監控，使用時間越長，組件性能越差，一旦降至某個設定值以下，就需要消除缺陷。因此，繼電保護系統組件狀態檢修可以盡快識別組件中的安全隱患，確保系統穩定運行。

1.1 時間同步系統

對于一般故障，優化的在線監測系統能實時監測時間同步系統的大部分故障，即狀態檢修模式。諸如時鐘同步連接中斷、天線損壞、時鐘電源故障等重大故障[2]，一旦發生將很難自我修復。因此，時間同步系統中加入了針對這類故障的應急處置方案，如果發生此類故障，那么第一時間給出警報，即故障檢修模式。

1.2 交換機

因為能在線監視交換機的大部分故障和異常操作狀況，而且很多故障情況都有隨時間不斷變化的特性，所以交換機的檢修策略通常以狀態檢修為主、故障檢修為輔。

1.3 光纖通道

理論上，光纖通道的檢修應采用故障檢修、狀態檢修和定期檢修3種方式。但光纖通道多，定期檢修工作任務繁重，而且定期檢修易導致光纖損壞，從而增加損耗。因此，定期檢修不適用于光纖通道檢修。而故障檢修只適合用于光纖通道故障之后的檢修，光纖通道發生故障將導致變電站的IED設備運行異常。尤其是GOOSE、SV信號通道發生故障，將導致開關不跳閘，嚴重威脅電網的運行安全。考慮到現階段在線監測技術越來越完善，光纖通信通道故障多由衰減增加或光模塊引起的，而且具有隨時間漸變的特點[3]，因此適合采用狀態檢修方式，以有效降低維護工作量，避免定期檢修帶來的不穩定因素，同時可以檢測到光纖通道中的嚴重故障，可以識別異常運行狀態，及時采取針對性的對策，以避免由于光纖通道故障引發的IED設備故障。

1.4 繼電保護單元

如果繼電保護單元出現異常運行現象，如收發功率低、報文異常等故障，則可借助實時在線監控功能檢測其狀態。由于合并單元、互感器的故障導致A/D異常，進而造成系統掃描異常。如果GOOSE或SV通信失敗，則智能站具有某些保護機制可以確保系統運行穩定。此時，應采用相應的故障檢修方法。而且繼電保護單元執行狀態檢修時，必須考慮其出廠測試、維護記錄、使用年限、家族設備故障情況等因素，以全面分析繼電保護單元的運行狀態。

1.5 合并單元

合并單元主要起到保護、測量和控制的作用，合并單元故障多體現為同步脈沖大、收發功率低、報文異常等，都能借助在線監測系統及時捕捉。一旦出現合并單元故障，則系統將發生故障。因此，需要通過狀態監測及時識別故障，并及時采取措施排除故障。

1.6 智能終端

不同于合并單元等智能組件，智能終端包含大量繼電器回路，這些回路很多都無法帶電運行，因此不能進行在線監控，導致繼電保護系統狀態檢修難度增加。制定智能終端檢修策略時，考慮其結構復雜、各部件的故障屬性、在線監控方法以及故障影響程度的較大差異，應采用故障檢修、定期檢修以及狀態檢修相結合的檢修策略[4]。

2 基于故障概率預測的繼電保護系統檢修方法

先解算最近一次檢修后一段時間內繼電保護組件的故障累積概率，再根據相關約束方程來優化求解繼電保護組件的檢修時間間隔。

2.1 累積故障概率

智能變電站所用的繼電保護裝置的組件均屬于IED組件，其故障特性類似于常規微機保護。因此，結合定期檢修微機繼電保護組件的經驗可知智能變電站110 kV以上保護設備狀態檢修周期4年。如果組件狀態正常，則可根據推后1年，即最大檢修間隔為5年。本方案將正常運行5年后的故障累計概率作為各組件故障概率基準值，以得到最合理的檢修間隔時間。因為智能變電站繼電保護系統裝置智能化程度高，所以其故障率分布曲線呈早期、偶發、損耗3階段變化規律，各階段中組件的故障概率基準值存在差異。偶發故障期組件故障率影響因素包括老化、疲勞等，類似于定期檢修策略下組件正常運行的影響因素。因此，可以通過構建相應的故障率分布模型，取故障期的中點作為參考時間點結算求解該參考點前、后年（合計5年）內的故障累計概率作為基準值，用于明確最佳檢修間隔。繼電保護組件故障累計概率基準值P0可通過以下公式計算：

式（1）中，T0為組件原始使用年限，λ(t)為組件的基礎故障率分布函數。

2.2 檢修時間優化求解

繼電保護裝置的檢修間隔由兩部分組成，即各組件的檢修間隔、整個繼電保護系統的檢修間隔。因此，需要先求解各個組件的檢修間隔，再求解繼電保護系統的整體檢修間隔。對于各組件先基于相應的故障率分布模型考慮其故障率對應的使用年限和故障率，需考慮家族故障、健康狀況及檢修情況等因素。根據各部件的故障率分布曲線可以得到組件從最近一次檢修到當前時間內的累積故障概率是組件在檢修時間間隔內的故障概率的一部分。由此可知，兩個維護間隔期間組件的累積故障概率包括從上次維護到當前時刻的累積故障概率以及未來一段時間的累積故障概率，其表達式如下：

式（2）中，P1代表組件在從最近一次檢修到當前時間這段時間內的累積故障概率；tk-1代表最近一次檢修之后組件在故障率分布曲線上的等效役齡；tact代表當前時間組件的等效役齡；t表示組件當前時間到接受下一次維護的時間；λ1(t)表示考慮健康狀況等因素的組件故障率校正函數。

如果組件累積故障概率P1(t)等于參考值P0，則需對組件進行檢修，并可以通過下列公式計算每個組件兩次檢修的時間間隔：

求解出各組件的檢修間隔之后，可以求解出整個繼電保護系統的檢修間隔。系統由不同的組件組成，如開關、智能終端、合并單元等，各組件存在邏輯串聯關系，任何一個組件故障都會導致系統故障。因此，應將系統的檢修間隔確定為各組件的檢修間隔的最小值[5]。此外，制定系統檢修策略時，要考慮3個方面：首先，要盡可能與變電站一次設備檢修同時進行，目的是減少停電次數；其次，盡可能同步檢修同一線路兩側的變電站繼電保護裝置；最后，盡量以相同的時間間隔進行繼電保護裝置的檢修。

2.3 繼電保護系統檢修基本流程

制定檢修計劃時應考慮各個方面。例如，繼電保護系統各組件的基本故障概率校正，檢修時間間隔的優化求解等。圖1為智能變電站繼電保護系統狀態檢修的基本流程。

圖1 智能變電站繼電保護系統狀態檢修的基本流程

第一步，統計各組件的運行狀態數據并進行分析，使用最小二乘法實現擬合，建立基礎故障率分布曲線參數優化估計值威布爾分布模型[6]。第二步，計算繼電保護系統各組件的正常運行時間均值，以校正基礎故障率分布曲線，包括校正單個故障和校正家族故障。第三步，計算系統各組件的等效役齡時，要考慮檢修回歸因素，并通過相應的解算獲得各組件的等效運行年限。第四步，基于保各組件的檢測健康狀態評估值，對計算出的等效役齡進行校正，得到校正后的等效役齡t。第五步，基于繼電保護系統各組件的定期維護和基礎故障率分布曲線，明確各組件的累積故障概率基準值。第六步，在確定校正后的等效役齡、故障率分布以及累積故障概率的基準值的基礎上計算組件檢修間隔。第七步，整個繼電保護系統的檢修維護間隔時間由系統中各組件檢修間隔時間的最小值確定。

3 結 論

為了獲得智能變電站繼電保護系統的最佳檢修間隔，更有效地發揮狀態檢修的作用，本文提出了基于故障概率預測的狀態檢修策略。基于威爾分布模型對機電保護系統各組件故障率分布進行建模，并使用最小二乘法實現擬合，得到最佳估算值。同時，通過修正系統各組件基礎故障率曲線以及其他方法可以反映檢修影響因素、單個組件的故障率差異、組件運行狀態、家族故障對故障率的影響，有效提高了系統故障率預測準確度。在此基礎上獲得各組件累積故障概率基準值，從而求解出最佳的檢修間隔，有助于進一步提高智能變電站繼電保護系統檢修效率。