繼電保護輔助設備智能監測系統研究

李洪衛

(深圳供電局有限公司羅湖供電局，廣東 深圳 518020)

0 引言

繼電保護是電網安全運行的關鍵保障[1-4]，但繼電保護的可靠運行存在安全死區，即出口壓板、直流電源工作方式轉換開關、戶外箱柜等輔助設備缺乏在線的運維管控，因此出口壓板或轉換開關錯投、漏投造成的保護拒動、誤動事故時有發生，同時因戶外端子箱凝露積水造成的端子排短路、繼電器誤動事故頻發[5-9]。可見繼電保護設備的安全運行具有至關重要的作用。

目前，繼電保護輔助設備的運維工作主要存在3個方面問題：繼電保護輔助設備運行管理依靠人工完成，運行可靠性依賴運行人員的責任心、實際技術能力水平，缺乏系統性的技術支撐和監視手段[10-11]；輔助設備規模大，巡視工作強度高，巡視工作量與運維班組承載能力之間的矛盾較為凸出，責任性事件屢有發生[12-13]；端子箱等戶外箱柜內部環境運維數據缺乏長期積累和分析，缺陷在日常巡視中不易被發現，需通過異常告警或事故暴露，數據驅動業務能力明顯不足[13-15]。

為此，本文設計了一套變電站繼電保護輔助設備智能監測系統。

1 監測系統的總體結構

本文提出的變電站繼電保護輔助設備智能監測系統，主要有以下幾個原則：

a.遵循國際、國家及南方電網頒布的相關標準、規程規定，適應南方電網技術、信息技術的發展方向。

b.安全可靠，系統部署及運行不影響繼電保護的安全可靠運行。

c.聚焦價值，在保證可靠性的基礎上充分考慮經濟性、實用性。

d.融合創新，根據實際需求選擇最合適的物聯網技術進行應用。

e.便捷部署，采用非侵入式安裝方式，在運設備無需停電改造，具備可推廣性。

f.運維方便，系統具備自診斷能力，后期運行維護方便。

g.應用“標準化、服務化”，以具備高復用性的服務形式支持不同業務場景的重復使用，提高系統的開放性和靈活性。

基于上述幾個原則，監測系統構架于管理信息大區，采用分層、分布式結構設計，分為感知層、數據服務層，總體結構如圖1所示。

圖1 監測系統結構

由圖1可知，監測系統由感知層和數據服務層組成。感知層主要由壓板位置在線采集子系統、轉換開關位置在線采集子系統和戶外箱柜內環境在線采集子系統組成；數據服務層主要部署有應用服務器。

感知層各子系統采用獨立組網方式，用以完成就地采集、計算等前端處理工作，通過匯聚接入裝置接入應用服務器。匯聚接入裝置與應用服務器之間以有線方式進行通信，通信方式滿足網絡安全的要求。感知層子系統內通信采用無線射頻組網；匯聚接入裝置與應用服務器之間采用RS485串口通信；感知層子系統采用有線組網通信；匯聚接入裝置與應用服務器之間則采用以太網通信。

數據服務層的主要功能有感知泛在接入、數據驅動業務、數據按需定制和開放共享等。數據服務層的主要設備是應用服務器，統一對傳感器接入的數據進行融合、分析、管理和展示，并對外提供IEC61850數據訪問服務。

2 監測子系統和傳感器設計

2.1 輔助設備監測軟件系統設計

繼電保護輔助設備狀態智能監測系統的軟件構架，主要搭建在應用服務器上，以實現繼電保護輔助設備的模型管理，各監測子系統數據采集、在線監視、數據智能分析，以及與外部應用系統數據交換等功能。軟件系統以強健的組件技術和中間件技術為基礎，建立以服務或組件為基礎的開放式、拔插式的靈活架構。監測系統軟件構架如圖2所示。

圖2 軟件系統架構

依據Q/CSG 1203045信息描述規范及IEC61850工程應用規范中的模型標準進行擴充，對繼電保護輔助設備及元件進行一體化建模和管理：支持從SCD文件導入繼電保護模型；對傳感器監測的位置、溫度和濕度等監測數據進行統一語義化標定；裝置模型屬性擴展及維護，保護模型可與壓板位置傳感器上送數據進行融合；轉換開關模型擴展及維護，轉換開關模型支持對多個位置傳感器上送數據進行融合；戶外箱柜模型擴展及維護，戶外箱柜模型支持對傳感器上送的多個數據的融合；支持滿足外對通信服務的CID文件生成；具備專用的模型管理工具，便于實現對模型的各類增、刪、改操作。

基于通信管理組件，與各子系統匯聚接入裝置通信，實現傳感器監測數據的生數據到熟數據的處理：傳感器在線監測數據實時采集、存儲和更新；傳感器運行狀態數據處理；壓板位置變化告警；把手位置變化告警；溫濕度等量測類數據越上下限告警；匯聚接入裝置連接狀態報告；傳感器連接狀態報告；監測斷面數據周期自動存儲。

2.2 壓板位置在線監測子系統設計

壓板位置在線監測子系統的主要功能是完成壓板位置的在線采集，主要由壓板位置傳感器、匯聚接入裝置等構成，組成結構如圖3所示。

圖3 壓板位置在線采集子系統結構

壓板位置傳感器安裝于各保護裝置屏柜各個壓板上，匯聚接入裝置按小室安裝，一般單個小室部署2～3個。匯聚接入裝置與壓板位置傳感器組網為星型網絡結構，采用433 MHz頻段進行通信，支持頻分多址。壓板位置傳感器射頻天線內置，運行時按單向脈沖式微功率發送，發射功率不超過20 mW。匯聚接入裝置單向接收，在室外空曠地點或電波暗室內接收距離不低于50 m。壓板位置傳感器主要由微功耗嵌入式MCU、位置傳感器、微功率射頻通信模塊及天線、鋰亞硫酰氯電池、指示燈和外殼等組成，結構如圖4所示。

圖4 壓板位置傳感器結構

壓板主要有連片式和線簧式2種，根據壓板的不同結構，使用不同的傳感器來實現：

a.針對連片式壓板，利用微動開關感知連片式壓板的連片連接狀態，壓板投入時連片將微動開關觸點下壓，壓板退出時微動開關觸點彈回。

b.針對線簧式壓板，利用陀螺儀傳感器實時監測線簧式壓板旋轉部件的旋轉角度，通過監測旋轉部件的旋轉角度大小感知壓板投退狀態。

壓板位置傳感器使用鋰亞硫酰氯電池供電，電池容量為1 200 mAh，休眠時工作電流為3 μA，發送時工作電流<25 mA，使用壽命8～10年。

2.3 轉換開關位置在線監測子系統設計

轉換開關位置在線采集子系統，其主要功能是完成轉換開關位置的在線采集，系統包括轉換開關位置傳感器、匯聚接入裝置等。轉換開關位置傳感器安裝于直流屏柜各個轉換開關的擋位邊上，根據轉換開關的擋位數量配置相應的傳感器數量，匯聚接入裝置按小室安裝，一般單個小室部署1個，其主要系統結構如圖5所示。

圖5 轉換開關位置在線采集子系統結構

匯聚接入裝置與轉換開關位置傳感器組網結構為星型網絡結構，采用433 MHz頻段進行通信，支持頻分多址。位置傳感器射頻天線內置，運行時單向脈沖式微功率發送，發射功率不超過20 mW。匯聚接入裝置單向接收，在室外空曠地點或電波暗室內接收距離不低于50 m。轉換開關位置傳感器主要由微功耗嵌入式MCU、磁感應元件、微功率射頻通信模塊及天線、鋰亞硫酰氯電池、指示燈和外殼等組成，結構如圖6所示。

圖6 轉換位置傳感器結構

轉換開關位置傳感器安裝在轉換開關各個擋位附近，在轉換開關把手上加裝強磁性附件。傳感器磁感應元件是常開節點，當轉換開關轉到對應擋位時，磁性附件接近轉換位置開關傳感器磁感應元件，磁感應元件閉合，變位喚醒傳感器MCU，傳感器發送變位信息。轉換開關位置傳感器使用鋰亞硫酰氯電池供電，電池容量為1 200 mAh，休眠時工作電流為3 μA，發送時工作電流<25 mA，使用壽命8～10年。

磁性附件雙面膠貼于把手背面，并套以熱縮管固定，轉換開關位置傳感器以高強度磁鐵與雙面膠方式進行吸附式安裝。轉換位置傳感器部署原理如圖7所示。

圖7 轉換位置傳感器部署原理

2.4 戶外箱柜內環境在線監測子系統設計

戶外箱柜內環境在線監測子系統完成戶外箱柜內溫濕度、水浸和煙感的在線采集，系統包括環境監測傳感器、匯聚接入裝置。

環境監測傳感器安裝于戶外箱柜內，按戶外箱柜數據配置；匯聚接入裝置安裝于靠近部署應用服務器的小室外，按變電站戶外場地電壓等級數量進行配置。戶外箱柜內環境在線監測子系統結構如圖8所示。

圖8 戶外箱柜內環境在線監測子系統結構

匯聚接入裝置與內境監測傳感器組網結構為帶多跳功能的星型網絡結構，采用433 MHz或470 MHz頻段進行通信，支持頻分多址。環境監測傳感器運行時響應式發送，支持轉發預設定的其他傳感器的數據，發射功率不超過50 mW。匯聚接入裝置負責射頻信號與串口信號的轉換，在室外空曠地點收發距離不低于200 m。

環境監測傳感器結構如圖9所示。環境監測傳感器由傳感器本體、溫濕度傳感器、水浸傳感器和煙感傳感器組成。傳感器本體包括低功耗MCU、射頻模塊、電源模塊、接口模塊、顯示模塊(數碼管)、開入模塊、開出模塊和外殼。外殼防護等級為IP65。

圖9 環境監測傳感器結構

環境監測傳感器使用電源供電，工作電壓為交直流220 V或直流110 V。

3 智能監測系統功能測試

本文對變電站繼保輔助設備智能系統進行了功能測試，以驗證系統的有效性。基于設計的保護裝置、轉換開關和戶外箱柜模型，對當前狀態及同期或歷史數據進行實時分析和智能預警。實驗時通過人工改變輔助設備的運行狀態模擬設備故障，來測試監測系統的有效性。

a.保護裝置壓板監測。通過人工模擬運行狀態的改變，顯示本文設計的系統能夠實現以下幾個主要功能：

①保護裝置支持預設運行、信號等多種運行狀態，對不同運行態下壓板位置進行基準值設置，根據實時采集到的壓板位置自動分析出當前保護裝置的運行狀態，當運行狀態發生變化時自動告警。

②保護裝置跳閘出口壓板三相不一致告警。

③保護裝置失靈壓板三相不一致告警。

④基于可編輯的規則庫，對運行中有回路關聯或邏輯關聯的壓板位置進行監視。

b.轉換開關位置智能監測。通過人工模擬運行狀態的改變，顯示本文設計的系統能夠實現以下幾個主要功能：

①根據轉換開關模型實現多位置數據組合處理。

②根據設定基準值進行一致性在線監視。

③同類轉換開關位置不一致分析及異常告警。

④基于可編輯的規則庫，對運行中有回路關聯或邏輯關聯的轉換開關位置進行監視。

c.戶外箱柜溫濕度智能監測。通過人工模擬運行狀態的改變，顯示本文設計的系統能夠實現以下幾個主要功能：

①按箱柜模型實現多個采樣數據的組合處理。

②溫濕度越限告警。

③水浸發生告警。

④全站同期溫濕度相似性分析及異常告警。

⑤根據12 h溫濕度的變化趨勢預測凝露發生風險。

除了針對保護裝置、轉換開關和戶外箱柜的智能監測，本文設計的系統還能夠按保護裝置、直流屏和戶外箱柜裝置模型進行當前狀態圖形化展示，為運維人員提供直觀狀態確認手段，展示畫面和展示內容支持組態；并且對變電站內按保護裝置、直流屏、戶外箱柜進行周期自動巡視，巡視時間可設置，巡視報告支持可查詢。

4 結束語

針對繼電保護輔助設備的運行故障監測問題，提出了一套繼電保護輔助設備智能監測系統，得到以下幾個結論：

a.設計的監測系統成功實現了壓板及轉換開關位置、戶外箱柜內環境等繼電保護輔助設備狀態實時感知、自動巡視、異常預警和數據共享等功能。

b.人工模擬變電站繼電保護輔助設備檢測實驗表明，本文設計的監測系統能夠有效消除因壓板及轉換開關錯漏投、端子箱凝露積水等原因造成的電網運行重大安全隱患。

c.設計的監測系統能夠有效降低運維人員日常巡視的工作量，緩解巡視工作量與運行班組承載能力之間的矛盾，具有一定推廣和應用價值。