發電廠繼電保護設備故障自動診斷系統

劉明一

(中油電能熱電一公司，黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

對發電廠繼電保護設備故障進行自動診斷有利于及時發現問題，維護電廠繼電保護設備。發電廠繼電設備自動診斷作為智能電網的重要組成部分，與傳統保護裝置相比自動診斷裝置在設備結構、傳輸方式、信息共享以及日常運行等方面存在著一定差異，但整體設備可靠性、實時性以及準確性得到了很大提高[1]。發電廠繼電保護設備自動診斷對具體標準提出了較高要求，實現高度數據共享[2]。但由于裝置測試結構的規范化，在診斷過程中仍需反復修改通信配置以及測試項目參數，需要投入較大成本，同時受到人工操作熟練度與速度的限制，其裝置測試需要耗費較長時間，在客觀上造成了測試周期較長等問題[3]。

針對以上問題，不少學者對自動診斷發電廠繼電保護設備進行了有關方面的研究。Kryukov O V[4]為了研究發電廠繼電保護設備的自動診斷，研究了沿線電力線路繼電保護及自動裝置原理，為該領域做出了一定貢獻。劉琨等[5]通過對繼電保護在線監測功能需求進行了全面分析，提出了基于智能變電站系統特性的繼電保護在線監測新方法。對繼電保護狀態信息間的耦合及關聯關系進行充分描述，自動辨識繼電保護關鍵狀態，實現繼電保護故障定位。結果顯示,基于智能變電站故障信息模型的繼電保護在線監測方法可實現精準的繼電保護故障定位。徐長寶等[6]為了研究繼電保護系統的狀態對提高供電可靠性的作用，進行了基于信息趨勢預測和組合賦權的智能變電站繼電保護系統狀態模糊綜合評價，實驗結果表明該方法可有效地提高狀態評價結果的準確性和及時性。

盡管以上學者對發電廠繼電保護設備自動診斷進行了相關研究，但由于種種原因仍然使得人力和時間成本不能進一步降低。為改善這個問題，提出了發電廠繼電保護設備故障的自動診斷技術。通過構建繼電保護設備自動診斷系統構架，并設計自動診斷流程，通過監測故障信息和自動診斷原理，最終完成自動診斷。設計了實驗以驗證自動診斷方法的有效性。

1 發電廠繼電保護設備自動診斷方法

1.1 繼電保護設備組件

繼電保護設備的自動診斷是通過綜合設備的各類信息以獲得數據，從中提取出具有共性特征的數據信息，最后設備的未來變化趨勢通過某一模型來呈現[7]。因此，裝置繼電器保護系統自動診斷的基礎和重要證據是數據信息分類。合理的設備數據信息分類和正確地提取信息的共同特性，然后找到設備的預測規則，完成繼電器保護系統的診斷[8-9]。中繼保護系統的數據信息包括原始數據、操作數據、維護信息、監視信息、測試信息和巡邏信息。不同故障特性的數據信息反映不同工作狀態的組件特性。使用部件故障模型描述了部件的變化趨勢。如果機器在正常運轉狀態下工作，則部件故障主要受材料疲勞、設備老化以及之前維護等因素的影響。因此，將影響繼電器保護系統部件故障的設備劣化、家族缺陷、維護等因素分類為長期影響因素[10]。可以表征組件的實時特性的檢查數據和其他信息被分類為影響組件故障的短期突然變化信息[11-12]。

1.2 繼電保護設備自動診斷系統構架

整個系統由主站系統和站端裝置構成，如圖1所示。

圖1 系統構架

主站系統配備在地方派遣終端上。鑒于基于現有智能變電站架構沒有其他多余設備并且易于實現，使用網絡消息記錄和分析設備作為數據獲取源。為了新的智能站，保護在線監視和診斷裝置直接作為數據獲取源使用，并且數據通過區域I的網絡關機從D5000平臺發送到區域II。通信網異常時，迅速診斷并收集該異常信息，并發送至發送源的主站系統。主站系統在車站端收集由裝置發送的各種異常信息，進行綜合診斷及顯示。

1.3 繼電保護設備自動診斷流程

構建繼電保護設備自動診斷流程，如圖2所示，控制管理器在與測試項目對應的預定義XML格式參數文件中調用DLL的控制接口功能[13-14]，實現對繼電保護測試儀的輸出控制。

圖2 自動診斷流程圖

2 故障監測與自動診斷原理

2.1 故障信息的監測

由于網絡消息記錄/分析裝置收集監視信息，所以考慮到處理層和站控制層之間的網絡消息數據的龐大量，冗余且不重要的信息變多，對調度數據網絡施加巨大壓力。為了實現快速有效的在線監視和故障診斷，收集數據后需要數據關聯，過濾，篩選。根據系統和研究要求，監控信息被劃分為穩態、瞬態和狀態文件。過渡文件是指通過對此時對應于應用程序的所有鏈路信息進行排序而生成的文件。穩定狀態文件記錄長期監視信息(溫度、光強度、電壓、電流等)，狀態文件是監視鏈路的實時接通狀態的文件[15-16]。在實際應用的處理中，網絡消息記錄/分析裝置根據一定的時間間隔定期發送狀態文件和穩定狀態文件。如果站控制層中存在重要的警報數據，則變化量為5%以上，改變分析狀態并積極發送瞬態文件。主站可以實時詢問數據和二次設備的狀態，如圖3所示。

圖3 故障信息監測流程

繼電器故障信息監視、故障診斷系統存儲從站點發送來的信息，進行實時診斷、分析。同時，統計分析了狀態信息的長期變化規則。結合異常設備的狀態特性，對健康狀態進行評價，進行診斷判定。

2.2 故障自動診斷原理

當接收設備在一定時間內未接收到有效的GOODS和SV信息時，處理層GOOSE和SV信號生成相應的警告。例如，當中繼保護設備的SV鏈路異常時，中繼保護設備不能獲得正常接收數據，并且可以向站控制層MMS發送相應的線路斷開警報消息以獲得這些警報消息[17-18]。由于在各裝置之間存在統一的系統觀測源，所以能夠通過比較發送者與多個接收機之間的鏈接狀態來進行監視，根據各裝置發送的鏈接警報消息來對應可以檢測出異常。直接挖掘電路與網絡取得的SV端口不同，難以準確識別特定的故障點。但是，所有可能的故障點都可以被前面的配置列出。同時，通過合成其他二次設備的網絡獲取環路條件，可以提供各種故障點的概率。因為直接觸發電路不能獲得相關的比較信息，所以只能由中繼保護裝置發送的警報來確定。

對于中繼AC流的監測，網絡消息記錄、分析設備和中繼保護設備收集的AC音量可以用于綜合確定[19-20]。智能站一般采用雙重AD采樣，通過比較兩組保護的采樣值和通過MMS由繼電器保護裝置發送的雙重AD采樣值，具有雙重保護。在該范圍內，如果繼電器保護裝置不具有不匹配取樣的報警，則認為雙AD采樣是一致的或兩個保護的AC二次電路是正常的。當相對誤差超過閾值并且中繼保護裝置沒有發出不匹配取樣的警報時，至少一組中繼保護AC電路被確定為異常，并且提供中繼保護裝置的對應異常二次電路。通過比較網絡消息記錄、分析裝置的SV和中繼保護裝置MMS發送的采樣值，如果兩個最大誤差在閾值范圍內，則在網絡消息記錄分析裝置和中繼保護裝置之間沒有SV連鎖中斷警報。SV二次采樣電路被認為是正常狀態，當繼電器保護裝置的采樣電路正常時，SV二次采樣電路變為正常狀態。然而，當網絡分支設備和保護設備之間的采樣值誤差超過閾值時，網絡消息記錄/分析設備的AC采樣電路被確定為異常，并且提供與網絡消息記錄、分析設備對應的異常二次電路。

3 試 驗

3.1 試驗準備

為測試所提發電廠繼電保護設備自動診斷方法實際應用性能，設計仿真實驗。實驗在仿真平臺中進行，以PCS-943高壓線路保護裝置為例，對所研究自動診斷方法進行包括零序過電流、縱聯差動保護、距離保護等一系列相關性能測試，分析自動診斷方法的具體性能。實驗過程中校驗診斷的一致性以及正確性，進行保護裝置測試。掃描待測保護裝置標簽，獲取裝置功能、型號等相關信息，生成測試項目列表，判斷實驗采樣值與開關量正常后，發送信號投入相應軟壓板獲取加載。確認保護裝置動作正確后進行下一項測試，若出現動作錯誤立即進行警告后進行下一項測試，最后生成自動診斷結果報告。實驗中對保護裝置投入差動保護，模擬實際中的對稱或不對稱故障，其故障電流分別為設備的0.95倍、1.05倍以及1.2倍，依此診斷在不同電流值下自動診斷方法運行狀況。

3.2 試驗結果分析

在仿真實驗環境下，對發電廠繼電保護設備自動診斷方法實際性能測試，如表1所示。

表1 試驗測試報告Table 1 Test report of the experiment

根據實驗結果分析可以看出，發電廠繼電保護設備自動診斷方法在測試過程中，能夠對繼電保護設備運行狀況做出較快反應，在實際中得到較好的應用效果，證明了研究的有效性。

4 結 語

針對目前繼電保護裝置診斷中存在的人力測試成本較大、準確性較差等問題，提出一種繼電保護設備故障自動診斷的線上診斷方法。分別對裝置中各項運行數據故障系數自動診斷后，保證診斷信息與裝置信息一致。在提升整體診斷安全性的同時，避免了以往診斷方式的資源浪費，提升在線診斷效率以及調試效率，增加繼電保護裝置智能診斷推廣效率。