智能變電站繼電保護(hù)在線運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

［摘 要］文章介紹了繼電保護(hù)系統(tǒng)的基本組成，且通過(guò)構(gòu)建精確的設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的全面感知與整合，并提出了保護(hù)設(shè)備在線評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)與評(píng)估方法。為進(jìn)一步提升評(píng)估的準(zhǔn)確性和效率，引入了可靠性框圖和故障樹(shù)分析等先進(jìn)技術(shù)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)全面的保護(hù)設(shè)備在線狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。該研究成果對(duì)于提升智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)維管理水平、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

［關(guān)鍵詞］智能變電站；繼電保護(hù)；在線評(píng)估；運(yùn)行信息；指標(biāo)評(píng)估

［中圖分類(lèi)號(hào)］TM73 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0055–03

1 繼電保護(hù)系統(tǒng)的基本組成

繼電保護(hù)系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，其主要任務(wù)是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障和異常的情況下，迅速切除故障原件，防止故障擴(kuò)大，保證非故障部分繼續(xù)安全運(yùn)行。該系統(tǒng)的基本組成如下。

1.1 測(cè)量元件

測(cè)量元件負(fù)責(zé)檢測(cè)被保護(hù)元件的電氣量（如電流、電壓、功率等）的變化情況，這些電氣量能夠反應(yīng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電氣量會(huì)發(fā)生變化，測(cè)量元件能夠快速地捕捉到這些變化。

1.2 邏輯判斷元件

邏輯判斷元件用于接收來(lái)自測(cè)量元件的電氣量信息，并根據(jù)預(yù)定的邏輯規(guī)則進(jìn)行判斷。若判斷結(jié)果為電力系統(tǒng)發(fā)生故障，邏輯判斷元件會(huì)執(zhí)行跳閘指令；若判斷結(jié)果為電力系統(tǒng)正?；虍惓５形催_(dá)到故障程度，則可能發(fā)出報(bào)警信號(hào)或進(jìn)行其他處理。

1.3 執(zhí)行元件

執(zhí)行元件負(fù)責(zé)接收邏輯判斷元件的指令，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的斷路器或繼電器等設(shè)備動(dòng)作。當(dāng)接收到跳閘指令時(shí)，執(zhí)行元件會(huì)迅速切斷故障元件與電力系統(tǒng)的聯(lián)系，以隔離故障并防止其擴(kuò)大。

2 保護(hù)設(shè)備建模及運(yùn)行數(shù)據(jù)感知

2.1 模型介紹

2.1.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是電力自動(dòng)化領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要規(guī)范，其為智能變電站的通信和建模提供了統(tǒng)一的框架：①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義了智能變電站的基本組成部分，包括站控層、間隔層和過(guò)程層，每層都承擔(dān)著特定的功能和任務(wù)。②系統(tǒng)詳細(xì)闡述了各層之間的通信機(jī)制，包括GOOSE（面向通用對(duì)象的變電站事件）和SV（采樣值）等通信服務(wù)，這些通信服務(wù)確保了信息的實(shí)時(shí)傳輸和高效處理。③ IEC61850 規(guī)定了數(shù)據(jù)模型的定義和建模方法，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的對(duì)象模型和數(shù)據(jù)屬性，使得不同廠商的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫集成和互操作，特別是在標(biāo)準(zhǔn)模型、通信等方面。

2.1.2 基于IEC61850保護(hù)設(shè)備建模

基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)設(shè)備建模涉及對(duì)保護(hù)設(shè)備的功能、參數(shù)及與其他系統(tǒng)組件的交互進(jìn)行精確描述和定義。在建模過(guò)程中，需要參考IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)中定義的數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型，數(shù)據(jù)模型和服務(wù)模型為建模提供了標(biāo)準(zhǔn)化的框架和指導(dǎo)。即保護(hù)設(shè)備建模需要涵蓋設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)（LogicalNode）、數(shù)據(jù)對(duì)象（DataObject）、數(shù)據(jù)屬性（DataAttribute）及它們之間的關(guān)系。不同邏輯節(jié)點(diǎn)代表了設(shè)備中的特定功能單元，如測(cè)量、控制、保護(hù)等；數(shù)據(jù)對(duì)象則描述了功能單元所需的數(shù)據(jù)和信息；數(shù)據(jù)屬性則定義了數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容和格式。在建模過(guò)程中，需要根據(jù)保護(hù)設(shè)備的實(shí)際功能和需求，定義相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象，并為其分配唯一的標(biāo)識(shí)符和屬性。

2.2 運(yùn)行信息運(yùn)用狀態(tài)及整合

在智能變電站的運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行信息的運(yùn)用狀態(tài)和整合是確保系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。運(yùn)行信息包含了保護(hù)設(shè)備、開(kāi)關(guān)設(shè)備、傳感器等各個(gè)部分的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，反映了變電站當(dāng)前的運(yùn)行狀況。

（1）運(yùn)行信息的運(yùn)用狀態(tài)涉及對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集、處理和分析。通過(guò)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、電氣參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理和分析后，能夠?yàn)檫\(yùn)行人員提供有關(guān)系統(tǒng)健康狀況、潛在故障及性能優(yōu)化等方面的信息。

（2）運(yùn)行信息的整合是將來(lái)自不同設(shè)備和系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合處理的過(guò)程。由于智能變電站中的設(shè)備種類(lèi)繁多、信息源復(fù)雜，因此需要將來(lái)自不同設(shè)備和系統(tǒng)的信息進(jìn)行整合，形成一個(gè)全面、統(tǒng)一的信息視圖。通過(guò)整合，可以更好地理解系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況，為決策提供有力的支持。

（3）在運(yùn)行信息整合的過(guò)程中，需要考慮信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和一致性。準(zhǔn)確性是指整合后的信息能夠真實(shí)反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；實(shí)時(shí)性是指信息能夠快速地傳輸和處理，滿(mǎn)足對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求；一致性則是指整合后的信息在不同設(shè)備和系統(tǒng)之間保持一致，避免信息沖突和誤解。在智能變電站中，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)架構(gòu)并不完全適用于保護(hù)設(shè)備的通信需求。智能變電站保護(hù)及測(cè)控通信結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示。

3 保護(hù)設(shè)備在線評(píng)估指標(biāo)及評(píng)估方法

3.1 保護(hù)設(shè)備在線評(píng)估指標(biāo)

3.1.1 狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)分析

（1）明確狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)的目的，即全面、準(zhǔn)確地反映保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。這些指標(biāo)能夠涵蓋設(shè)備的各個(gè)方面，包括電氣性能、機(jī)械性能、環(huán)境條件等。

（2）狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)應(yīng)該具有可量化、可比較的特點(diǎn)。通過(guò)具體的數(shù)值或等級(jí)，可以對(duì)保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行直觀的判斷和評(píng)估。

（3）在評(píng)估指標(biāo)的選擇上，需要考慮設(shè)備的類(lèi)型、功能及運(yùn)行環(huán)境等因素。不同類(lèi)型的設(shè)備可能有不同的評(píng)估指標(biāo)，如對(duì)于斷路器，可以關(guān)注其分合閘時(shí)間、操作次數(shù)等；對(duì)于保護(hù)裝置，可以關(guān)注其動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作準(zhǔn)確性等。

3.1.2 智能變電站繼電保護(hù)裝置狀態(tài)信息評(píng)價(jià)指標(biāo)

在智能變電站中，繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)信息評(píng)價(jià)是確保電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

（1）在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇上，根據(jù)繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn)和實(shí)際需求進(jìn)行篩選，常見(jiàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括動(dòng)作正確率、動(dòng)作時(shí)間、自檢功能、通信狀態(tài)及環(huán)境條件等。

（2）隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，還需要關(guān)注繼電保護(hù)裝置與其他智能設(shè)備之間的互操作性和協(xié)同工作能力。因此，在評(píng)價(jià)指標(biāo)中還可以考慮加入與智能電網(wǎng)相關(guān)的指標(biāo)，如信息交換能力、遠(yuǎn)程控制功能等。

（3）在評(píng)估智能變電站的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)時(shí)，絕緣電阻的測(cè)量是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。絕緣電阻的評(píng)估可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行，即離線采樣和在線測(cè)量。

3.1.3 可視化研究及應(yīng)用

智能變電站繼電保護(hù)在線運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的可視化研究及應(yīng)用，是電力行業(yè)信息化和智能化發(fā)展的重要方向。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，繼電保護(hù)裝置作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要防線，其在線運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

可視化技術(shù)通過(guò)圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)等直觀形式，將繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)變化、故障信息等復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易于理解和分析的視覺(jué)信息。在智能變電站繼電保護(hù)在線運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估中，可視化技術(shù)的應(yīng)用可以提高評(píng)估的效率和準(zhǔn)確性，幫助運(yùn)維人員更直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并采取相應(yīng)的措施。但需要注意的是，在可視化研究中，需要關(guān)注如何有效地將繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視覺(jué)信息，并設(shè)計(jì)合理的可視化界面和交互方式。其中會(huì)涉及數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。而通過(guò)深入研究以上技術(shù)，可以開(kāi)發(fā)出更加高效、直觀、易用的可視化工具，為智能變電站繼電保護(hù)在線運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估提供有力支持。此外，在可視化應(yīng)用方面，還可以將可視化技術(shù)應(yīng)用于繼電保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、性能分析等方面。

3.2 保護(hù)設(shè)備在線評(píng)估方法

（1）利用先進(jìn)的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)收集變電站內(nèi)各類(lèi)設(shè)備的電壓、電流、溫度、振動(dòng)等信息，這是用于評(píng)估設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)設(shè)備的性能、潛在的安全隱患等進(jìn)行評(píng)估。

（3）基于設(shè)備在線評(píng)估結(jié)果，制訂針對(duì)性的維護(hù)計(jì)劃，對(duì)于健康狀況優(yōu)良的設(shè)備，可以延長(zhǎng)維護(hù)周期；對(duì)于存在潛在安全隱患的設(shè)備，需要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和更換，避免發(fā)生安全事故。

4 在線運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

4.1 可靠性框圖

可靠性框圖（Reliability Block Diagram，RBD）是一種直觀展示系統(tǒng)各部件之間可靠性關(guān)系的圖形化工具。在智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中，通過(guò)構(gòu)建可靠性框圖，可以清晰地描繪出各保護(hù)裝置、控制回路、通信鏈路等關(guān)鍵部件之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)而分析這些部件對(duì)系統(tǒng)整體可靠性的影響。在可靠性框圖中，不同的部件通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)、混合等方式連接，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)可靠性模型。通過(guò)該模型，可以定量地計(jì)算出系統(tǒng)的可靠度、故障率等關(guān)鍵指標(biāo)，為系統(tǒng)維護(hù)和故障預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是一種從上往下、由頂及底逐層細(xì)化的系統(tǒng)分析方法。在智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中，故障樹(shù)分析主要用于分析可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效的各種故障因素及其組合。故障樹(shù)以一個(gè)特定的系統(tǒng)失效事件作為頂事件，然后逐層向下分析導(dǎo)致該項(xiàng)事件發(fā)生的所有可能故障模式。每個(gè)故障模式都通過(guò)一個(gè)邏輯門(mén)（如與門(mén)、或門(mén)等）與下一層的故障因素相連，形成一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析故障樹(shù)，可以找出導(dǎo)致系統(tǒng)失效的最小割集（即導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最低層次故障因素組合），進(jìn)而確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵部件。

在智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中，故障樹(shù)分析可以幫助運(yùn)維人員深入理解系統(tǒng)失效的機(jī)理和原因，為制訂針對(duì)性的維護(hù)措施和故障預(yù)防策略提供有力支持，將其用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段，通過(guò)預(yù)先分析可能存在的故障因素，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。

5 保護(hù)設(shè)備在線狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能變電站繼電保護(hù)設(shè)備在線狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)通過(guò)集成先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析方法和評(píng)估算法，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)估繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為運(yùn)維人員提供及時(shí)、有效的決策支持。在設(shè)計(jì)智能變電站繼電保護(hù)設(shè)備在線狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵方面。

5.1 全面性

系統(tǒng)需要能夠全面監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)和性能指標(biāo)，包括設(shè)備的電氣性能、機(jī)械性能、環(huán)境條件等多個(gè)方面，以確保評(píng)估結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)需要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力。通過(guò)收集實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠運(yùn)用先進(jìn)的算法和模型，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行深入分析，識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題。

此外，系統(tǒng)還需要具備友好的用戶(hù)界面和交互方式。通過(guò)直觀的圖形化界面和簡(jiǎn)潔的操作流程，運(yùn)維人員能夠方便地查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果，從而快速做出決策。

5.2 可擴(kuò)展性

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和設(shè)備種類(lèi)的增加，系統(tǒng)需要能夠靈活地適應(yīng)新的評(píng)估需求和技術(shù)要求。系統(tǒng)還需要具備完善的故障自診斷和修復(fù)能力，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

智能變電站繼電保護(hù)在線運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估對(duì)于電網(wǎng)的正常運(yùn)行和運(yùn)維工作具有重要意義。文章所提評(píng)估方法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保了電網(wǎng)在遭受各種故障時(shí)能夠迅速、準(zhǔn)確地切斷故障點(diǎn)，保護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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