變電站繼電保護故障信息檢測系統的設計

一、引言

近年來，電網規模日益擴大，變電站作為電力系統中的關鍵節點，其安全穩定運行對整個電網的可靠性起著至關重要的作用。繼電保護作為變電站安全運行的第一道防線，其準確性和快速性直接關系到電力系統的穩定性，所以對變電站繼電保護系統進行有效的故障信息檢測，及時發現并處理潛在的故障，對于保障電力系統的安全運行具有重要意義。傳統繼電保護故障檢測方法主要依賴于人工巡檢和定期維護，不僅耗時耗力，且無法做到實時監控，容易錯過故障的早期信號。隨著信息技術不斷發展，特別是計算機技術和通信技術的進步，現代變電站繼電保護故障信息檢測系統開始采用自動化方法，通過實時數據采集，實現對繼電保護狀態的實時監控及快速定位。因此，本文提出了一種基于現代信息技術的變電站繼電保護故障信息檢測系統，并對其硬件結構、軟件設計和試驗結果進行了詳細闡述。

二、系統硬件結構設計

（一）上位機

上位機設計直接影響整個系統的性能，其硬件結構采用C8051F040單片機為核心處理器。C8051F040單片機是一款高性能、低功耗的混合信號微控制器，它集成了豐富的外設資源，包括模擬和數字I/O口、定時器/計數器、UART、SPI和I2C等通信接口。這些特性使C8051F040非常適合作為上位機的核心處理器，能夠滿足高速數據處理和復雜控制邏輯的需求。為了確保系統的實時監控能力，在上位機設計中采用高性能監控單元。該單元通常包括高速ADC（模數轉換器）、DAC（數模轉換器）以及電壓/電流監測電路等，能實時采集和轉換電氣參數，為故障診斷提供準確的數據支持。同時，上位機需要與下位機以及遠程監控中心進行通信，設計中包含了多種通信接口，如RS-232、RS-485、以太網等。這些接口保證了數據的快速傳輸和遠程控制能力。為了方便操作人員監控和控制系統，上位機還配備了人機交互界面，通常有LCD顯示屏和鍵盤，操作人員通過這些界面實時查看系統狀態。

（二）絕緣檢測傳感器

為了滿足老電廠和變電站DC系統的改造需求，工作人員設計了一種高精度可拆卸式絕緣檢測傳感器，采用先進的電子技術和材料，具有高靈敏度、高穩定性、長壽命等特點，即便在惡劣環境下也能穩定運行。高精度是絕緣檢測傳感器的關鍵性能指標，采用先進的檢測算法和電子元件，能夠準確檢測出微小的絕緣變化，確保故障信息的準確性和及時性。通過對老電廠和變電站DC系統的隔熱裝置進行升級改造，并采用高精度可拆卸式絕緣檢測傳感器，能夠顯著提升系統的安全性。這些傳感器具備高精度檢測能力，能夠及時發現絕緣故障，從而有效預防事故的發生。

（三）預警檢測模塊

為了提高預警的準確性和響應速度，該模塊普遍融合了主動預警和被動預警的雙重機制。主動預警是指系統主動對電氣參數進行檢測，一旦參數偏離正常范圍，便會立即觸發預警信號。主動預警通常依賴于高性能傳感器和數據采集設備，這些設備能夠實時監測電流、電壓、頻率等關鍵參數，并通過內置算法分析相關數據，以判斷是否存在潛在的故障風險。而被動預警則是在系統接收到外部信號后，分析相關電氣參數，并發出預警信號。例如，當變電站內的繼電保護裝置動作時，被動預警模塊會立即啟動，分析動作原因，并判斷是否需要進一步的處理措施，如圖1所示。

在預警檢測模塊硬件結構設計中，主動預警和被動預警相結合，可以顯著提高系統的預警能力和響應速度。主動預警能實時監控電氣參數，迅速識別潛在的故障風險；而被動預警則在特定事件發生時，能夠快速作出反應，并對故障原因進行深入分析。為了實現這兩種預警方式的有效結合，硬件設計要考慮以下關鍵要素。（1）傳感器和數據采集設備的選擇：必須選擇高精度傳感器和數據采集設備，以確保數據的準確性。（2）數據處理和分析能力：預警監測模塊應具備強大的數據處理和分析能力，以便快速識別異常數據，并做出預警判斷。（3）通信接口和協議：模塊應支持多種通信接口和協議，便于與其他系統或設備進行數據交換。（4）可靠性：硬件設計應確保模塊在極端環境下仍能穩定運行，并采取必要的安全措施，以防止誤操作和非法訪問。

三、系統軟件設計

（一）故障負荷特性仿真建模

變電站繼電保護故障信息檢測系統的核心在于其軟件結構設計，尤其是靜態和動態負荷模型的構建。這些模型旨在描述系統運行期間負荷的有功和無功功率，以及電壓和頻率的緩慢變化，通常采用多項式模型進行表述。靜態負荷模型通常表示為：

其中， P 和 分別代表有功和無功功率， 是電壓， ， 是參考狀態下的值， n 和 m 是負荷特性系數。動態負荷模型具有較強的復雜性，其考慮了負荷對電壓和頻率變化的動態響應，包括多個時間常數，以模擬負荷對電壓和頻率變化的響應速度。動態負荷模型可以表示為一系列微分方程，描述負荷功率隨時間的變化率。在軟件結構設計中，這些模型被整合進繼電保護故障信息檢測系統，用于實時監測和分析變電站的運行狀態。系統采集實時數據，包括電流、電壓、功率等，并借助這些模型進行計算，從而科學識別潛在的故障情況3

（二）故障信息采集

為了確保繼電保護設備的可靠性，故障信息檢測系統的設計顯得尤為關鍵，特別是故障信息的采集部分。該部分通常分為穩態信息采集、瞬態信息采集、狀態文件管理三個模塊。穩態信息采集模塊主要負責收集變電站運行在正常狀態下的電氣參數，如電壓、電流、功率等。這些數據是評估電網運行狀態的基礎，也是進行故障分析和預測的重要依據。該模塊通常包括數據采集、數據處理、數據存儲三個子模塊。數據采集子模塊通過與變電站的監控系統接口，實時獲取電氣參數；數據處理子模塊對采集到的數據進行初步分析，剔除異常值，并進行格式化處理；數據存儲子模塊則將處理后的數據存儲在數據庫，以便后續分析使用。

瞬態信息采集模塊專注于捕捉電網中發生的瞬態事件，如短路、斷路等故障。該瞬態事件往往伴隨著電氣參數的急劇變化，因此需要高速、高精度的數據采集設備。該模塊通常包括高速數據采集、瞬態事件識別、事件數據存儲三個子模塊。高速數據采集子模塊能以微秒級的分辨率記錄電氣參數的變化；瞬態事件識別子模塊依據預設算法，判斷是否發生故障，并準確識別故障類型；事件數據存儲子模塊則將識別出的故障信息存儲在特定數據庫，有利于工作人員進行深入分析。狀態文件管理模塊負責變電站繼電保護設備狀態文件的管理與維護，詳細記錄保護設備的配置詳情、運行狀況及歷史故障記錄等關鍵信息，其主要包括狀態文件生成、更新、查詢和備份四個子模塊。生成子模塊根據保護設備的實際配置生成初始狀態文件；更新子模塊在設備參數或配置發生變化時更新狀態文件；查詢子模塊允許用戶查詢狀態文件中的信息；備份子模塊則定期對狀態文件進行備份，有效避免數據丟失5。

（三）故障信息檢測

在站控層接收到來自繼電器保護的警報信息“A線合并網絡連接錯誤”時，系統應立即啟動故障信息檢測流程，以確認該警報是否為唯一來源，即其他設備是否也發出了類似警報。在本例中，假如其他設備不會發出警報，系統將重點關注“A線合并網絡連接錯誤”這一信息。為了更有效地處理和分析故障信息，系統設計5個虛擬終端和故障節點組合，如表1所示。

每個虛擬終端負責不同的任務，從監控網絡連接狀態到提供解決方案，形成一個完整的故障處理流程。通過上述軟件結構設計，變電站繼電保護故障信息檢測系統能有效檢測故障信息，確保變電站的安全運行。特別是在接收到“A線合并網絡連接錯誤”警報時，系統能迅速響應并采取相應措施，最大限度減少故障對電力系統的影響[7]。

四、試驗檢驗

（一）網絡拓撲結構

2023年投人運行的 變電站，其繼電保護故障信息檢測系統的網絡拓撲結構設計，嚴格遵循了高可靠性、高可用性及易于維護的核心原則。該系統采用了分層分布式的網絡架構，其實施步驟條理清晰，主要包括以下環節。（1）數據采集：通過安裝在變電站各個關鍵節點的傳感器和數據采集設備，實時收集繼電保護裝置的運行數據。（2）數據傳輸：利用網絡通信技術，將采集到的數據及時、準確地傳輸到數據處理中心。（3）數據分析：在數據處理中心，通過高性能計算機和專業的分析軟件，對數據進行分析，識別異常模式和潛在故障。（4）故障診斷：一旦檢測到異常，系統會自動進行故障診斷，確定故障類型和位置。（5）報警與響應：系統將故障信息通過報警系統通知運維人員，并提供初步的故障處理建議。（6）故障處理：運維人員根據系統提供的故障信息和建議，能夠迅速采取措施進行故障處理，從而確保電網的穩定運行。

（二）試驗結果與分析

試驗采用兩種檢測系統：一種是基于SCD文件的常規站繼電保護二次回路在線檢測系統，另一種是基于時空分析的變電站繼電保護故障信息檢測系統。兩種系統均在相同的變電站環境下進行測試，以確保結果的可比性。試驗數據顯示，基于SCD文件的檢測系統測得的正、負母線絕緣電壓最大值分別為 和 191.4V ，而基于時空分析的檢測系統測得的相應值分別為190.3V和 。具體數據如表2所示。

從試驗結果可以看出，基于時空分析的檢測系統在正母線絕緣電壓最大值方面略低于基于SCD文件的檢測系統，但在負母線絕緣電壓最大值方面則略高于后者。這表明基于時空分析的檢測系統在某些情況下可以提供更為精確的測量結果。然而，這種差異并不顯著，因此，為了更深人地了解這兩種系統的性能差異，可能需要進一步收集和分析大量的試驗數據。

五、結束語

本文設計研究的新型變電站繼電保護故障信息檢測系統，能夠實時監測繼電保護裝置的工作狀態，自動分析和診斷故障信息，并通過網絡通信技術將故障信息及時傳遞給運維人員，以便迅速采取措施，防止故障擴大，確保電力系統的安全穩定運行。

作者單位：蔣卓辰國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司

參考文獻

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