基于智能變電站的二次回路故障定位技術(shù)要點分析

王天宇

（國電南瑞科技股份有限公司）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和智能化程度的提高，智能變電站逐漸成為電力系統(tǒng)的重要組成部分。智能變電站的建設(shè)和應(yīng)用，可以提高電力系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性和安全性，同時也能夠有效地降低電力系統(tǒng)的運行成本［1］。在智能變電站中，二次回路作為電力系統(tǒng)中最重要的信息傳輸通道之一，其正常運行對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。因此，二次回路故障的快速定位和及時處理，對于保障電力系統(tǒng)的可靠運行和提高電力系統(tǒng)的安全性具有重要的意義［2］。

從2009年開始，國家電網(wǎng)公司開始了智能變電站的試點建設(shè)，到現(xiàn)在為止，我國已經(jīng)建成了大約5000多座。智能型變電站，包含一代智能型變電站與二代智能型變電站。智能化變電站因其系統(tǒng)集成度高，結(jié)構(gòu)布置合理，在經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)境保護等領(lǐng)域已有較好的應(yīng)用前景。但是，在實踐操作過程中，也出現(xiàn)了許多問題。尤其對于智能化變電站系統(tǒng)的運行維護而言，其維護工作量大、維護費用高已成為制約其發(fā)展的主要因素。因此，研究基于智能變電站的二次回路故障定位技術(shù)，成為了當(dāng)前電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個熱點問題。本文旨在分析智能變電站二次回路故障定位技術(shù)的要點，介紹二次回路故障定位技術(shù)的原理和實現(xiàn)方法，并重點分析智能變電站二次回路狀態(tài)定位技術(shù)的要點。通過對智能變電站二次回路故障定位技術(shù)的深入研究，能夠為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持，促進(jìn)電力系統(tǒng)的智能化建設(shè)和發(fā)展。

1 智能變電站二次回路分析

1.1 智能變電站二次回路結(jié)構(gòu)

智能變電站二次回路是電力系統(tǒng)中重要的組成部分，其主要功能是對電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制和保護。智能變電站二次回路結(jié)構(gòu)主要包括電壓互感器、電流互感器、保護繼電器、遙信、遙控、遙測等組成部分。其中，電壓互感器和電流互感器主要用于將高壓電力系統(tǒng)的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為低壓信號，以供保護繼電器等設(shè)備進(jìn)行處理和判斷。保護繼電器則是智能變電站二次回路的核心部分，其主要作用是對電力系統(tǒng)進(jìn)行保護，一旦出現(xiàn)故障情況，保護繼電器能夠及時地進(jìn)行判斷和動作，以保證電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。

在110kV以上電壓等級的智能變電站中，組合單元裝置已經(jīng)不再使用。相反，智能變電站使用了一種新的二次采樣回路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 智能變電站二次回路結(jié)構(gòu)

這個結(jié)構(gòu)允許二次保護裝置直接TA和TV變壓器二次側(cè)采集電壓信號［3］。開關(guān)和斷路器的位置觸點通過一系列的二次連接傳輸?shù)街悄芙K端，智能終端將開關(guān)和GOOSE報文進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉伪Ｗo和測控裝置。這種新的結(jié)構(gòu)可以提高智能變電站的效率和可行性，因為它可以減少不必要的設(shè)備和傳輸路徑，從而使信號的傳輸更加可靠和高效。同時，在二次保護和測控裝置中，可以使用先進(jìn)的算法和技術(shù)，對信號進(jìn)行處理和分析，以快速地檢測并應(yīng)對任何故障或告警情況，從而最大限度地保護電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行。

1.2 二次回路故障診斷方法

智能變電站的二次回路故障診斷方法可以分為三種，即SV結(jié)點故障診斷方法、交流回路故障診斷方法和保護效應(yīng)故障診斷方法。首先，SV結(jié)點故障診斷方法是通過監(jiān)測SV結(jié)點的電壓信號來判斷故障類型。當(dāng)SV結(jié)點電壓異常時，系統(tǒng)會根據(jù)異常狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)故障診斷。這種方法主要適用于單個信號異常的故障情況。其次，交流回路故障診斷方法是通過檢測各種交流信號（如電流、電壓、頻率等）的變化來判斷故障類型［4］。當(dāng)交流信號發(fā)生異常變化時，系統(tǒng)會根據(jù)異常狀態(tài)進(jìn)行故障診斷，此方法適用于多個信號發(fā)生故障的情況。最后，保護效應(yīng)故障診斷方法是通過檢測保護裝置的輸出信號（如開關(guān)量、模擬量等）來判斷故障類型。當(dāng)保護裝置輸出信號異常時，系統(tǒng)會根據(jù)異常狀態(tài)進(jìn)行故障診斷。此方法主要適用于保護裝置發(fā)生故障或誤動作的情況。

在智能變電站啟動運行后，二次回路的會對設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控，檢測數(shù)據(jù)參數(shù)的變化和異常情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會評估隱性故障的類型，并選擇合適的故障診斷方法。進(jìn)一步診斷故障，確定故障位置并消除故障，以確保智能變電站的正常運行。

2 二次回路故障定位技術(shù)原理

二次回路故障定位技術(shù)通過遠(yuǎn)程無線控制和閉環(huán)測試的技術(shù)來實現(xiàn)，其工作原理如圖2所示。

圖2 智能變電站二次回路故障定位技術(shù)原理

二次回路故障定位技術(shù)的實施過程主要分為三個部分，即信號采集、信號處理和信號檢測［5］。首先，變電站二次側(cè)的數(shù)據(jù)，如電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)等，由智能變電站的各種傳感器和采集設(shè)備采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行倪M(jìn)行分析。其次，信號處理和分析算法被用來對收集到的信號進(jìn)行過濾和采樣，并對其進(jìn)行分析和診斷，以確定故障的位置和類型。最后，針對不同的故障類型及其發(fā)生區(qū)域設(shè)計適當(dāng)?shù)木S護對策，使二次回路能夠正常運行。二次回路故障定位技術(shù)快速、準(zhǔn)確，對提高智能變電站運行的可靠性和穩(wěn)定性，減少停電次數(shù)，降低經(jīng)濟損失具有重要意義。該系統(tǒng)自動化程度高，操作簡便，可靠性強。但是，目前的二次回路計量技術(shù)還存在一些局限性，主要表現(xiàn)在對計量技術(shù)要求高、設(shè)備投資大、計量數(shù)據(jù)處理和分析不足等方面。因此，在今后的工作中，有必要改進(jìn)和優(yōu)化變壓器二次側(cè)的故障定位技術(shù)，以提高變壓器二次側(cè)的效率和經(jīng)濟效益。

3 二次回路故障診斷定位

3.1 SV鏈路定位診斷應(yīng)用

如前文所述，在出現(xiàn)SV鏈路異常的情況下，保護裝置通過車站控制層MMS發(fā)送適當(dāng)?shù)逆溌窋嗔褕缶畔?，這些信息可以被網(wǎng)絡(luò)信息分析設(shè)施檢索到。通過發(fā)送方和接收方之間的鏈路比較可以用來檢測網(wǎng)絡(luò)跳環(huán)。然而，用鏈接比較法無法進(jìn)行直選回路與SV網(wǎng)絡(luò)選擇端口的偵測，所以要定位故障位置相當(dāng)困難。解決這種情況的辦法是，通過列出所有可能的故障點，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中的其他次級電路設(shè)備，預(yù)先確定每個故障點的概率。在大多數(shù)情況下，不可能獲得直接跳躍電路的比較信息，所以通常使用設(shè)備上發(fā)送的警報來定位相應(yīng)的故障［6］?？偟膩碚f，整個診斷策略如圖3所示。

圖3 SV鏈路定位診斷策略

3.2 交流回路狀態(tài)診斷應(yīng)用

根據(jù)交流電量來確定是否需要對二次回路的交流電量進(jìn)行在線監(jiān)測，交流電量的采集主要是利用設(shè)備和報文記錄分析設(shè)備進(jìn)行。目前，大多數(shù)智能變電站使用兩個ADC來補充兩個保護回路的相應(yīng)采樣。設(shè)備將兩個DUT的采樣數(shù)據(jù)發(fā)回系統(tǒng)，然后對兩個DUT的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)行診斷。如果兩者的相對誤差在閾值之內(nèi)，則認(rèn)為二級保護功能正常。如果經(jīng)過比較，相對誤差超過了一定的閾值，那么兩組中至少有一組被認(rèn)為是不正常的，并指出相應(yīng)的錯誤回路。通過比較傳輸?shù)絊V（網(wǎng)絡(luò)信息記錄和分析設(shè)備）和MMS（設(shè)備）的采樣值，可以確定SV的二次回路的采樣是否正常。如果它們之間的最大差值達(dá)到一定的閾值，則表示該回路工作正常。如果超過了這個閾值，則認(rèn)為回路中存在相應(yīng)的異常。診斷交替環(huán)路狀況的方法如圖4所示。

圖4 交流回路狀態(tài)診斷方法

3.3 保護動作診斷

保護干預(yù)故障診斷方法以設(shè)備的監(jiān)測狀態(tài)為考核指標(biāo)，按照一致性原則，保證設(shè)備需求不會偏離設(shè)備檢測的既定目標(biāo)。通過對模擬量和校驗開關(guān)量的比較，判斷保護裝置發(fā)出的保護動作的正確性，同時也保證了保護裝置的運行時間。如果保護裝置的保護動作超出了正常范圍，那么就可以斷定保護裝置存在問題［7］。通過比較模擬值、開關(guān)值和正常值，檢測出不同的量來進(jìn)行診斷，這樣就可以判斷出保護動作是否不正確，開關(guān)是否跳閘，提示系統(tǒng)處理故障。如果系統(tǒng)不能自行處理，就需要人為干預(yù)，向系統(tǒng)發(fā)出指令，這對整個系統(tǒng)的維護有很大幫助。

4 智能變電站二次回路狀態(tài)定位技術(shù)要點分析

4.1 物理鏈路的故障定位

在智能變電站中，物理鏈路的故障定位是一種重要的二次回路故障定位技術(shù)。物理鏈路指的是二次回路中各個設(shè)備之間的連接方式和布局。物理鏈路的故障定位方法是通過對連接線路的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行測量，分析故障點的位置和類型，最終實現(xiàn)故障點的定位。通信鏈路的一般等效如圖5所示。

圖5 通信鏈路的一般等效

當(dāng)智能站的二級電路發(fā)生故障時，站內(nèi)大量的設(shè)備會產(chǎn)生大量的報警信息。由于通信傳輸往往涉及多個連接，如設(shè)備、印刷電路板、光纖和開關(guān)，在特定接收器發(fā)送的報警信息中，很難分析出故障的來源。監(jiān)測二級環(huán)路的狀態(tài)，可以結(jié)合整個系統(tǒng)的鏈接狀態(tài)和過程層通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣鱽砉烙媶蝹€鏈接的故障概率，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位。

4.2 邏輯鏈路的狀態(tài)分析

在智能變電站的二次回路中，邏輯鏈路是指由開關(guān)、保護裝置和監(jiān)控裝置等組成的通信鏈路。邏輯鏈路的狀態(tài)分析是指利用邏輯鏈路所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行故障定位的方法。

在此基礎(chǔ)上，提出了一個基于虛擬終端的虛擬二級電路模型。該電路包括樣本值（SV）輸入和輸出、一般對象演化（GOOSE）輸入和輸出以及網(wǎng)絡(luò)地址分配。根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，GOOSE和SV消息不僅傳輸配置信息，還傳輸通信信息，從而消除了獲得二次電路狀態(tài)特征的盲點，并實現(xiàn)了對邏輯互連通信的實時監(jiān)控。利用MAC地址和APPD，過程級設(shè)備之間的通信請求信息可以用GOOSE和SV數(shù)據(jù)包進(jìn)行唯一的識別，過程級設(shè)備之間的通信關(guān)系可以用SCD技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。SCD 配置文本包含發(fā)送方的GOOSE、SV控制塊和相應(yīng)的數(shù)據(jù)集：GOOSE、發(fā)送方SV控制塊的MAC地址和接收方與發(fā)送方之間虛擬環(huán)路狀態(tài)的APPID。

對于保護裝置而言，配置文本CD的例子，記錄了這個設(shè)備的虛擬電路連接信息。LN中的輸入信息，前綴為GOOSE輸入（GON）和SV輸入（SVN），元素為 IEDName、 LDInst、 InClass InInst、 doName、daName、前綴等，獲得了創(chuàng)建過程層發(fā)送器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和虛擬電路信息表。對二次回路的邏輯鏈進(jìn)行監(jiān)測，利用過程層網(wǎng)絡(luò)定期讀取GOOSE和SV數(shù)據(jù)包，重構(gòu)數(shù)據(jù)包中的虛擬回路配置信息，并與SCD配置信息進(jìn)行比較，以保證一致性，在出現(xiàn)異常情況時及時報警。如圖6所示，監(jiān)測二次回路的邏輯互連是對智能變電站二次回路建設(shè)過程的補充，是其邏輯驗證的重要組成部分。

圖6 邏輯鏈路在線監(jiān)測示意

邏輯鏈路的狀態(tài)分析具有定位準(zhǔn)確、速度快、操作簡單等優(yōu)點。但是，它也存在一些不足之處，例如可能會受到通信鏈路不穩(wěn)定、監(jiān)測裝置故障等因素的影響，從而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確或者無法定位故障。綜上所述，邏輯鏈路的狀態(tài)分析是一種非常有效的二次回路故障定位方法，但需要考慮到其存在的不足之處，并結(jié)合其他故障定位方法，以提高故障定位的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)束語

智能變電站的二次回路經(jīng)常發(fā)生各種類型的故障，其原因多種多樣，既有人為因素，也有外部因素的影響一旦發(fā)生故障，對電網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全會造成巨大的威脅。因此，為了提高電網(wǎng)運行的可靠性和安全性，對智能變電站的二次回路故障定位技術(shù)要點進(jìn)行深入分析和研究十分重要。作為電力系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，智能變電站的二次回路是保證電正常運行的關(guān)鍵所在。