基于状态监测的智能变电站二次设备状态检修
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中国南方电网有限责任公司、武汉大学电气工程学院、北京四方继保自动化股份有限公司的研究人员陶文伟、周凯、李金、游涛、张喜铭，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，电网二次设备是变电站的守卫者，对其进行状态监测是实时了解二次设备运行状态的重要手段，也是保证变电站安全稳定运行的重要保证。
本文梳理了智能变电站中二次设备状态信息内容及来源，重点对二次设备实时运行状态信息进行分析，并讨论其获取方式，在此基础上，建立了二次设备状态诊断知识库，对二次设备进行故障原因分析和故障定位，为状态检修决策提供技术支持，最后通过工程实例，介绍本文研究内容的应用情况，该工程中建立了状态监测系统，实现了主站对二次设备实时监测，为二次设备状态检修提供了技术支撑。
随着智能电网技术迅猛发展，智能变电站作为智能电网的重要组成部分，是智能电网技术的集中体现，较传统变电站而言，其集成化、数字化、智能化的特点，使其更加轻便、高效、环保。智能变电站在电网中扮演极其重要的角色，为变电设备和电网运行状态信息监视，电网实时控制调节，以及电网各对象之间协同互动提供物理上和技术上的支撑[1]。
智能变电站的推广，加快了电网二次设备的数字化与智能化，电力系统二次设备的重要性更加凸显，已成为影响电力可靠供应的重要因素，二次设备状态监测是实现状态评价和状态检修的基础[2]，因此对二次设备状态监测技术进行研究，全面实时了解其运行状态是非常必要的。
当前二次设备的状态监测研究主要集中在对监测信息包含的范围[3-4]，监测对象简化[5]等问题上，而对设备本身状态信息的属性研究还较少，这是由于二次设备的种类繁多，不同类型、不同厂家生产的设备监测信息不同，状态信息的属性也不相同，而研究状态信息属性，能够了解状态信息对设备状态的影响程度情况，进而了解设备的运行情况，为二次设备状态评价与状态检修提供技术支持。
本文对二次设备状态监测信息进行梳理，不仅包括二次设备实时运行状态信息，还包括二次设备运维记录[6]和环境信息，全方面多维度的了解设备实时运行状态，然后对信息的重要度、信息来源和信息类型三个属性进行分析，并依据这些属性建立二次设备状态诊断知识库，为二次设备状态检修提供决策依据，最后探讨了智能变电站二次状态监测方案，将二次设备状态相关信息全面融合，实现对二次设备全过程控制。
1 智能变电站二次设备状态监测
智能变电站立足于一、二次设备都实现智能化，在智能变电站中，微电子技术、网络技术以及计算机技术的广泛应用为一、二次设备信息处理数字化、功能综合化、通信网络化、运维自动化提供了可能[7]，而由于功能上和布局上的差异，二次设备较一次设备更容易实现智能化，且二次设备作为一次设备的保卫者，保证其安全可靠运行至关重要。
图1 二次设备状态信息分类图
二次设备作为一次设备的堡垒，对一次设备实现监视、测量、控制、调节等功能，主要包括继电保护和自动装置、RTU 等远端测量监视装置和直流电源设备等，对二次设备状态参量进行在线监测，实时了解二次设备的运行状态，是开展二次设备状态检修的基础。本文将二次设备的信息按来源对象不同分为历史运维记录、实时运行状态、运行环境因素三个方面，如图1所示。
1.1 二次设备历史运行记录
二次设备经过一段时间的运行后，由于故障、维修、设备老化等原因，导致二次设备的运行状态相对于设备刚投运时的状态有所下滑，根据二次设备的历史因数信息进行分析，二次设备的历史因数主要从设备的历史运维记录和台账信息中获取，主要包括三个方面的内容，如图2所示。
图2 二次设备历史运维记录信息
1.2 二次设备在线监测信息
随着计算机和通信技术的发展，数字化及智能芯片的运用，二次设备数字化与智能化进程加快，其监测数量和精度都有很大程度的提高，二次设备监测信息一方面来源于自检，包括设备本身的自检信息，还包括设备相关附属元器件的自检信息，如继电保护设备的自检和二次回路的自检信息；另一方面，来源于其他设备的反馈信息，即与监测对象相关的设备与该设备通信或比对而反馈的信息，如同源信息比对等。
1） 二次设备监测信息
二次设备内各模块具有自诊断功能，能对二次设备内部各部件进行分析诊断，主要包括电源模块、AD转换模块、IO模块、存储器、时钟、通讯接口等模块进行巡查诊断，如表1所示，以二次设备中某型号高压线路保护为例，对其状态监测信息进行梳理，表中针对设备的9大功能模块监测信息进行探讨，由于篇幅原因只列出了部分监测信息。
表1 某高压线路保护状态监测信息
2） 二次设备监测手段
（1）设备自诊断
二次设备作为数字化设备的一种，能在软件的辅佐下实现自诊断功能，获取设备硬件信息及部分运行状态，如CPU温度、硬盘使用率等信息[8]，而由于不同厂商在设备自检中输出的信息差异较大，输出方式也不尽相同，很多设备信息都采用私有协议进行传输，较难获取。因此，采用此种方式获取信息一方面需要对智能变电站信息内容和传输模型进行规范；另一方面，需对常规变电站规约转换进行规范，如统一规约转换装置的信息上送模型。
（2）同源冗余信息自诊断
变电站一次设备重要的开关量、模拟量都被测控装置和保护装置接入，保护、测控装置都按照IEC61850标准的遥测、遥信服务建模，可充分使用同源共享信息辨识输入异常。收集变电站二次设备中保护和测控装置的遥信、遥测信息，进行一致性比较、计算，实现输入信息在线监测的智能告警和可视化展示。
可实现的自诊断功能包括：节点功率不平衡监测；保护与测控输入信息不一致监测；双重化输入信息不一致监测；双AD输入信息不一致监测等。
（3）监控网络及GOOSE状态量、SV波形在线自诊断
监视各交换机端口的平均流量、峰值流量；长包数、短包数、CRC错包数、丢弃包数等状态；网络报文记录分析仪在线监测GOOSE报文和SV报文序号连续性、GOOSE报文重发序列的正确性；二次智能设备监测GOOSE报文发送间隔、GOOSE和SV报文序号连续性；各二次设备收到的SV数据和GOOSE数据与网络报文记录分析仪的一致性[9]；配置网络连接拓扑图，配置告警信息级别及告警方式，配置告警关联关系；二次在线监测系统收集IED设备、交换机以及网络报文记录装置上送的网络异常信息。
（4）操作回路在线自诊断
通过智能终端特别设计可实现跳闸接点及回路定检，检出接点粘连、失效；该自检覆盖跳合闸接点和压板，覆盖二次回路监测的最后盲区；订制智能组件实现跳合闸接点自检功能后对智能终端下达定检命令，智能终端回采最终的开出节点信号，收集定检结果并上送，智能终端的定检结果按照IEC61850标准要求遥控、遥信服务建模。
另外，对于采用二次设备提供的信息不能覆盖的二次接线部分，可采用专用的二次回路监测设备实现二次回路的监测，可在线测量二次回路的输入电压、电流、绝缘，监测PT、CT二次回路绝缘良好、回路完整等信息，保证二次回路的可靠连接。
专用的二次回路监测设备实现单装置的自诊断功能，并将测量到的信息按照IEC61850标准的要求上送，在二次设备状态监测子站综合利用整个变电站二次设备上送的信息，按照同源冗余自诊断技术实现二次接线系统的状态监测。
3） 信息重要度
二次设备状态监测为运维人员提供了较详尽的运行状态，但要进一步指导运维人员的检修决策，还需要对二次设备状态信息的含义进行探讨，分析各状态信息发生异常时对设备的影响。不同的二次设备具有不同的功能，不同状态信息对二次设备运行状态影响不同，同种状态信息对不同二次设备影响也不相同，根据状态信息异常对设备运行状态影响程度不同，分为四个级别，如表2所示。
表2 状态信息重要度分级表
上述分级的信息都是只有两种状态的跳变信息量，称之为开关量信息，而对于值是连续变化的信息，无法直接反映状态信息正常与否，不能直接分为不同重要度，称之为模拟量信息，如表1所示。
模拟量信息主要包括CPU负荷率，设备内部温度，电源电压，端口发送功率，光口发送光强，设备震动，运行室温，运行环境噪声，运行环境湿度等。如图3所示，模拟量状态信息分级情况，设定状态信息的三个阈值（有些信息能够双向变化，因此需设置上下各三个阈值），设某模拟量测量值为ax，额定值或初值a0，2级阈值a1、3级阈值a2、4级阈值a3，模拟量信息等级根据各信息的阈值进行判定，各信息的阈值由设备研发人员确定。
图3 模拟量信息重要度分级
1.3 运行环境信息
二次设备健康状态与设备所处的运行环境息息相关，设备运行环境的优劣程度会直接或间接的对二次设备的健康状态产生影响，对设备运行环境进行监测，实时把控设备运行环境，并及时调整，使设备运行在最佳环境。二次设备的运行环境主要从主观环境和客观环境两个方面反映，如表3所示，列写了二次设备的运行环境信息。
表3 二次设备运行环境信息
2 基于状态监测的二次设备状态检修决策
基于二次设备状态监测信息，结合相关检修规范和的检修体系思想，形成二次设备状态检修的工作内容，如图4所示为设备状态检修决策工作流程图：首先获取反映被监测设备状态的信息，采集得到实时数据、历史数据和环境数据，一但出现告警、错误记录等异常信息时，异常信息一方面会根据异常信息分类库，对异常信息进行分类，另一方面异常信息会进一步进行状态诊断，确定设备的故障原因和故障位置，最后基于诊断的结果进行检修决策。
图4 状态检修决策工作流程图
2.1 二次设备状态信息收集
二次设备状态信息分为来源于设备监测的实时数据和来源于设备运维等的历史数据，实时数据直接从主站上传的CIM文件中读取，而历史数据一方面直接从生产管理系统获取，另一些不能直接获取的信息，采用人工录入的方式进行。
采集得到数据一但出现告警、错误记录等异常信息时，异常信息一方面会根据异常信息分类库，对异常信息进行分类，另一方面异常信息会进一步进行状态诊断，确定设备的故障原因和故障位置，根据故障诊断结果对设备的检修措施进行决策。
异常信息分类库是根据状态信息对设备运行的影响程度分为紧急、警示、告知三个等级。三个等级与之前信息重要度分类进行对应，如表所示为各二次设备的状态信息的分类原则。
2.2 二次设备状态诊断
二次设备诊断包括二次设备故障原因分析和故障定位，本文根据中国南方电网公司的有关规定[10]，将二次设备故障原因和故障部位进行了分类，如表4所示，然后采用数理统计或聚类分析等方法对状态信息进行分析，结合运行经验对二次设备进行综合评判。
表4 二次设备故障原因和位置分类
2.3 状态检修决策
二次设备检修决策依据状态信息的告警等级，以及电网公司检修的相关规定[11]，表5为不同类型设备的告警处理时间，结合状态诊断确定的故障部位和故障原因，对设备实施检修操作。当前二次设备的检修工作大多为更换板件，因此对二次设备进行故障定位是检修的关键工作。
表5 不同类型二次设备告警处理时间
3 实证工程
本文研究内容应用于广西某220kV智能变电站建设工程中，此工程中建立一套二次设备状态监测系统，以完成变电站内二次设备的状态监测、全站网络系统的状态监测、智能化诊断、检修决策[12]等高级应用，并将全站状态监测数据通过独立通道实时上送到各级调度，对监测信息进行展示分析。
3.1 实施方案
如图5二次设备状态监测系统总体构架，首先采集各变电站内二次设备状态信息，通过设备智能远动机上传至各集控站。公司各级单位有不同级别的客户端，在不同级别的客户端内，运行人员能够查看到不同级别二次设备的数据，从而实现对变电站二次设备的综合管控。
图5 智能变电站二次设备状态监测网络结构图
3.2 信息分类模型的源端维护
由于二次设备的种类繁多，不同二次设备的状态信息重要度不同，且各信息的阈值也不相同，因此设备新增的属性只能在设备源端进行维护，本应用工程采用的是IEC61850的通信方式，二次设备状态信息的所有属性都基于设备的SCD文件，在本次应用中新增了信息类型属性、模拟量阈值属性以及开关量信息级别属性，具体如图6所示，信息类型(Meas.Type)为模拟量(Analogy)和开关量(Status)，信息阈值有上下各三个阈值(hhLim/hLim/max/min/lLim/llLim)，共6个阈值，区分模拟量信息的四个状态，信息的状态等级分为0/1/2/3/4，0表示信息为模拟量无状态等级。
图6 二次设备CIM文件中状态信息属性
3.3 主站软件分析
在调度端设置状态监测工作站，对各二次设备信息进行全面监视，实现单个设备的状态监测，如图7所示，为智能终端设备监测信息截图，模拟量信息采用仪表形式展示，开关量信息采用光字牌的形式展示。
图7 智能终端状态监测信息展示图
4 结论
智能变电站的应用与推广将进一步推进二次设备状态监测集成化建设进程，本文探讨了二次设备状态监测的内容、获取方式和信息的重要度，并将研究内容应用于实际变电站中，实现调度主站对二次设备全面监视，为检修、运行人员对故障进行正确分析及准确判断提供基础支撑，提高二次设备状态检修决策能力。
当前，二次设备状态监测技术还处于发展阶段，随着电子设备集成化的发展，二次设备状态监测将越来越全面，监测信息数量和质量上都会有所提升，二次设备状态评价和状态检修决策技术也会随之发展，基于状态监测的二次设备状态评价技术还需在以后的工作中进一步探讨。