就地化装置硬件外特性的在线监测与诊断方法

周华良,汪世平,宋 斌,邹志杨,吴 海,张洋洋

(1.南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏省南京市 211106;2.国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市 211106;3.智能电网保护和运行控制国家重点实验室,江苏省南京市 211106;4.河海大学能源与电气学院,江苏省南京市 211100)

就地化装置硬件外特性的在线监测与诊断方法

周华良1,2,3,汪世平1,2,宋 斌1,2,3,邹志杨1,2,吴 海1,2,3,张洋洋2,4

(1.南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏省南京市 211106;2.国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市 211106;3.智能电网保护和运行控制国家重点实验室,江苏省南京市 211106;4.河海大学能源与电气学院,江苏省南京市 211100)

针对电力二次就地化装置运行维护面临的新要求和挑战,从就地化装置硬件外特性的角度出发,系统性地分析了典型就地化装置的交流量输入接口、供电电源输入接口、光纤通信通道、开关量输入回路、工作指示灯,以及装置外部环境状态等电气与物理特征,提出了相应的在线监测与诊断方法。根据就地化装置硬件外特性的诊断结果,构建了硬件接口状态判据矩阵,形成了典型的故障诊断结果。

就地化装置;硬件外特性;在线监测;诊断分析;状态矩阵

0 引言

智能变电站二次设备就地化能实现设计建设、安装调试和运行维护的全过程降本增效,满足设备小型化、工厂化调试、更换式检修的技术发展要求。智能变电站二次设备就地化技术的发展,即将开启变电站建设及运行维护的全新模式[1]。

二次设备就地化安装后,尤其是直接安装在一次设备场内无防护的就地化装置,其所处的气候环境、电磁环境[2-5]和机械环境变得更为复杂和恶劣。装置出现故障的概率大幅增加,故障形式和成因多样,故障诊断与定位复杂,运行维护要求更高。这些变化要求就地化装置自身具备一定的在线监测和诊断能力,以便接入站内智能化实时监控和远程诊断决策系统,从而方便运行维护的顺利开展。

就地化装置硬件的监测与诊断内容复杂,状态量种类多,从功能划分可分为内特性和外特性。内特性监测与诊断主要针对装置内部的状态量,如内部温度、湿度、数据链路报文、内部电源、内部ADC基准等,这些与常规装置的检测方法和要求基本相同[6-7]。硬件外特性的监测与诊断主要是针对装置外部回路或外部接口而言,常规装置的外部回路监测与诊断主要采用双重化配置及相互监测逻辑来实现[8],而就地化装置则需要通过监测各个接口的电气特征或物理特征的变化来实现。

本文通过对就地化装置的硬件外特性的接口种类、异常现象的分析入手,针对交流量连接器、装置外部电源输入、光纤通信通道、开关量输入、工作指示灯及外部环境状态等,系统性地提出了具体的监测和诊断方法。根据外特性的监测结果,构建状态诊断决策矩阵,并通过矩阵运算,得到就地化装置的硬件外特性故障诊断结果,为运行维护提供决策参考[9-12]。

1 就地化装置的硬件外特性分析

就地化装置的硬件外接口主要有:高防护电连接器、高防护光纤连接器、工作指示灯等。图1所示为典型的就地化线路保护装置的外接口示意图。

图1 典型就地化线路保护装置的外接口Fig.1 Typical external interface of localized line protection

为了客观、准确地监测就地化装置对外硬件物理接口的在线状态,本文从实际运行维护及监测实现的方便性角度出发,重点罗列了如表1所示的硬件外特性的主要特征量。

表1 就地化线路保护装置硬件外特性的主要特征Table 1 Main characteristics of external interfaces of hardware for localized line protection

这些硬件接口的特征状态发生缓慢或突然变化时,表明就地化装置工作条件发生了变化,就地化装置即将或已经发生硬件异常情况。按各回路的工作机理,其典型的异常特征及异常后果如表2所示。

表2 就地化线路保护装置外接口异常特征及后果Table 2 Abnormal features and consequences of external interfaces of hardware for localized line protection

另外,温度、湿度、光强等环境状态变恶劣后,尤其是高温、强太阳光照射,会导致就地化装置内部温度升高,影响装置的使用寿命和可靠性;当就地化装置箱体气密性不好时,内部容易产生漏水或凝露,积水覆在内部电路板元器件和连接器上,可能造成元器件参数变化、电路短路、绝缘性能下降等,从而导致就地化装置工作异常,出现装置告警、闭锁甚至损坏;就地化装置在运输、调试、巡检环节也会经受频繁的振动和撞击等机械扰动,可能造成装置内部连接松动、接触不良等现象,也会造成就地化装置的硬件外特性发生不可预期的变化,发生故障的概率增大。

2 在线监测技术及诊断

依据上文对就地化装置的硬件外特性分析,本文系统性地提出了交流量输入连接器、供电电源输入接口、光纤通信通道、开关量输入回路、工作指示灯,以及装置外部环境状态等电气与物理特征的在线监测与诊断方法,并给出诊断结果矩阵,为接口状态决策系统提供输入条件。

2.1 交流量输入连接器的监测及诊断

就地化装置的交流电压、电流的输入接口连接器接触的可靠性受外部气候环境或振动环境影响较大,连接器的导通不良将直接导致采样信号的失真,给装置的保护测控主功能带来隐患。因此,对连接器的接触性能进行在线监测非常必要。

连接器的接触电阻值变化能比较直观地反映连接器的接触状态,因此,可以通过直接或间接监测连接器的接触电阻变化来判断连接器是否可靠连接。就地化装置在工作状态下,当因接触不良导致的连接器接触电阻增大后,会因损耗增大而产生一定的热量增加,此处的热量通过连接器的铜质芯材传导,带来温度的梯度变化。通过检测温度分布上某点的温度,与正常状态下的温度值进行比对,判断出接触电阻是否发生变化,并根据温度变化的大小确定接触故障的严重等级。如附录A图A1所示,将热电偶和导线与连接器芯一起压接,热电偶将压接部位的温度作为监测状态量传送至监测回路。

在一段连续的工作时间内,环境温度为Ta时测得的温升为ΔT(Ta),设定两个参比温升值分别为ΔT1(Ta)和ΔT2(Ta),且ΔT1(Ta)<ΔT2(Ta),分别是温升的两个判据门槛。ΔT1(Ta)是连接器在Ta环境温度下,正常工作时的温升最大值;ΔT2(Ta)是连接器在Ta环境温度下,温升超出了ΔT1(Ta)一定幅值,表示连接器已经处于温升异常的状态,该取值可以依据不同的应用要求设定。依据温度监测量的相互关系构建状态函数A,A=f(Ta,ΔT),则温升的综合诊断结果可以用A的计算结果a表示,不同数值对应不同的监测结果,如附录A表A1所示。连接器的接触电阻(主要受材质影响)和工作电流越大,a值越高,连接器的故障严酷程度越高。

2.2 装置供电电源输入的监测及诊断

就地化装置的供电电源采用高频开关电源模块,就地化装置本身不仅监测电源模块的输出,还可以监测电源模块的输入电压和电流。相比于监测电源模块内部单一元器件的状态,如功率器件的温升变化、电解电容的容值和等效串联电阻(ESR)[13],采用监测电源模块的输入电流和电压的方法更具有灵活性和实用性。通过采集电压、电流的信号量,计算出电源模块的输入功率,根据功率的变化,可以判断是否有功率器件发热量增加;通过输入电流的纹波变化,可以判断内部滤波元器件性能是否有下降。

由于就地化装置的强弱电隔离要求和抗电磁干扰要求比常规二次装置的要求更高:绝缘电压AC 3 000 V、冲击电压7 500 V、浪涌干扰电压6 000 V。这对输入电压、电流的采集及监测电路的设计提出了挑战。本文提出了如附录A图A2所示的采集回路。线性运放的隔离电压高达10 kV,其原副边供电电源从电源模块主变压器原边供电绕组上获取,副边供电电源从电源输出直接获取。

在一段连续的工作时间内,检测就地化装置电源输入电压uin、输入电流iin和输入功率pin,并分别给三个状态量设定一个参比范围(u1,u2),(i1,i2)和(p1,p2),这些参数的取值可以依据相关技术标准或工程经验设定。例如:一般技术标准要求输入电压的波动范围在0.8un～1.2un,因此,电压的参比范围可以取(0.75un,1.25un),根据开关电源的效率特性,输入功率的参比范围取(pn,1.1pn),则电流的参比范围为(0.8in,1.46in),其中un,in,pn分别为额定电压、额定电流和额定功率。当uin的监测值超出该范围时,表明输入电压异常;输入电流iin有效值的波动和纹波大小的波动,也可以与设定的参比范围进行比较,并给出对应的监测结果;输入功率pin的监测则可以根据uin和iin监测值进行相关的计算和判断。根据三者之间的相互关系构建状态函数B,B=f(uin,iin,pin),则装置供电电源输入的综合诊断结果可以用B的计算结果b表示,对应不同的监测结果,如附录A表A2所示。uin,iin,pin的波动均在设定的参比范围内,b的取值为0。当uin,iin,pin的波动偏离参比范围越大,b值越高,输入电源的故障严酷程度越高。

2.3 光纤通信通道的监测及诊断

就地化装置的光纤通道状态监测比常规装置的监测量更多,除了监视光模块的收发功率与误码率[14],还应能监视光模块的供电电源、温升、光模块有无发光等信息。通过相关的硬件电路,将这些信息实时送入状态监测决策系统,根据决策机制,输出光纤通道的状态。

在附录A图A3中,光纤接口模块采用I/O信号来监视光纤接收通道的光输入是否有效。当对侧发送端有效接入本侧接收端时,I/O信号指示高电平;当对侧发送端未接入或发送端发送功率异常时,I/O信号则指示低电平。监测系统通过I2C总线接口读取光纤通信模块的内部温度、工作电压、发送和接收光功率等状态信息。监测系统将读取到的各状态信息与设定的定值进行比对,并给出状态指示信息。

监测系统根据监测到的光纤通道各个状态量对光纤通道诊断的影响,构建状态函数C,C=f(OTX,ORX,OEX,OPWR,OTMP),其中OTX,ORX,OEX,OPWR,OTMP分别表示光模块的发送光功率、接收光功率、有光、电源、温度等状态量。在就地化装置应用中,光纤模块的发送光功率正常范围为(-21 dBm,-13 dBm),而接收光功率正常范围为(-13 dBm,-32 dBm),状态量OTX和ORX可以以此为参比范围进行判断;而电源和温度的监测门槛,可以根据实际使用需求确定。就地化装置光纤通道状态的综合诊断结果可以用状态函数C的计算结果c表示,对应不同的监测结果,如附录A表A3所示。c的取值大小与光纤通道的光功率、温升、电源纹波成比例关系,具体取值可以依据相关的技术标准或者实验数据。

2.4 开关量输入回路的监测及诊断

国家电网公司对电力二次设备的开关量输入动作门槛有着明确的要求,开关量输入动作电压门槛必须满足55%～70%的额定电源电压,同时在相关就地化设备标准中,要求DC 110 V和DC 220 V不同电压等级的开入能够做到自适应响应。因此,开关量分、合状态的准确判断必须同时参考外部开关量工作的直流电源工作电压。

就地化装置的开关量信号输入回路与传统的开关量信号输入回路有所不同,传统开关量输入回路当有开关量输入且输入电压达到开关量动作门槛电压值时,光耦呈饱和导通状态。而本系统中的开关量光耦在全工作电压范围内呈放大态,光耦的输出值随着开关量信号输入回路的输入电压变化而变化。开关量采集回路如附录A图A4所示,选择光耦传输比(CTR)范围为100%～200%。但光耦的CTR会随着温度变化波动,因此,实时监测光耦附近的环境温度,依据温度值对光耦的CTR进行温度修正,以提高数据采集的准确度。同时对开关量直流电源进行监视,开关量直流电源的采样值与温度无关,实现了电压判据的独立性。

当监测到开入量变位异常时,可以先检查开关直流电源工作电压信号的情况,以确定开关量变位的起因并给出相应的告警信号。

根据监测到的直流电压和开入异常变位的状态,构建状态函数D,D=f(udc,Bi),如附录A表A4所示。对于直流电压udc的波动,也设定一个参比范围(u1,u2),u1和u2的取值可以根据技术标准或者实验数据设定;对于异常变位状态Bi,只要有一个开入异常变位,则认为装置开入变位异常。就地化装置的开关量输入回路状态的综合诊断结果可以用状态函数D的计算结果d表示,对应不同的监测结果,如附录A表A4所示。

2.5 工作指示灯的监测及诊断

就地化线路保护装置配有运行、报警和跳闸共三个指示灯,是采用ALGaInP材料制成的高亮LED,配置的指示灯方便了就地化装置在现场的调试和运检工作,但其硬件质量的好坏对运行维护有直接影响。

本文设计的LED指示灯的监测回路如附录A图A5所示。Ta环境温度下,在有亮灯驱动信号下,直接采集指示灯LED1的端电压VF,并通过电阻R1取样流过指示灯LED1的电流IF,采样到的VF和IF送至采样模块,经温度系数修正后,与器件手册提供的曲线进行比对,从而判断出LED指示灯的亮灯逻辑是否正常,灯的亮度是否正常。

根据监测到的LED端电压和电流的状态,构建指示灯工作状态函数E,E=f(e1,e2),其中e1表示亮灯的逻辑状态,e2表示亮灯的亮度状态。就地化装置的工作指示灯状态的综合诊断结果可以用状态函数E的计算结果e表示,对应不同的监测结果如附录A表A5所示。亮灯的逻辑判据是LED灯的输出逻辑与回采逻辑进行对比:二者逻辑一致,则对e的取值没有影响;二者逻辑相反,则e直接取值为1。亮度状态的判据则依据LED的厂家数据手册和亮度目视效果进行取值。

2.6 就地化装置外部环境状态的监测及诊断

中国幅员辽阔,气候差异显著,高低温工作环境差异极大,同时自然环境复杂多样,在沿海地区空气湿度大,腐蚀性的盐雾含量高;而在内陆高海拔地区,低气压、高太阳辐射也是严峻的气候考验。

为了更全面地监测就地化保护装置外部的环境状态(温度、湿度、光强、大气压等),本文通过在现场安装的就地化支架上设置一套小型气象站,内置单片机通信模块采集环境中的温度、气压、风力风向及雨量等信号,经RS-485通信链路送至就地化通信管理单元进行数据处理、绘图及运算,结合就地化装置内部监测到的温度、湿度、气压等数据,进行环境综合决策预警,整体如附录A图A6所示。

根据所监测到的温度、湿度、雨量、风力和气压等状态,构建状态函数F,F=f(f11,f12,f13,f14,f15),其中f11,f12,f13,f14,f15分别对应温度、湿度、雨量、风力和气压等5个状态量。状态的判据可以依据当地就地化装置工作环境条件的实际要求与规范来确定。其工作环境状态的综合诊断结果可以用状态函数F的计算结果f表示,对应不同的监测结果如附录A表A6所示。f取值的判据可以根据温度、湿度、雨量、风力和气压的大小成比例关系,具体数值可以依据模拟试验结果或者经验数据。

2.7 就地化装置箱体密封及漏水的监测及诊断

直接安装在户外的无防护的就地化装置密封是提高装置IP防护等级最重要的措施,壳体的密封技术主要采用橡胶材料制成的密封条、密封垫及密封圈等方式进行密封处理。随着就地化装置在环境恶劣的户外长时间运行,将使得密封材料发生降解、断裂等失效变化,从而导致箱体密封性能发生劣化,引起箱体密封泄露,进而可能引发箱体内部进水,将直接造成装置内部部件的腐蚀、短路甚至损坏,严重时甚至可能导致保护装置误动作,影响电力系统的安全运行。

如何监测及诊断就地化装置密封状态及在线监测箱体内部漏水情况,是提升就地化保护装置硬件可靠性的一个重要方面。本文通过在就地化保护装置内部设置一个气压传感器,检测装置密封时向箱体内充入一定压力的气体,根据气压传感器气压范围和保压时间,判断就地化箱体是否有泄露,同时在就地化装置底部设置液体传感器,当就地化装置因泄露出现漏水时,经液体传感器采集数据并监测装置漏水情况。实现就地化装置密封和在线监测箱体漏水状态方法如附录A图A7所示。

根据监测就地化装置内部气压、积水的状态,构建状态函数G,G=g(g11,g12),其中g11和g12分别对应气压和积水的状态。就地化装置漏水状态的综合诊断结果可以用状态函数G的计算结果g表示,对应不同的诊断结果,如附录A表A7所示。g取值的判据可以依据气压大小和积水严重程度设定,具体数值可以依据模拟试验结果或者经验数据。

2.8 就地化装置振动扰动情况的监测及诊断

就地化装置在运输过程中,可能会受到强振动或冲击导致装置外壳变形,引发内部器件脱落、损坏,在装置运行并受到剧烈撞击时,还可能会造成装置误动作,加强装置机械结构与内部器件紧固度是提高装置抗振动能力的基本措施。虽然就地化装置已将振动试验等级提高到2级,基本可抵御外界机械力引起的装置故障,但是装置在使用全寿命过程中,可能遭受到不可预知的振动、冲击、碰撞等。通过监测及记录装置振动与内部扰动情况,可实现对装置运行状态进行振动预警评估,弥补装置失效时装置振动与内部状态数据缺失问题。

本文通过在就地化装置内部设置“黑匣子”电路模块来进行振动与内部扰动的监测及记录。如附录A图A8所示,“黑匣子”模块电路包括了低功耗CPU、三轴加速度传感器和声音传感器,通过低功耗CPU对X,Y,Z轴加速度和音频信号进行采集及存储,可以在设备不上电情况下对运输过程三轴振动加速度及音频数据进行存储与分析。装置现场运行过程可实时对装置振动加速度及音频信号数据进行采集及上送。

根据监测到的机械环境状态,构建状态函数H,H=f(h11,h12,h13),其中h11,h12,h13分别对应就地化装置在运输和工作时的振动、碰撞和冲击等状态。就地化装置振动的综合诊断结果可以用状态函数H的计算结果h表示,对应不同的诊断结果如附录A表A8所示。h取值的判据由振动、碰撞和冲击的强度(振幅和频率)及发生的次数组成,具体的取值可以依据相关的技术标准或者试验模拟数据设定。

3 状态知识库与决策

根据上文构建的8个典型就地化装置硬件外接口状态函数的计算结果,即a,b,c,d,e,f,g,h生成一个多维矩阵X:

(1)

当矩阵X中元素值为0时,说明对应的就地化装置对应外接口的状态正常;元素值为1时,说明就地化装置对应外接口的状态异常,需要做进一步运检处理;元素值在(0,1)之间时,具体的取值则由实际的评判标准及状态量对装置后续行为的影响大小而定。

状态量取值对就地化装置正常运行的影响大小,可以用一个权重矩阵Y来表示:

(2)

权重矩阵Y中的元素值的大小表明对装置正常运行的影响不同,进行归一化处理后,数值均在[0,1]。数值越大,表明对应元素对装置异常的影响越大,反之则影响越小。不同状态量之间也存在影响。权重矩阵Y中元素的取值,可以依据运行规范要求、运行经验等确定。

根据状态诊断结果矩阵X、权重矩阵Y,可以生成一个就地化装置硬件外接口特性的状态矩阵Z,Z=YX,即状态知识库。

(3)

本文提出的各个状态监视回路具有一定的解耦性,权重矩阵Y中只有对角元素取值可能不为零,其他元素取值均为零。则Z矩阵可简化为:

Z=

[ayaabybbcyccdyddeyeefyffgygghyyy]T

(4)

为了更好地表征装置外特性状态的实际状况和运行维护的可识别性,本文采用了一个权重矩阵Q与状态结果矩阵Z的乘积进行量化,其中Q的元素取值范围为[0,1],即

(5)

则量化结果S为:

S=QZ=ayaaqa+bybbqb+cyccqc+dyddqd+

eyeeqe+fyffqf+gyggqg+hyhhqh

(6)

根据S的数值大小可以考虑划分为4档,并采用不同的颜色加以区分标识,如表3所示。

表3 不同数值对应的颜色Table 3 Different values for corresponding colors

按此种方法标识后,状态矩阵就是一张颜色鲜明的状态图,可以很直观地看出哪些状态量影响了就地化装置的正常运行及实际影响的程度。

运行维护最终的决策结果可以根据表3中的4种颜色来确定,分别代表不同的预警信息。对应表4,运行维护人员可根据不同颜色的预警,制定具体的运行维护决策方案。

表4 典型运行维护决策建议Table 4 Decision suggestions of operation and maintenance

4 实验验证

由于就地化装置目前处于挂网运行的阶段,基本上没有现场运行状况的数据统计与分析,本文研究只能采用实验室综合模拟试验验证就地化装置硬件外特性的在线监测与诊断方法的有效性。综合模拟试验的试验项目有:大电流试验、电源影响试验、高低温试验、湿热试验、淋雨试验、振动试验,分别模拟交流量端口、电源端口、开入端口发生故障及环境变化,就地化装置硬件外接口特性的状态矩阵Z中的元素值发生变化,并根据上述矩阵计算方法,求出最终S取值的变化。例如:当试验模拟输入电源电压跌至额定电压的60%时,就地化装置通过状态函数B=f(uin,iin,pin),采用既定的求值算法,获得b的取值为0.7,权重矩阵元素ybb取值为1,其他元素均为0。则通过矩阵运算得到:

(7)

权重元素qb的取值为1,则S的计算结果为0.7。从表3的对比可见,在就地化装置电源输入端口异常时,量化的结果对应为橙色预警,给出相应的运行维护建议是准备检修更换。

5 结语

电力二次设备就地化装置相关的研究工作尚处于起步阶段,国家电网公司提出的接口标准化的就地化装置研究也刚刚开始。本文主要立足于就地化装置本身的检测实现方法,对几个典型的硬件接口特性进行了探究,并提出了具体的在线监测和诊断方法。但就地化装置其他重要外特性如接地电阻、电缆屏蔽效能等的研究尚未展开论述,这也是后续研究工作的重要方向。同时结合就地化装置的工程应用推广,需要进一步调研现场的运行状况,深入分析现场瞬态操作时的状态监测,积累更多的监测与诊断的数据与案例,提高模型的准确度,以提升就地化装置在线监测的成效。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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On-lineMonitoringandDiagnosisMethodforHardwareExternalCharacteristicsofLocalizedEquipments

ZHOUHualiang1,2,3,WANGShiping1,2,SONGBin1,2,3,ZOUZhiyang1,2,WUHai1,2,3,ZHANGYangyang2,4

(1.NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute),Nanjing 211106,China;2.NARI Technology Co.Ltd.,Nanjing 211106,China;3.State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control,Nanjing 211106,China;4.College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China)

According to the new challenges for the operation and maintenance of secondary localized equipment in power system,from the view of its external characteristics of hardware,the electrical and physical characteristics of the AC input connectors,power input interfaces,fiber channels,binary input circuits,operating indicators and external environment conditions are analyzed.Meanwhile,the on-line monitoring and diagnosis methods are also presented.According to the diagnosis of hardware external characteristic,the hardware interface state matrix is built and the typical fault diagnosis result is produced.

localized equipment;external characteristics of hardware;on-line monitoring;diagnosis and analysis;matrix of state

2017-02-04;

2017-08-25。

上网日期:2017-10-09。

已申请国家发明专利(申请号:201611057300.9,201610587496.6)。

周华良(1980—),男,通信作者,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力二次设备控制保护共性平台技术。E-mail： zhouhualiang@sgepri.sgcc.com.cn

汪世平(1980—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力电子与电力传动。

宋 斌(1968—),男,硕士,研究员级高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。

(编辑章黎)