潞宁矿35kV 变电站二次保护故障诊断及定位技术研究

王 晶 新

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司电力科，山西 忻州 036706）

1 概 况

当前，随着科学技术的不断发展，煤矿生产中对于电能质量的要求越来越高。作为电能供应的枢纽—变电站扮演的角色也越来越突出。为保证变电站可以稳定的可靠运行，变电站建设过程中采取了多重保护，包括：出线路保护[1-2]、变压器保护[3-4]、母线保护[5-8]、故障录波系统[9]等各种先进的保护方式，随着当前变电站建设的集成化以及智能化发展，对于变电站的维修与故障位置的排查，也变得越来越困难。这就需要建立以探索变电站二次保护就地化后对系统网络架构的影响[10]。

变电站作为煤矿电力系统的主要供能单元，承担着连接电网与矿上主要设备的重要职能。在工作中，需要严格服从上级电网的调度指令，还需要考虑生产设备的负荷要求。作为煤矿局域电网的主要支撑单元，变电站依托大量稳定运行的一、二次智能设备，加以灵敏的二次保护系统，实现变电站在系统保护和运行控制上以及信息采集管理和在线监测方面的一体化自动操作。

2 变电站的二次设备结构分析

变电站的二次设备主要是指针对与煤矿供电系统内的所有一次设备所进行的在线监察，测量以及控制、保护和调节的辅助设施，即在生产工作中不直接与电能产生发生联系的设备。变电站中的二次设备作为变电站内的核心组成单元，它的可靠运行是保证煤矿供电系统安全的基础。但由于当下变电站与其二次设备在配置过程中的独立分散、信息共享度相对较低，使其在发生故障时，变电站的维护工作量相对较大、站内设备缺陷较明显以及变电站二次系统的可视化程度偏低等问题，使得变电站二次设备的运维水平相对较低。

为方便对变电站发生故障后进行排查与检测，首先对其组成结构进行分析研究，通信拓扑结构如图1所示：

图1 变电站二次系统拓扑结构图

其二次系统的特点是：二次的保护采样环节，由于增加了合并单元，并且在其出口环节增加了智能终端，这将导致二次设备的保护在系统的整体动作时间上增加了7～10ms，二次系统保护的速动性和可靠性都会有所降低，对于供电安全性和可靠性都会有所影响。其信息环采用千兆光纤以太网，环内之间的各节点关系彼此对等，并且首尾相连，具有转发和过滤功能。当信息环网N-1 故障时，其余设备的通信不受影响。工作过程中的报文最大帧长1524 字节，传输时间为12us。

由于二次保护的纵向层次网络的简化，横向互联交叉的减少，使其在工作中对交换机的依赖会大大降低。系统的合并单元、智能终端、过程层交换机等设备的存在，使保护装置采样数量有所减少，这对保护装置速动与可靠都会有所提高。而使用紧凑的结构、小体积以及分散布置的就地模块，可以避免单一设备故障对于系统保护范围的影响，其二次系统架构如图2所示。

图2 二次系统架构

二次系统通信图如图3 所示：

图3 二次系统通信图

接口板卡数据复用如图4 所示：

图4 接口板卡数据复用图

3 变电站二次系统的故障诊断

3.1 故障诊断的结构障类型分析

变电站二次系统常见故障有：工作数据错误处理和执行逻辑的误判，所引发的二次保护系统装置的错误动作，主要是指系统的误动或拒动；合并单元结构所采集的错误插值数据以及工作实时数据误差，所导致的二次保护系统动作等等。以下为统计的二次系统保护工作所对应的平均修复时间，在标准的24 小时下，其对应的修复率为1/（24/8760）=365 次/年。据此得二次系统保护的可靠性数据，见表1：

表1 二次系统保护的可靠性数据

3.2 继电保护设备的状态监测

传统的变电站二次保护都是通过，保护设备上的辅助装置，其引出的两个接电位置所接受到的收集信号比较值，根据比较值大小来判断二次系统是否处于正常的运行状态。但是由于变电站的系统检测需要具有一定的连续型，需要以变电站的数字化后的信号，提供二次系统的一系列连续工作信息，以作为系统的判断，实现对二次保护系统的检测要求。当需要变电站二次保护的监视数据时。第一步，要将二次系统的监视数据和信息传输到计算机中，此过程对变电站二次保护的工作信息精确度有所要求。并且要保证检测到的智能终端以及二次保护装置包括合并单元在内的的监控信息具有一致性，并且连续平稳。

3.3 二次回路的在线监测

二次回路是指：变电站利用电缆所实现的二次回路接线，使用光纤通路对其二次回路在线检测。方法是光纤通路由光纤网络连接交换机所共享的实时数据，使变电站二次回路接线过程中出现的故障得到降低。

3.4 离线式故障诊断

所谓的离线式故障诊断系统，主要指对接入设备和监测终端两个设备，它们之间的连接方式和通信方式都采用无线网络。以变电站内的探索设备为接入设备，以其所实现的内部网络信号来收集二次系统工作的相关信息及报文，并且对其分析。

4 故障定位技术

二次系统由SCD 文件实现其物理端口及虚回路工作信息的在线采集，并利用监测网络的拓扑搜索得到系统的各虚回路之间相应物理通道的各节点范围。其故障节点范围包括：板卡、设备、端口和光纤等等。常用的故障举证表定位方法，主要指利用系统全网的设备通信组成的链路状态，对二次系统的各物理节点进行排查，此表可以用来创建对应的算法数据模型。见表2：

表2 故障举证表

系统的主要设备在采用不同采样、跳阐方式，所对应的系统可靠性框图，如图5（a），框图中英文缩写对应的设备见表3：

表3 对应的设备中英文缩写

图5 系统可靠性框图

5 结 论

本文通过对潞宁矿35kV 变电站二次保护故障诊断及定位技术研究，详细介绍该变电站的组成结构，以及其二次保护的通信拓扑结构，并针对该变电站的二次系统的工作参数，分析其二次系统发生故障的风险以及对应措施。讨论了不同模式下，影响变电站二次保护的有效性、工作条件下的拒动率及设备元件的误动率等二次系统的相关参数。

并以变电站的实际运行经验相互结合，由组成二次系统的智能化设备和光纤通信通道对其二次保护进行故障诊断分析和技术定位。该方法对于降低故障的排查工作量，有一定的参考价值。