智能变电站继电保护检修方法研究

孟凡涛

（国网山东省电力公司梁山县供电公司，山东 梁山 272600）

0 引 言

与传统变电站不同的是，智能变电站的继电保护系统结构出现了很大变化。一方面，智能变电站的继电保护系统结构由2层变为3层，部分原属二次设备的功能成为独立功能模块，如开关控制功能，同时加入了传统变电站继电保护系统结构没有的合并单元、智能终端等组件[1]；另一方面，智能变电站继电保护系统使用光纤通道代替常规的辅助电缆线路，实现数字网络数据传输。这些变化导致智能变电站继电保护系统检修、维护难度加大。同时，有效的在线监控设备和智能变电站二次系统中信息交换的简单技术特性有力地支持了继电保护系统检修。因此，探讨智能变电站继电保护系统检修方法，提高智能变电站运维管理效率，对于促进智能变电站技术的进步具有非常积极的理论和实践意义。

1 继电保护系统组件检修思路

智能变电站包括同步系统、交换机、光纤通道、继电保护单元、合并单元和智能终端等组件。由于大多数组件可以进行在线监控，使用时间越长，组件性能越差，一旦降至某个设定值以下，就需要消除缺陷。因此，继电保护系统组件状态检修可以尽快识别组件中的安全隐患，确保系统稳定运行。

1.1 时间同步系统

对于一般故障，优化的在线监测系统能实时监测时间同步系统的大部分故障，即状态检修模式。诸如时钟同步连接中断、天线损坏、时钟电源故障等重大故障[2]，一旦发生将很难自我修复。因此，时间同步系统中加入了针对这类故障的应急处置方案，如果发生此类故障，那么第一时间给出警报，即故障检修模式。

1.2 交换机

因为能在线监视交换机的大部分故障和异常操作状况，而且很多故障情况都有随时间不断变化的特性，所以交换机的检修策略通常以状态检修为主、故障检修为辅。

1.3 光纤通道

理论上，光纤通道的检修应采用故障检修、状态检修和定期检修3种方式。但光纤通道多，定期检修工作任务繁重，而且定期检修易导致光纤损坏，从而增加损耗。因此，定期检修不适用于光纤通道检修。而故障检修只适合用于光纤通道故障之后的检修，光纤通道发生故障将导致变电站的IED设备运行异常。尤其是GOOSE、SV信号通道发生故障，将导致开关不跳闸，严重威胁电网的运行安全。考虑到现阶段在线监测技术越来越完善，光纤通信通道故障多由衰减增加或光模块引起的，而且具有随时间渐变的特点[3]，因此适合采用状态检修方式，以有效降低维护工作量，避免定期检修带来的不稳定因素，同时可以检测到光纤通道中的严重故障，可以识别异常运行状态，及时采取针对性的对策，以避免由于光纤通道故障引发的IED设备故障。

1.4 继电保护单元

如果继电保护单元出现异常运行现象，如收发功率低、报文异常等故障，则可借助实时在线监控功能检测其状态。由于合并单元、互感器的故障导致A/D异常，进而造成系统扫描异常。如果GOOSE或SV通信失败，则智能站具有某些保护机制可以确保系统运行稳定。此时，应采用相应的故障检修方法。而且继电保护单元执行状态检修时，必须考虑其出厂测试、维护记录、使用年限、家族设备故障情况等因素，以全面分析继电保护单元的运行状态。

1.5 合并单元

合并单元主要起到保护、测量和控制的作用，合并单元故障多体现为同步脉冲大、收发功率低、报文异常等，都能借助在线监测系统及时捕捉。一旦出现合并单元故障，则系统将发生故障。因此，需要通过状态监测及时识别故障，并及时采取措施排除故障。

1.6 智能终端

不同于合并单元等智能组件，智能终端包含大量继电器回路，这些回路很多都无法带电运行，因此不能进行在线监控，导致继电保护系统状态检修难度增加。制定智能终端检修策略时，考虑其结构复杂、各部件的故障属性、在线监控方法以及故障影响程度的较大差异，应采用故障检修、定期检修以及状态检修相结合的检修策略[4]。

2 基于故障概率预测的继电保护系统检修方法

先解算最近一次检修后一段时间内继电保护组件的故障累积概率，再根据相关约束方程来优化求解继电保护组件的检修时间间隔。

2.1 累积故障概率

智能变电站所用的继电保护装置的组件均属于IED组件，其故障特性类似于常规微机保护。因此，结合定期检修微机继电保护组件的经验可知智能变电站110 kV以上保护设备状态检修周期4年。如果组件状态正常，则可根据推后1年，即最大检修间隔为5年。本方案将正常运行5年后的故障累计概率作为各组件故障概率基准值，以得到最合理的检修间隔时间。因为智能变电站继电保护系统装置智能化程度高，所以其故障率分布曲线呈早期、偶发、损耗3阶段变化规律，各阶段中组件的故障概率基准值存在差异。偶发故障期组件故障率影响因素包括老化、疲劳等，类似于定期检修策略下组件正常运行的影响因素。因此，可以通过构建相应的故障率分布模型，取故障期的中点作为参考时间点结算求解该参考点前、后年（合计5年）内的故障累计概率作为基准值，用于明确最佳检修间隔。继电保护组件故障累计概率基准值P0可通过以下公式计算：

式（1）中，T0为组件原始使用年限，λ(t)为组件的基础故障率分布函数。

2.2 检修时间优化求解

继电保护装置的检修间隔由两部分组成，即各组件的检修间隔、整个继电保护系统的检修间隔。因此，需要先求解各个组件的检修间隔，再求解继电保护系统的整体检修间隔。对于各组件先基于相应的故障率分布模型考虑其故障率对应的使用年限和故障率，需考虑家族故障、健康状况及检修情况等因素。根据各部件的故障率分布曲线可以得到组件从最近一次检修到当前时间内的累积故障概率是组件在检修时间间隔内的故障概率的一部分。由此可知，两个维护间隔期间组件的累积故障概率包括从上次维护到当前时刻的累积故障概率以及未来一段时间的累积故障概率，其表达式如下：

式（2）中，P1代表组件在从最近一次检修到当前时间这段时间内的累积故障概率；tk-1代表最近一次检修之后组件在故障率分布曲线上的等效役龄；tact代表当前时间组件的等效役龄；t表示组件当前时间到接受下一次维护的时间；λ1(t)表示考虑健康状况等因素的组件故障率校正函数。

如果组件累积故障概率P1(t)等于参考值P0，则需对组件进行检修，并可以通过下列公式计算每个组件两次检修的时间间隔：

求解出各组件的检修间隔之后，可以求解出整个继电保护系统的检修间隔。系统由不同的组件组成，如开关、智能终端、合并单元等，各组件存在逻辑串联关系，任何一个组件故障都会导致系统故障。因此，应将系统的检修间隔确定为各组件的检修间隔的最小值[5]。此外，制定系统检修策略时，要考虑3个方面：首先，要尽可能与变电站一次设备检修同时进行，目的是减少停电次数；其次，尽可能同步检修同一线路两侧的变电站继电保护装置；最后，尽量以相同的时间间隔进行继电保护装置的检修。

2.3 继电保护系统检修基本流程

制定检修计划时应考虑各个方面。例如，继电保护系统各组件的基本故障概率校正，检修时间间隔的优化求解等。图1为智能变电站继电保护系统状态检修的基本流程。

图1 智能变电站继电保护系统状态检修的基本流程

第一步，统计各组件的运行状态数据并进行分析，使用最小二乘法实现拟合，建立基础故障率分布曲线参数优化估计值威布尔分布模型[6]。第二步，计算继电保护系统各组件的正常运行时间均值，以校正基础故障率分布曲线，包括校正单个故障和校正家族故障。第三步，计算系统各组件的等效役龄时，要考虑检修回归因素，并通过相应的解算获得各组件的等效运行年限。第四步，基于保各组件的检测健康状态评估值，对计算出的等效役龄进行校正，得到校正后的等效役龄t。第五步，基于继电保护系统各组件的定期维护和基础故障率分布曲线，明确各组件的累积故障概率基准值。第六步，在确定校正后的等效役龄、故障率分布以及累积故障概率的基准值的基础上计算组件检修间隔。第七步，整个继电保护系统的检修维护间隔时间由系统中各组件检修间隔时间的最小值确定。

3 结 论

为了获得智能变电站继电保护系统的最佳检修间隔，更有效地发挥状态检修的作用，本文提出了基于故障概率预测的状态检修策略。基于威尔分布模型对机电保护系统各组件故障率分布进行建模，并使用最小二乘法实现拟合，得到最佳估算值。同时，通过修正系统各组件基础故障率曲线以及其他方法可以反映检修影响因素、单个组件的故障率差异、组件运行状态、家族故障对故障率的影响，有效提高了系统故障率预测准确度。在此基础上获得各组件累积故障概率基准值，从而求解出最佳的检修间隔，有助于进一步提高智能变电站继电保护系统检修效率。