继电保护辅助设备智能监测系统研究

李洪卫

(深圳供电局有限公司罗湖供电局，广东 深圳 518020)

0 引言

继电保护是电网安全运行的关键保障[1-4]，但继电保护的可靠运行存在安全死区，即出口压板、直流电源工作方式转换开关、户外箱柜等辅助设备缺乏在线的运维管控，因此出口压板或转换开关错投、漏投造成的保护拒动、误动事故时有发生，同时因户外端子箱凝露积水造成的端子排短路、继电器误动事故频发[5-9]。可见继电保护设备的安全运行具有至关重要的作用。

目前，继电保护辅助设备的运维工作主要存在3个方面问题：继电保护辅助设备运行管理依靠人工完成，运行可靠性依赖运行人员的责任心、实际技术能力水平，缺乏系统性的技术支撑和监视手段[10-11]；辅助设备规模大，巡视工作强度高，巡视工作量与运维班组承载能力之间的矛盾较为凸出，责任性事件屡有发生[12-13]；端子箱等户外箱柜内部环境运维数据缺乏长期积累和分析，缺陷在日常巡视中不易被发现，需通过异常告警或事故暴露，数据驱动业务能力明显不足[13-15]。

为此，本文设计了一套变电站继电保护辅助设备智能监测系统。

1 监测系统的总体结构

本文提出的变电站继电保护辅助设备智能监测系统，主要有以下几个原则：

a.遵循国际、国家及南方电网颁布的相关标准、规程规定，适应南方电网技术、信息技术的发展方向。

b.安全可靠，系统部署及运行不影响继电保护的安全可靠运行。

c.聚焦价值，在保证可靠性的基础上充分考虑经济性、实用性。

d.融合创新，根据实际需求选择最合适的物联网技术进行应用。

e.便捷部署，采用非侵入式安装方式，在运设备无需停电改造，具备可推广性。

f.运维方便，系统具备自诊断能力，后期运行维护方便。

g.应用“标准化、服务化”，以具备高复用性的服务形式支持不同业务场景的重复使用，提高系统的开放性和灵活性。

基于上述几个原则，监测系统构架于管理信息大区，采用分层、分布式结构设计，分为感知层、数据服务层，总体结构如图1所示。

图1 监测系统结构

由图1可知，监测系统由感知层和数据服务层组成。感知层主要由压板位置在线采集子系统、转换开关位置在线采集子系统和户外箱柜内环境在线采集子系统组成；数据服务层主要部署有应用服务器。

感知层各子系统采用独立组网方式，用以完成就地采集、计算等前端处理工作，通过汇聚接入装置接入应用服务器。汇聚接入装置与应用服务器之间以有线方式进行通信，通信方式满足网络安全的要求。感知层子系统内通信采用无线射频组网；汇聚接入装置与应用服务器之间采用RS485串口通信；感知层子系统采用有线组网通信；汇聚接入装置与应用服务器之间则采用以太网通信。

数据服务层的主要功能有感知泛在接入、数据驱动业务、数据按需定制和开放共享等。数据服务层的主要设备是应用服务器，统一对传感器接入的数据进行融合、分析、管理和展示，并对外提供IEC61850数据访问服务。

2 监测子系统和传感器设计

2.1 辅助设备监测软件系统设计

继电保护辅助设备状态智能监测系统的软件构架，主要搭建在应用服务器上，以实现继电保护辅助设备的模型管理，各监测子系统数据采集、在线监视、数据智能分析，以及与外部应用系统数据交换等功能。软件系统以强健的组件技术和中间件技术为基础，建立以服务或组件为基础的开放式、拔插式的灵活架构。监测系统软件构架如图2所示。

图2 软件系统架构

依据Q/CSG 1203045信息描述规范及IEC61850工程应用规范中的模型标准进行扩充，对继电保护辅助设备及元件进行一体化建模和管理：支持从SCD文件导入继电保护模型；对传感器监测的位置、温度和湿度等监测数据进行统一语义化标定；装置模型属性扩展及维护，保护模型可与压板位置传感器上送数据进行融合；转换开关模型扩展及维护，转换开关模型支持对多个位置传感器上送数据进行融合；户外箱柜模型扩展及维护，户外箱柜模型支持对传感器上送的多个数据的融合；支持满足外对通信服务的CID文件生成；具备专用的模型管理工具，便于实现对模型的各类增、删、改操作。

基于通信管理组件，与各子系统汇聚接入装置通信，实现传感器监测数据的生数据到熟数据的处理：传感器在线监测数据实时采集、存储和更新；传感器运行状态数据处理；压板位置变化告警；把手位置变化告警；温湿度等量测类数据越上下限告警；汇聚接入装置连接状态报告；传感器连接状态报告；监测断面数据周期自动存储。

2.2 压板位置在线监测子系统设计

压板位置在线监测子系统的主要功能是完成压板位置的在线采集，主要由压板位置传感器、汇聚接入装置等构成，组成结构如图3所示。

图3 压板位置在线采集子系统结构

压板位置传感器安装于各保护装置屏柜各个压板上，汇聚接入装置按小室安装，一般单个小室部署2～3个。汇聚接入装置与压板位置传感器组网为星型网络结构，采用433 MHz频段进行通信，支持频分多址。压板位置传感器射频天线内置，运行时按单向脉冲式微功率发送，发射功率不超过20 mW。汇聚接入装置单向接收，在室外空旷地点或电波暗室内接收距离不低于50 m。压板位置传感器主要由微功耗嵌入式MCU、位置传感器、微功率射频通信模块及天线、锂亚硫酰氯电池、指示灯和外壳等组成，结构如图4所示。

图4 压板位置传感器结构

压板主要有连片式和线簧式2种，根据压板的不同结构，使用不同的传感器来实现：

a.针对连片式压板，利用微动开关感知连片式压板的连片连接状态，压板投入时连片将微动开关触点下压，压板退出时微动开关触点弹回。

b.针对线簧式压板，利用陀螺仪传感器实时监测线簧式压板旋转部件的旋转角度，通过监测旋转部件的旋转角度大小感知压板投退状态。

压板位置传感器使用锂亚硫酰氯电池供电，电池容量为1 200 mAh，休眠时工作电流为3 μA，发送时工作电流<25 mA，使用寿命8～10年。

2.3 转换开关位置在线监测子系统设计

转换开关位置在线采集子系统，其主要功能是完成转换开关位置的在线采集，系统包括转换开关位置传感器、汇聚接入装置等。转换开关位置传感器安装于直流屏柜各个转换开关的挡位边上，根据转换开关的挡位数量配置相应的传感器数量，汇聚接入装置按小室安装，一般单个小室部署1个，其主要系统结构如图5所示。

图5 转换开关位置在线采集子系统结构

汇聚接入装置与转换开关位置传感器组网结构为星型网络结构，采用433 MHz频段进行通信，支持频分多址。位置传感器射频天线内置，运行时单向脉冲式微功率发送，发射功率不超过20 mW。汇聚接入装置单向接收，在室外空旷地点或电波暗室内接收距离不低于50 m。转换开关位置传感器主要由微功耗嵌入式MCU、磁感应元件、微功率射频通信模块及天线、锂亚硫酰氯电池、指示灯和外壳等组成，结构如图6所示。

图6 转换位置传感器结构

转换开关位置传感器安装在转换开关各个挡位附近，在转换开关把手上加装强磁性附件。传感器磁感应元件是常开节点，当转换开关转到对应挡位时，磁性附件接近转换位置开关传感器磁感应元件，磁感应元件闭合，变位唤醒传感器MCU，传感器发送变位信息。转换开关位置传感器使用锂亚硫酰氯电池供电，电池容量为1 200 mAh，休眠时工作电流为3 μA，发送时工作电流<25 mA，使用寿命8～10年。

磁性附件双面胶贴于把手背面，并套以热缩管固定，转换开关位置传感器以高强度磁铁与双面胶方式进行吸附式安装。转换位置传感器部署原理如图7所示。

图7 转换位置传感器部署原理

2.4 户外箱柜内环境在线监测子系统设计

户外箱柜内环境在线监测子系统完成户外箱柜内温湿度、水浸和烟感的在线采集，系统包括环境监测传感器、汇聚接入装置。

环境监测传感器安装于户外箱柜内，按户外箱柜数据配置；汇聚接入装置安装于靠近部署应用服务器的小室外，按变电站户外场地电压等级数量进行配置。户外箱柜内环境在线监测子系统结构如图8所示。

图8 户外箱柜内环境在线监测子系统结构

汇聚接入装置与内境监测传感器组网结构为带多跳功能的星型网络结构，采用433 MHz或470 MHz频段进行通信，支持频分多址。环境监测传感器运行时响应式发送，支持转发预设定的其他传感器的数据，发射功率不超过50 mW。汇聚接入装置负责射频信号与串口信号的转换，在室外空旷地点收发距离不低于200 m。

环境监测传感器结构如图9所示。环境监测传感器由传感器本体、温湿度传感器、水浸传感器和烟感传感器组成。传感器本体包括低功耗MCU、射频模块、电源模块、接口模块、显示模块(数码管)、开入模块、开出模块和外壳。外壳防护等级为IP65。

图9 环境监测传感器结构

环境监测传感器使用电源供电，工作电压为交直流220 V或直流110 V。

3 智能监测系统功能测试

本文对变电站继保辅助设备智能系统进行了功能测试，以验证系统的有效性。基于设计的保护装置、转换开关和户外箱柜模型，对当前状态及同期或历史数据进行实时分析和智能预警。实验时通过人工改变辅助设备的运行状态模拟设备故障，来测试监测系统的有效性。

a.保护装置压板监测。通过人工模拟运行状态的改变，显示本文设计的系统能够实现以下几个主要功能：

①保护装置支持预设运行、信号等多种运行状态，对不同运行态下压板位置进行基准值设置，根据实时采集到的压板位置自动分析出当前保护装置的运行状态，当运行状态发生变化时自动告警。

②保护装置跳闸出口压板三相不一致告警。

③保护装置失灵压板三相不一致告警。

④基于可编辑的规则库，对运行中有回路关联或逻辑关联的压板位置进行监视。

b.转换开关位置智能监测。通过人工模拟运行状态的改变，显示本文设计的系统能够实现以下几个主要功能：

①根据转换开关模型实现多位置数据组合处理。

②根据设定基准值进行一致性在线监视。

③同类转换开关位置不一致分析及异常告警。

④基于可编辑的规则库，对运行中有回路关联或逻辑关联的转换开关位置进行监视。

c.户外箱柜温湿度智能监测。通过人工模拟运行状态的改变，显示本文设计的系统能够实现以下几个主要功能：

①按箱柜模型实现多个采样数据的组合处理。

②温湿度越限告警。

③水浸发生告警。

④全站同期温湿度相似性分析及异常告警。

⑤根据12 h温湿度的变化趋势预测凝露发生风险。

除了针对保护装置、转换开关和户外箱柜的智能监测，本文设计的系统还能够按保护装置、直流屏和户外箱柜装置模型进行当前状态图形化展示，为运维人员提供直观状态确认手段，展示画面和展示内容支持组态；并且对变电站内按保护装置、直流屏、户外箱柜进行周期自动巡视，巡视时间可设置，巡视报告支持可查询。

4 结束语

针对继电保护辅助设备的运行故障监测问题，提出了一套继电保护辅助设备智能监测系统，得到以下几个结论：

a.设计的监测系统成功实现了压板及转换开关位置、户外箱柜内环境等继电保护辅助设备状态实时感知、自动巡视、异常预警和数据共享等功能。

b.人工模拟变电站继电保护辅助设备检测实验表明，本文设计的监测系统能够有效消除因压板及转换开关错漏投、端子箱凝露积水等原因造成的电网运行重大安全隐患。

c.设计的监测系统能够有效降低运维人员日常巡视的工作量，缓解巡视工作量与运行班组承载能力之间的矛盾，具有一定推广和应用价值。