继电保护信息系统终端设备智能测试系统

巫聪云，刘 斌，李海勇，徐晓峰

(1．广西电网有限责任公司， 广西 南宁 530023； 2．广西电网有限责任公司防城港供电局，广西 防城港 538001)

0 引 言

电力设备的测试方法主要分为事后测试与定期测试2种方法。电网结构非常复杂，电力设备检修工作量日益增加，成本也越来越高[1]。由于电力系统内二次设备数量不断增加，所以继电保护信息系统的终端设备在电力系统中尤为重要。

近年来，随着国内外学者对继电保护信息系统终端设备智能测试系统的深入研究，取得的成果也越来越丰硕。国外学者Glazyrin等人[2]通过RETOM测试中心的标准设备对异步模式下的继电保护和应急控制自动化设备的距离继电器进行验证，目的是在异步模式下验证继电保护设备和应急控制自动化系统的远程元件，但是该方法的继电保护信息系统终端设备的智能化测试效果较差。国内学者陈创等人[3]设计的面向继电保护系统级测试的缺陷自动定位系统，属于事后测试，也叫故障测试，是最早研究出的测试方法。在终端设备出现故障的情况下，才开始进行测试。事后测试是一种被动工作模式，它的缺点是存在相当多的不可预见性，增加工作人员维修设备时的生命安全风险，降低经济效益。由于事后测试时间紧、任务重，所以工作人员在维修设备时，会为了赶时间简化测试流程，容易出错。事后测试基本没有很多时间分析设备异常的原因，不能从根本解决设备异常问题，导致设备经常出现异常，增加维修费用。文献[4]设计的基于云策略和MMS协议的智能变电站继电保护设备自动测试系统，属于定期测试的一种，是一种预防性的测试，定期测试的基础是时间，不考虑终端设备的实际情况，仅按照固定时间测试终端设备的运行状态，但是会出现“测试过剩”与“测试不足”的问题。利用定期测试方法会浪费大量人力与财力，存在盲目性与性价比低的缺点，定期测试还会提升终端设备的损坏概率，最终使企业经济效益受到影响。

针对这3种测试系统存在的问题，本文设计一种继电保护信息系统终端设备智能测试系统。根据继电保护信息系统终端设备智能测试系统总体设计架构，对数据采集传输模块、监测预警模块和智能测试模块进行设计，最后利用智能测试模块中的测试评价子模块，根据评价保护装置的运作行为实现终端设备智能测试，从而提升测试终端设备的工作效率，完成继电保护信息系统终端设备智能测试系统设计。并通过仿真实验测试，验证本文系统的有效性，解决了传统系统存在的问题。

1 终端设备智能测试系统

1.1 系统总体设计架构

本文在传统的继电保护信息系统终端设备智能测试系统软件设计的基础上，对系统硬件进行优化，从而实现继电保护信息系统终端设备智能测试系统的优化设计。本文设计的系统主要包含数据采集传输模块、监测预警模块和智能测试模块。总体设计结构如图1所示。

图1 智能测试系统总体结构图

1.2 系统模块化设计

根据继电保护信息系统终端设备智能测试系统总体设计架构，对系统数据采集传输模块、监测预警模块和智能测试模块进行设计。

1.2.1 数据采集传输模块

数据采集传输模块是进行继电保护信息系统终端设备智能测试的主要依据，首先采集继电保护信息系统终端设备数据，然后整理所采集的数据构建信息资料库，并定期分析该资料库中的数据，最后采用无线传输方式实现系统数据传递[5-8]。无线传输方式在应用层面上更适用于继电保护信息系统终端设备智能测试系统。自由空间传播指天线附近区域属于无限大真空理想传播条件情况下的电波传播。在自由空间传播电波的过程中，电波能量不会被障碍物吸走，同时也不会导致反射(散射)[9-11]。发射功率、接受灵敏度与工作频率均会影响传输距离。传输损耗公式为：

FL=32.44+20 lgD+20lgf

(1)

式中，FL表示传输损耗；D表示传输距离，单位为km；f表示工作频率，单位为MHz。根据式(1)可知，自由空间内电波传播损耗会受到工作频率f与传播距离D的影响，在f增加1倍的情况下，FL会增长6 dB，在D增加1倍的情况下，FL也会增长6 dB。

接收端灵敏度公式为：

Pr=Pt-Ct+Gt-FL+Gr-Cr-Los

(2)

其中，Pr表示接收端灵敏度；Pt表示发送端功率，单位为dB；Ct表示发送端接头与电缆损耗，单位为dB；Gt表示发送端天线增益，单位为dB；FL表示自由空间损耗，单位为dB；Gr表示接收端天线增益，单位为dB；Cr表示接收端接头与电缆损耗，单位为dB；Los表示其余损耗，单位为dB。

1.2.2 监测预警模块

在对继电保护信息系统终端设备监测预警前，先利用信号处理算法除掉传输来的原始数据中的干扰数据，依据数据过滤与换算等处理方式，处理所接收的原始数据，使其符合监测预警模块所需要的数据。监测预警模块属于终端设备智能测试系统中的基础模块[12-15]。对于状态量高于规程标准与厂家技术指标的终端设备，能够及时发出不同等级的预警信息，同时启动智能测试模块，分析该终端设备的运行状态[16-18]。图2为监测预警模块的功能图。

图2 监测预警模块功能图

监测预警通过状态量的变化程度划分为5个等级，表1为终端设备状态预警5个等级的评判标准。

表1 状态预警等级与评判标准

终端设备状态预警中的一级预警属于实时触发的，剩下4个等级的预警采取日报、周报方式实施汇总，再以短信的形式，将汇总结果发送到相关负责人手机中[19-20]。

1.2.3 智能测试模块

智能测试模块分为5个子模块：基本功能子模块、仿真分析子模块、录波回放子模块、配置子模块和测试评价子模块。基本功能子模块属于独立测试功能子模块；仿真分析与录波回放也属于2个独立测试功能子模块；配置子模块属于智能测试模块的服务子模块；测试评价子模块负责分析测试结果，评价保护装置的运作是否正常，根据保护装置的运作行为[21]，判断终端设备的运行状态。

智能测试模块测试步骤如下：

步骤1 开始测试，以用户的需求为基础，依据测试项目进行仿真测试，即图3过程(1)。

步骤2 仿真分析子模块依据间隔形成10 s～40 s的录波数据，将录波数据按照commtrade格式进行储存，即图3过程(2)。

图3为智能测试模块的测试结构。

图3 智能测试模块测试结构图

步骤3 配置子模块分析commtrade格式的录波与用户界面输入的配置信息，将所分析信息生成test.dat和test.cfg文件，通过网络传输至合并单元与智能单元，即图3过程(3)与过程(4)。

步骤4 智能测试模块对合并单元与智能单元发出启动指令，当合并单元与智能单元接收启动指令的同时，将测试文件的数据在数据总线上回放[22-23]，即图3过程(5)。

步骤5 合并单元与智能单元的实时数据通过保护装置进行处理，获取保护运作行为逻辑判断结果，向智能单元传输保护的跳合闸令，即图3过程(6)与过程(7)。

步骤6 测试评价子模块通过评价保护装置的运作行为实现终端设备智能测试，即图3过程(8)。

综上所述，继电保护信息系统终端设备智能测试系统设计完成。

2 仿真实验分析

以某省电力企业的220 kV线路的继电保护信息系统终端设备为研究对象，其中包含100台同种型号的终端设备，100台终端设备在2018-2019年为期2年的投入运行时间与运行状态出现变化的时间，其中包含10个运行不佳的终端设备，需要维修。表2为100台继电保护信息系统终端设备运行记录表。

表2 终端设备运行记录

本文系统数据采集结果如表3所示。

表3 本文系统数据采集结果

利用本文系统对这些数据进行采集，将运行状态不佳的终端设备与运行状态正常的终端设备进行分类，利用本文系统采集的数据，能够有效获取10个运行状态不佳的终端设备，与终端设备实际运行情况一致，实验表明本文系统数据采集的准确性高。

为验证本文系统监测预警的有效性，针对100台终端设备在不同电压等级情况下的运行状态进行测试。表4为不同电压等级下的监测预警结果。

表4 不同电压等级下的监测预警结果

根据表4可知，本文系统能够对终端设备的运行状态进行有效监测预警。

通过本文设计系统的智能测试模块进行测试评价，获取最终终端设备运行状态的评价结果，即终端设备的故障类型，如图4所示。

根据图4可知，本文系统可以有效测试出运行状态不佳的终端设备故障类型，可为后期及时采取对应维修措施提供有利数据，提升终端设备维修效率。

图4 智能测试系统终端设备测试结果

统计本文系统应用前后继电保护信息系统终端设备的各项指标，对比结果如表5所示。

表5 本文系统应用前后对比结果

根据表5可知，本文系统应用后，一次设备停电继电保护信息系统终端设备安全措施执行时间、整体继电保护信息系统终端设备测试时间与继电保护信息系统终端设备的故障定位时间，这3个指标的时间明显少于本文系统应用前。本文系统中增加的监测预警模块，可以获取终端设备的运行状态的预警等级，针对不同预警等级制定相关安全措施，节省安全措施的执行时间；针对超出预警指标的终端设备进行测试，能够有效缩短终端设备检测时间；利用监测预警模块初步选出异常终端设备，通过智能测试模块，进一步分析异常终端设备的故障类型，准确定位出现故障的终端设备，有效缩短终端设备的故障定位时间。实验表明，本文系统可以有效缩短终端设备不同指标的时间，大大提升终端设备测试的工作效率。

随着终端设备运行时间的延长，比较应用本文系统前后的电力企业经济效益的增长率。图5为测试结果。

根据图5可知，应用本文系统前，在运行时间少于500天时，电力企业的经济增长效率出现小幅度增长，在运行时间超过500天时，经济效益增长率呈现下降趋势；应用本文系统后，随着运行时间的延长，经济效益呈现大幅度增长的趋势；原因是本文系统可以有效测试出运行状态不佳的终端设备，并及时进行维修，节省人力，延长终端设备使用时间，进而提升电力企业经济效益。

图5 应用本文系统前后经济效益增长率

3 结束语

本文所研究的继电保护信息系统终端设备智能测试系统，代替了传统测试时装置缺少情况下，依据拔光纤与插光纤，完成终端设备测试的方法。所研究的智能测试系统可以有效缩短终端设备的测试时间，增强测试的灵活性。

虽然本文系统在继电保护信息系统终端智能测试系统方面取得了一定的成果，但在数据采集与数据传输阶段还需继续改进，继电保护信息系统终端设备的信息资料库还需完善，很多实时数据传输效果较差，对测试评价结果存在一定的影响，因而在接下来的研究中，要对本文研究的数据采集传输模块做进一步优化，对信息资料库中的冗余数据进行预处理，从而扩展信息资料库，并通过改进无线传输方式实现数据传输功能的完善，提高数据传输质量。

所研究的继电保护信息终端设备智能测试系统的预期经济效益如下：

1)测试终端设备的运行状态更具针对性，提升电网的安全性与供电的可靠性。

2)测试终端设备的运行状态的时效性，可以尽快发现运行状态异常的终端设备。

3)应用智能测试系统，可以减轻工作人员的工作量，降低企业的经营成本，提升经济效益。

4)缩短停电时间，减少带电工作的次数，使工作人员的安全得到保障，避免发生事故的情况。