电网变电运维检修技术研究

崔晓飞，徐 策，张 群，林国成

(广东电网有限责任公司 广州供电局，广东 广州 510000)

国网电力的监控系统主要用于变电站设备的实时监控，所监控的SCADA数据库中可用的实时数据包含变电站维护优化的有用信息。变电站故障通过监控和数据采集系统进行识别，识别到的数据信息可用于评估维护策略和计划设备的改造更换。而变电站设备的维护管理则是实现技术和经济效益标准的关键，以前的定期维护流程可以向更具预防性和基于现场条件的维护方向发展，控制中心是实现变电站设备维护保养的重要手段，主要负责监视和控制电力系统，现代电力控制中心也增加了将电气设备维护功能传输至智能电网平台上[1]。为了实现这一点，电站监控和数据采集系统从每台变电站设备收集尽可能多的数据，然后这些数据被转发到控制中心的监控和数据采集系统中，并将所有获取的数据存储在中央数据中心。智能电网应用主要是通过维护中心来处理数据，以提升变电站设备后期维护和检修的便捷性。

1 控制中心监控系统中可用的数据点

1.1 应用背景

国家电网是我国主要的输电系统运营商，负责整个我国大部分省份的高压输电网络(1 000 kV、400 kV、220 kV和110 kV)的运营、维护和建设。国家电网电力系统网络峰值负荷为100 GW，生产装机容量为4.5 kMW，传输网络通过现代监控系统进行远程控制，所有内部输电变电站和相邻输电系统中的许多变电站都连接到后台计算机和运营中心并收集所有本地电力信息，并将大部分信息传输到控制中心的SCADA。

国家电网的SCADA数据监控系统汇总了数据库中的所有信息。其中，监控和数据采集系统中的一般数据包括电压、变电站运行、发电厂开关站等重要的电力数据。SCADA控制中心的监控和数据采集是一个基础应用，也是许多其他电力应用的根基，尤其是变电方面的应用，其中一个重要的应用是变电管理系统。国家电网是国家的中央企业公司，此公司现在是负责我国大范围的电力供应。但不同供电区域中间还是存在差异，除了历史差异、地区之间还有其他差异[2]:①地理差异(盆地、海滨地区、山区、岛屿)；②截然不同的气候；③不同的发电和负荷结构；④操作规则、控制和保护设备的一些细节。

每个电力传输区域通过其区域控制中心进行操作，因此，SCADA数据库中的数据存是不同的。一些区域中心采取了一般化的管理方法，从变电站发送分组数据，表明设备的特定部分容易存在错误，而其他区域中心发送描述错误类型的详细数据，这可以在断路器故障指示信息中进行显示。在一些区域控制中心，只有一个名为“断路器故障”的组信号，而在其他区域控制中心，可以找到像“变电数据丢失”这样的单个信号。

SCADA数据库可以包含以下设备的实时信息[3]:①一次设备的运行数据，包括有功和无功功率测量、电流和电压、开关状态、变压器调节控制运行等；②保护继电器运行数据；③一次和二次设备故障和警告；④通信信息，包括远程终端单元RTU、开关、SCADA；⑤数据系统集成在SCADA系统中，包含电力系统设备运行数据。此外，数据系统使用网络模型构建计算网络的当前拓扑状态。

1.2 维护和统计计划的当前流程

最新的电力监控系统更新于2019年。该系统的主要目的是针对变电站传输网络的“维护规则手册”进行资产管理和维护规划。它由两部分组成：技术数据库和维护规则。其中，技术数据库列出、分类和描述变电站运行拥有的所有设备；维护规则表述了禁止时间表、工作类型、授权和责任。

另一个独立的程序系统“运行事件统计”(OES)在一年的时间内负责监控传输网络单元的可用性[4]。生成OES和收集年度报告数据的流程图，如图1所示。控制中心的操作员在应用程序DOR(每日运行报告)中手动输入数据，并在数据自动传输到程序和数据库后进行操作环境分析。

图1 运营事件统计的基本流程Fig.1 Basic process of operation event statistics

变电站传输网络收集的数据用于创建年度报告，该报告由设备统计数据组成，例如变压器总数、输电线路长度、按各种标准细分的设备强制和计划停电信息。从“运营事件统计”中得出的公司维护和业务效率指标，可以显示一年内强制停机的次数。当今的变电维护计划方法源于对现有法规和内部维护程序的遵守。除了在定期维护期间发现的问题报告外，与实际故障率没有关联。

“经营活动统计”是分析关键业绩指标的有用工具，但由于它是作为官方年度报告汇编的统计，存在报告较晚，分析不够灵活等问题，故其用途有限。最优的方案是利用控制中心SCADA系统中收集的数据，更多的转向基于现场实际条件的维护计划中[5]。预防性维护依赖于设备的定期维护工作，可以通过使用监控和数据采集系统的新方法来改进。①在公司内部进行数据点命名的标准化工作；②分析警报、事件和测量，以创建主动维护。

2 变电设备管理的新流程

2.1 数据点命名的标准化设计

国网电力面临的一个巨大挑战是SCADA数据库中数据点的标准化。考虑到变电站中的一次设备和二次设备在不同地区和不同安装时间具有较大不同，标准化已经以最大的精确度完成。这影响了站内监控和数据采集系统中信号的命名、分类和分组，从而影响了控制中心。

更新数据目录包含每个单独处理信号的许多信息，点名称是获取该信号所有属性的关键。对于每种类型的变电设备，如继电保护、断路器、隔离开关变压器、测量、过程信息、辅助系统，都有点类信息(跳闸、报警、故障、控制等)。这种分类和独特的信息是监测系统分析的良好基础，其中，分类目录包含信号处理、信号状态、数据交换地点等信息。

研究对象海北检修分公司职责包括海北电网35、110 kV变电设备的后期保养维护，同时进行电力技术改造，海北电网110 kV电压等级以下变电设备涵盖30台110 kV主变、 60台35 kV主变、600 台开关、40台电容器 、500台二次设备[6]。

变电运维检修组织结构如图2所示。

图2 运维检修组织架构示意Fig.2 Schematic diagram of operation and maintenance organization

2.2 分析信号的事件数量

变电运行数据库中的数据点数量和指示名称/类型的事件数量对应相同的名称/类型的指示，这将使比较和分析变得相对容易。继电保护、断路器、隔离开关变压器、测量、过程信息等这些名称/类型在数据库中有少量数据点，但有大量与之相关的电气事件。

SCADA系统中的指示总数接近90 000。在操作使用中，有超过5 500种不同的名称/类型。这些大量的变电信号名称/类型均有其标准。因此，对于所有新建变电站，“统一过程信息目录”用于显示站内计算机和监控系统中的所有信息显得至关重要。分析和报告变电运行工作相当复杂，整个过程需确定标准化的信号名称及型号。标准化过程本身很重要，但也需要执行更好的变电设备维护管理，没有标准化，就不可能在控制中心实现基于SCADA数据的先进管理应用。

维护变电运行设备流程依赖于监控和数据采集系统，通过数据来调整计划的维护时间表，以响应设备的运行状态，其中，维护计划的时间间隔是在分析特定数据组之后确定的。

3 分析警报和事件

国网的电力应用程序从SCADA中收集数据，并将其与过程信息目录中的数据相关联，以创建不同时间段的分析和报告。分析和报告用于各个方面，其中之一是维护管理。

3.1 监控网络中交换设备的操作

SCADA系统监控变电系统内部网络中有6 278台交换机，此些设备的开关操作频率各不相同。图3显示了在6个月的时间内按开关类型(断路器、隔离开关和接地开关)分组的单个开关的开关操作数量，结果表明，有6 278台交换机受到监控，其中只有2 500台在此期间至少运行了1次[7]。

图3 开关操作数据统计示意Fig.3 Schematic diagram of switch operation data statistics

3.2 断路器中断故障电流分析

数据点主要包含设备的多个电气信息，可以将运行中的设备与来自数据点的数据联系起来。为了识别断路器的中断故障电流，需要确定受保护的设备在停机前是否在运行状态，如果运行，跳闸保护信号则需与断路器中断进行关联。

同时，通过系统可以统计2个月内每个区域断路器中断故障电流的次数。当对断路器进行维护时，应检查中断的故障电流，并采取适当的维修措施。此外，断路器中断运行电流的次数应与断路器供应商确定的系数相乘，从而计算断路器中断故障电流的累计数。

3.3 RTU通信

SCADA警报和事件也可用于跟踪系统维护效率计算和可用性分析。图4分析了在没有与RTU-s通信时激活的通信损失报警事件数，其中，图4(a)显示的是RTU通信丢失的次数，图4(b)显示的是通信丢失的持续时间。另外，SCADA系统中可用的数据不足以确定通信不可用的原因，如果将SCADA数据能与解释计划中断的监测相结合，则可以进行进一步的详细分析。

图4 通信损失信息示意Fig.4 Schematic of communication loss information

3.4 分析测量值

传输系统控制中心主要致力于确保电力系统的安全运行和控制。SCADA系统提供了对整个网络的连续实时监控，但并非所有这些信息都永久存储在档案中。对于测量数据，这意味着需根据变电数据处理规则放入其他永久存储器中。整个测量过程中，关键数据的最小时间分辨率为2 s，非关键数据为10 s[8]，数据也以其他频率进行采样:1 min、15 min、1 h和1 d[9]，不同的时间频率用于不同的分析目的。

4 变电设备检修方案的确定

根据国网运维检修流程现状，经常因变电站设备实时信息收集流程不通畅和变电站设备检修流程环节复杂等问题，导致运维检修工作质量不高、工作效率低和人员工作量过大等问题。因此，为了解决面临的困境，结合SCADA数据分析管理准则，根据国网变电运维检修管理优化方案，进行变电设备检修流程的优化改进，以提高变电运维检修工作质量和工作效率、降低综合成本和保障变电站设备健康运行目的[10]。国网某公司设备状态检修流程步骤中涵盖的7个关键子流程如图5所示。优化前后收集设备状态信息流程如图6所示。

图5 状态检修流程步骤Fig.5 Condition based maintenance process steps

由图6(a)和图6(b)可知，优化前，变电站变电设备实时状态信息收集流程环节较多、复杂且耗费时间多，增加了一线人员的工作量。优化后，将运维班和检修试验班的流程进行了合并和简化，去掉了通知并与检修试验班组相互沟通共同给出检修意见等不增值环节，当在变电站现场发现异常时，可由综合班组人员迅速解决异常问题；当在缺陷消除过程中有突发额外状况时，综合班组人员也能迅速履行工作票手续快速完成操作，确保运检操作工作的快速完成。优化后的流程重构了集中监控流程，增加了远程巡视功能，通过远程巡视更能够发现隐蔽的隐患和缺陷，提高了隐患缺陷的识别率，大大减少了综合班组人员巡视工作量、降低了交通和作业风险、提升了运维检修质量和实现了精益化作业管控[11]。

图6 优化前后收集设备状态信息流程Fig.6 Process of collecting equipment status information before and after optimization

优化前后变电站现场停电检修流程如图7所示。

图7 优化前后变电站现场停电检修流程Fig.7 Optimize the on-site outage maintenance process of substations before and after optimization

由图7(a)和图7(b)可知，优化前，变电站现场停电检修操作流程相对复杂，存在作业人员相互等待浪费时间较多，即检修试验人员等待运维人员倒闸操作和运维人员等待检修试验人员检修试验等时间。优化后，将倒闸操作、检修和试验的流程进行了合并和简化，综合班组人员在变电站现场作业时对接受调度指令、停电倒闸操作、布置安全措施、工作票许可、变电设备检修试验、验收和恢复送电倒闸操作等工作中的每一个步骤都是一体化工作，充分利用了现场的作业人员，即使在倒闸操作中遇到断路器无法分合、控制回路断线等缺陷时，也能够迅速消除，优化后的流程使得变电站变电设备的运维检修工作更加规范化和标准化，让变电站实现安全经济运行与综合效益最大化[12]。

5 结语

国网电力输送网络可以利用SCADA系统从变电站设备中收集各种信号。监控和数据采集系统利用数据的新技术和标准化实现了制定电气设备预防性维护计划的目的，该方法通过使用实时信息对设备的实际条件进行监测，并且识别SCADA系统异

常数据中的单个或一系列变电故障设备，同时制作统计报告和关键绩效指标对维护工作进行评价。

经过分析发现，如果高级电力数据分析要有更精确的结果，站计算机和SCADA系统都必须严格遵循维护规则。数据点描述的信息质量与通过SCADA数据得出的结论直接相关。SCADA数据的使用提高了数据点的信息质量，因此在使用SCADA数据进行分析的同时，对数据点进行处理至关重要，对变电站的检修管理也有很大的帮助。