基于保护与故障信息系统的继电保护策略

张 胜 周一新

（国网磐安县供电公司）

0 引言

随着二次设备推广和变电站无人值守的趋势快速增长，传统的保护巡检、检查工作中出现的问题和困难也逐渐显现，带来了维修和保养的短缺、维修和保养的过度滞后、盲目维修等问题。现有的传输维护模式应逐步转变为实际运行的远程在线诊断，根据设备的健康状态进行有针对性的检查和改造。本文以防护信息系统为基础，设计了二次设备状态评价方案，评价结果为二次设备维修方案的制定提供依据。

1 理论分析

1.1 状态维护概述

设备状态维护是指对设备进行定期检查、维护和保养，以确保设备的正常运行和延长设备的使用寿命。设备状态维护的目标是提高设备可靠性和稳定性，减少设备故障和停机时间，提高生产效率。

设备状态维护包括以下几个方面： （1）设备检查：定期对设备进行检查，包括外观和内部部件的检查，发现异常情况及时修复或更换；（2）设备清洁：定期清洁设备，清除灰尘和污垢，确保设备运行顺畅；（3）设备润滑：定期给设备进行润滑，保持设备的正常运转；（4）设备校准：定期对设备进行校准，修正设备的偏差，确保设备的精度和准确性；（5）部件更换：定期更换设备关键部件，以防止部件老化和失效；（6）故障修复：及时对设备故障进行修复，以减少停机时间和生产损失； （7）设备更新：根据需要，及时更新设备，引进新的技术和设备，提高生产效率和产品质量。

设备状态维护需要有专门的维护人员进行操作，维护人员应具备相关的技术和知识，能够熟练操作和维护设备。同时，维护人员要有良好的工作计划和记录，对设备的维护情况进行及时记录和跟踪，以便进行分析和改进。设备状态维护的定期性和系统性非常重要，只有保持设备的良好状态，才能确保设备正常运行，提高生产效率和产品质量［1-3］。

1.2 二次设备状态维护

电气二次设备状态维护分析是指对电气二次设备进行定期检测和维护，以保障设备能够正常运行和延长使用寿命。电气二次设备是电力系统中的关键设备，包括保护装置、自动化装置、控制装置等。这些设备在运行过程中会受到环境、负荷、工作时间等因素的影响，从而导致各种故障的产生，如设备老化、连接线路松动、电器元件损坏等。如果不进行定期的检测和维护，不能及时发现故障，这些故障可能引发电力系统的故障甚至事故［4-5］。

电气二次设备状态维护的目标是保证设备的可靠性和稳定性，防止设备故障引发事故，提高电力系统的安全性和可用性。这需要采取以下措施： （1）定期检测：对电气二次设备进行定期巡检，包括检查设备的外观、主要参数、连接线路等，检测设备的工作状态和运行情况； （2）维护保养：对设备进行日常的清洁、润滑、紧固等维护保养工作，及时更换或修复故障的电器元件和连接线路； （3）故障处理：对发现的故障进行及时的处理，包括维修、更换损坏部件等，确保设备的正常运行和使用；（4）数据分析：通过对电气二次设备的运行数据进行分析，及时发现设备的异常和潜在故障，预测设备的寿命，并制定相应的维护计划。

电气二次设备状态维护分析是为了保障设备的正常运行和延长使用寿命而进行的工作，通过定期检测、维护保养、故障处理和数据分析等措施，提高电力系统的安全可靠性。

1.3 基于最小二乘拟合的DT模型

零部件的劣化性能受到内部和外部因素的影响。对于继电保护装置而言，忽略人为和外部因素的影响，装置恶化过程与时间之间的关系通常用浴缸曲线来描述。本文用威布尔描述法描述了器件的劣化过程。由于制造商已经在前面的零部件厂进行了相应的测试，在实际分析中可以忽略零部件的早期失效。因此，根据设备不同年份的统计数据，基于最小二乘法，可以将设备的退化失效曲线表示为：

其中，n和m分别是韦伯分布函数的形状参数和比例参数。如果m＝1，则意味着失效率为常数，且分量处于随机失效周期内。如果m＞1，则表示失效率在上升，损失失效期内的分量也在上升。实际上，关键是如何合理地确定威布尔模型的参数n和m。由于Marquardt方法在故障率模型参数估计中具有较高的精度和较好的拟合效果，本文将其应用于保护元件的故障率估计中。

组件的失效率不仅受到降解演化的影响，而且还与短期因素有关。失效率影响创伤性冲击的发生，因为系统对冲击更敏感，退化程度更高。在此条件下，可以通过监测信息和检测信息来描述零部件的健康状态。因此，本文提出了健康状态评分X和预定阈值评分Xm。Xm的值可以通过操作经验得到。根据健康状态评分X，故障率的计算可分为两种情况。如果X＞Xm，则意味着构件的健康状态评分主要受到老化和材料疲劳的影响。元件的等效工作寿命td可以用式（2）表示：

如果健康状态评分X＜Xm，则意味着组件主要受到冲击故障的影响。假设M1级为正常工况，M2级表示元件在劣化工况下工作。如果在M2级工作，元件的性能会受到严重影响。对于基于条件的维护，如果组件不是致命的损坏，它的变化过程是一个渐进的过程。因此，可以通过监测数据获得M2级构件的实时状态。由于伽玛分布在恶化情况下的失效率模型参数估计具有较高的准确性和良好的拟合效果，因此本文采用该模型来估计保护部件的失效率。我们假设激波过程是一个均匀的γ过程［X］t≥0，形状参数α和尺度参数β。因此，对于所有0≤s≤t，降解增量Xt-Xs的密度函数是

其中，a为形状参数；β为尺度参数。

2 对继电保护水平的评估

除了评价继电保护装置的当前运行状态外，还需要了解继电保护装置的历史数据分析及历史运行水平，一般来说，继电保护比运行时继电保护更可靠。动作退出最近有实际出口或修理继电保护装置的情况，可以认为装置跳闸电路、出口功能正常。如果长时间不出口或者没有维修测试，就无法保证回路正常。当实际发生故障时，保护动作上的关键信息是否完整正确，也可以作为健康评估的依据。包括对启动事件、动作事件、故障参数的分析，记录波形文件是否完整。设备缺陷根据国家电网公司继电保护和安全自动化设备缺陷管理的办法，投入运行（含调试）的继电保护和安全自动化设备缺陷按严重程度分为危急缺陷、严重缺陷、一般缺陷三级。严重缺陷是指继电保护和安全自动化设备本身或相关设备及回路存在的缺陷。导致主保护功能丧失，直接威胁安全运行。

继电保护系统在实际运行中可能存在严重缺陷，可能导致以下问题： （1）设置错误：继电保护系统的保护参数设置不准确或错误，可能导致误动、漏动等问题（误动是指在正常情况下错误地动作，导致不必要的断电，而漏动则是指在发生故障时继电保护没有及时动作，无法及时切除故障）； （2）通讯故障：继电保护系统通常需要与其他设备进行通讯，如远动终端、监控中心等。如果通讯链路出现问题，可能导致与其他设备的信息交互不及时或失败，从而影响继电保护的正常运行； （3）电源故障：继电保护系统通常需要有可靠的电源供应，如备用电池组或直流电源。如果电源故障或电池寿命结束，可能导致继电保护系统无法正常工作，无法及时切除故障； （4）设备老化：继电保护设备长时间运行后，可能出现老化或损坏，影响其正常工作。例如，继电器接点的磨损、设备内部元件的老化等，都可能导致继电保护系统的故障；（5）缺乏定期维护：继电保护系统需要定期进行检测和维护，以确保其正常运行。如果缺乏定期维护，可能导致设备故障的积累，最终导致系统故障。

3 仿真及分析

继电保护装置的健康状况不仅受退化因素的影响，而且与短期因素有关。为了分析降解因素和短期因素的影响，本文考虑了降解现象的五种不同构型。表1显示了每个组件的相关参数，如维护时间（MT）、操作时间（OA）和维护间隔时间（MIT）。

表1 每个部件的额定参数

在表1中，t0是失效率曲线中随机失效期和损失失效期的拐点。操作时间是组件自上次维护时间以来一直处于运行状态的时间。

如果元件在非正常工况下运行，元件的失效率主要与短期因素有关。由于篇幅所限，表2列出了不同健康状况评分条件下伽玛分布的形状参数α和刻度参数β。在表2中，80是区分正常和异常情况的阈值。

表2 不同情况分析

因此，情况1和情况2中的元件在正常情况下运行，伽玛分布不能用来表示实际故障率曲线。

为了确保继电保护的合理维护策略，不仅要考虑各部件的运行情况，而且要考虑电力系统的经济损失。本文以一个典型的单组线路保护为例进行了分析。此外，拒绝操作的失效风险与一次系统的失效率有关。因此，本文采用了，P1是线路的故障率。

根据表1中的数据，利用式（1）可以得到相应故障率曲线中各部件的等效运行时间和瞬时故障率。然后，根据表2中的数据，利用式（4）得到各保护元件故障率的分布函数。在此基础上，综合风险与单个保护的维护时间Q之间的关系如图所示。

图单个保护维修时间的保护经济损失

可以看出，在正常情况下，情况1的最佳综合风险和最佳维修间隔时间与情况2相同。然而，案例2中继电保护系统的综合风险提高了4.5年。4.5年后，情况2中的保护元件在损耗故障阶段运行。间歇故障阶段的元件故障率高于损耗故障阶段，增加了继电保护系统的综合风险。因此，继电保护元件在正常工况下运行时，其最佳综合风险和最佳维修间隔时间不随运行时间的增加而增加。

此外，综合风险与异常状态下保护系统维护时间之间的关系做了分析。由于健康状态的不同，继电保护的最佳综合风险和最佳维修间隔时间也不尽相同。保护系统在正常情况下的最优综合风险大于在异常情况下的最优综合风险。这意味着保护系统的最优综合风险很大，最优维护间隔时间比异常情况下的保护系统短。

4 结束语

本文在通信系统的基础上，从对继电保护装置的在线监测评价和历史情况进行了综合评价，并达到了预期效果，为将来更进一步的研究提供了基础。