继电保护二次元器件状态监测及就地预判方法研究

云南电网有限责任公司玉溪供电局 杨永旭 张 骁 云南电网有限责任公司培训与评价中心 施蔚青

1 技术背景

1.1 二次系统安全稳定运行的重要性

在电力系统中，继电保护是指利用各种测量元件对电力系统进行实时监测和检测，当发生异常情况时，及时切断故障区域与其他区域之间的连接或采取措施消除故障，并使正常部分不受影响的一种系统和装置。继电保护装置主要作用是在发生故障时，快速地将受到威胁的设备从系统中隔离出来，以避免更大范围的事故发生。

一般情况下，不同类型的继电保护装置根据原理设置一定数量的空气开关、操作把手、连接片等二次元器件。电力系统运行方式发生变化，保护逻辑也通过上述二次元器件的投退来相应调整，确保继电保护装置正确动作并按选择性切除故障。可见，二次元器件的正确投退，对于电力系统的安全稳定运行至关重要。

1.2 现有操作及判断方式不可靠

近年来，停电检修或运行方式改变后，继电保护装置投退涉及二次元器件的投切，均由人工操作完成。由于单套装置需要操作的二次元器件较多，且逻辑较为复杂，采用人工操作投退二次元器件，对操作人员的技术水平要求较高。

另外，功能压板、空气开关、把手等二次元器件可通过装置开关监测其状态，但出口压板缺少有效的监测手段，目前主要采用人工检查维护确认的方式，维护效率和准确率受作业人员的技能水平影响较大。近年来，操作人员工作失误导致的漏投、接触不良导致继电保护二次元器件与运行方式不对应的事件时有发生，严重的甚至造成继电保护装置的误动或拒动，导致非计划停运事件。

1.3 长期运行部分隐患难以发现

二次元器件长期运行之后，由于受机械应力影响，有脱离接触的可能性，而一旦接触不可靠，将会导致保护动作不正常，扩大停电范围，影响电力供应。在日常运行过程中，采用人工巡检的方式，定期对继电保护二次元器件的状态进行检查和判别，进而判断继电保护二次元器件的运行状态是否可靠。

但受到巡检周期、人力资源、工作安排的影响，无法实时对继电保护二次元器件状态进行监测。同时，当上述继电保护二次元器件损坏、漏投、接触不良等缺陷发生时，无法进行预警和发信。

1.4 作业文件执行有脱节

为了指导现场操作，各供电单位根据相关规程和调度定值通知单，组织编制了现场运行规程和继电保护操作手册等文件，明确了不同运行方式下的二次元器件投切方式，一定程度上减少了误投切的可能性。但是文件指引与现场实施还存在脱节，难以实时规范和指导操作，目前尚无结合运行方式判断二次元器件投切状态的逻辑分析及就地判断装置。

因此，亟须制作一种对继电保护二次元器件的实时监测的装置，能结合运行方式实现继电保护二次元器件状态的实时监测及判断，当发生不对应、漏投、接触不良等不可靠事件时，能及时告警和发信，提醒运维人员快速消除缺陷。

2 技术原理

运行方式发生变化时，继电保护需要投退的二次元器件主要有空气开关、压板、把手等。为了完全杜绝继电保护二次元器件的误投切操作，作者开展了上述元器件状态监测及就地预判方法研究。成果分“采集—判断—输出”三部分，实现了二次元器件运行状态的实时监测和预判，原理框图如图1所示。

图1 原理框图

2.1 模块之眼—采集模块

为了能监测继电保护装置相关空气开关、压板、把手等二次元器件的投退状态，首先要了解二次元器件的工作状态。将二次元器件的工作状态划分为“合”与“分”两种。通过使用磁簧开关，光电开关将工作状态转换成干接点的形式。

2.1.1 压板状态采集

采用干簧管[1]完成压板状态采集，将干簧管和磁铁固定压板活动片合连接柱位置，压板合上时，磁铁使干簧管导通，从而获取压板的工作状态，安装如图2所示。

图2 压板状态采集示意图

2.1.2 把手开关状态采集

根据用途，把手开关一般分为远方就地把手、分合闸操作把手、重合闸方式切换把手、断路器检修状态把手等几类。通过分析把手开关的结构，将干簧管安装在把手开关上，操作把手开关旋转时，磁铁使干簧管导通，来检测其所处的位置，安装如图3所示。

图3 把手状态采集安装示意图

2.1.3 空气开关状态采集

采用激光型光电开关[2]，将光电开关安装在空气开关的上方或下方，通过发射激光光束照射推杆，来检测空气开关的工作状态（合与分），安装如图4所示。

图4 空开状态采集安装示意图

为了杜绝二次元器件人工操作错误，以及运行过程中发生位置变化，将所检测的工作状态信息通过线缆送入继电保护二次元器件状态监测装置，同时在装置面板上燃亮对应的位置指示灯。

2.2 模块之脑—判断

判断功能主要由继电保护二次元器件监测装置完成，分“人工置位”“数据比对”两部分。

2.2.1 人工置位

当检修或投运后运行方式发生改变时，由技能人员或经验丰富的操作人员根据现场运行规程和继电保护操作手册等文件，明确二次元器件正确的投切方式，并在装置上通过小把手完成“人工置位”，即设定正确的参考值。

2.2.2 数据比对

在检测装置中通过微处理器MCU 对比实时采集的状态数据和设置的参考值，能及时发现异常状态，并通过面板指示灯和硬接点发出信息。

2.3 模块之手—输出

当检测的状态和设置的状态一致，装置面板上的指示灯会亮绿灯；当检测的状态和设置的状态不一致，装置面板上的指示灯会亮红灯警示，并且会有蜂鸣声，同时告警硬接点接通[3]。对状态进行设置时，可以通过静音按钮取消蜂鸣器鸣叫，硬接点动作复位，但指示灯的功能仍然有效，能够准确提示设置的状态和检测的状态是否相同。装置面板示意图如图5所示。

图5 装置面板示意图

总之，装置各个采集模块均根据不同的元器件量身定制，非接触式安装不影响继电保护设备的正常运行，且体积小巧，运行稳定。经过“采集—判断—输出”，实现了实时监测、逻辑置位和异常判断，可根据运行方式要求，及时发现二次元器件存在的异常，准确做出预警，能适用于不同变电站不同厂家设备的安装需求。

3 现场应用情况

经过实训基地的试运行和多个变电站现场实际应用，已发现两起存在的隐患。为了支持智能示范区建设，后续还将实现电网应用全覆盖，并逐渐向其他供电局推荐。成果具有行业全面推广价值，具有以下优势。

一是适应广。根据不同的二次元器件，量身设计不同的状态采集方式，能适应不同结构、不同尺寸、不同原理、不同厂家、不同型号二次元器件的安装需求；另外“现场置位”把手按钮，可在操作完成后，就地化设置常态定值，实现不同二次元器件运行状态的“量身定制”，保证了本成果的适用性。

二是成本低。本成若能实现量产，单套价格可控制在5000元以内，另外非接触式安装不需要设备停电，降低项目实施难度的同时，节省了投资。

三是上手快。成果结构简单，使用方便快捷，不需要专门的培训即可完成安装调试，单个保护屏柜安装约耗时1h，工作效率显著提高。

4 结语

为了解决继电保护装置日常运行存在的问题，作者根据继电保护装置各类二次元器件设计了相应的状态采集模块，率先采用了就地化“运行态”运行参考值设置，设计制作了通用型的状态监测及预判装置，不停电安装简化了项目实施，减少了资金投入、降低了作业风险，成果实用性强，应用前景广泛，具有极大的推广价值。