基于开关网络的继电保护二次回路状态监测技术

摘 要：为了预防电网事故，及时发现并处理继电保护二次回路中的潜在故障，本文提出基于开关网络的继电保护二次回路状态监测技术研究。采用分布式架构，高精度传感器全面采集电气、信号等参数，优化开关网络配置，结合高性能时钟驱动与冗余容错机制，实现数据快速、稳定传输。通过滤波、智能分类等技术，实时检测回路状态并预警。试验结果表明，研究技术能够有效提高监测灵敏度和故障识别速度，对电网安全具有重要意义和实际应用价值。

关键词：开关网络；继电保护系统；二次回路状态；实时监测；故障预警

中图分类号：TM 77 " 文献标志码：A

电力系统规模逐渐扩大，继电保护二次回路的状态监测变得十分关键。作为连接保护装置与一次设备的桥梁，其稳定性直接关系电网安全。耿晓娜等[1]主要通过构建状态监测模型，对二次回路的运行状态进行评估和预测，及时发现潜在故障，并采取相应的措施进行处理，实现了继电保护二次回路的状态监测。龚思敏等[2]通过无线传感器网络实时采集二次回路的运行数据，并利用大数据分析技术对采集的数据进行处理和分析，实现了对二次回路状态的全面监测。尽管上述方法在继电保护二次回路状态监测方面取得了一定进展，但监测数据的处理和分析方法相对简单，难以深入挖掘数据背后的潜在规律，从而限制了故障预测的准确性和及时性[3]。针对上述不足，本文提出基于开关网络的继电保护二次回路状态监测技术。充分利用开关网络在电力系统中的广泛应用和独特优势，旨在通过构建基于开关网络的监测网络，实现对二次回路中各个节点和设备的全面、实时、精确监测。

1 采集二次回路关键节点状态参数

为了实时监测继电保护二次回路的健康状况，及时发现潜在故障，本文对二次回路关键节点的状态参数采集技术进行深入研究。

本文采用分布式架构，将高精度传感器与数据采集单元灵活巧妙地部署在二次回路的关键位置，确保对二次回路状态数据的全面覆盖。本文采集技术设置的具体参数及采集组件部署情况见表1。

具体来说，在采集过程中，本文采集技术聚焦于电气参数、信号状态及设备状态。针对电气参数，通过高精度电流传感器和电压传感器在二次回路关键节点实时监测电流与电压，深入分析回路负载，及时发现短路、过载等隐患[4]。针对信号状态监测，利用光纤模块组件精准捕捉合闸、跳闸等控制信号以及指示灯、光字牌等状态指示信号，确保控制逻辑无误，为运维人员提供清晰、直观的运行状态信息。针对设备状态参数，通过光电传感器和温度传感器密切关注断路器、隔离开关的分合闸状态及关键设备温度，预防设备过热引发的安全事故[5]。

本文特别考虑信号传输时延及光纤通信参数的监测，在采集技术中引入高集成度的光纤模块组件，这些组件集成了温度和光强传感器，并经过深度优化，以匹配继电保护二次回路的特性，从而精确测量激光功率、光口温度等关键参数，能够提高采集数据的准确性和实时性。通过上述技术采集的继电保护二次回路状态参数为后续的状态识别打下坚实的数据基础。

2 利用开关网络传输关键节点状态参数

在本文基于开关网络的继电保护二次回路状态监测技术中，核心聚焦于利用开关网络高效、安全地传输关键节点状态参数，以确保参数信息能够迅速、准确地送到数据处理中心并进行分析处理。

传输模块以开关网络为核心架构，借助光纤线路作为传输媒介，将各个数据采集点紧密有序地串联起来。并采用先进的通信协议与加密技术，抵御数据传输过程中的篡改与窃取风险。针对提高数据传输性能的需求，本文深入研究开关网络的配置与优化方法，实施详尽的开关网络配置与优化策略。通过运用精细的网络拓扑设计与负载均衡技术，即使面对高负载的传输环境时，传输模块也能保持高速、稳定的运行状态，确保关键节点状态参数的实时传递[6]。开关网络拓扑结构示意图如图1所示。

针对信号参数完整性要求极高的特殊线路，本文特别选用IDT49FCT3805APY等高性能时钟驱动器，并结合精确的匹配电阻配置与灵活的交流耦合方式，确保信号质量的显著提高与传输过程的稳定可靠。

为了降低传输功耗并提高长距离传输的稳定性，本文引入开关网络管理技术。通过精确控制开关状态及优化选择数据传输路径，能够有效降低传输过程中的能源消耗[7]。针对远距离传输可能引发的延迟问题，本文采用分段式交换开关矩阵设计。该设计将长距离传输路径划分为多个短距离段，并结合局部总线技术，能够降低信号在传输过程中的衰减与延迟现象，进一步增强数据传输的稳定性和可靠性。分段式交换开关矩阵示意图如图2所示。

为了进一步增强传输的可靠性，本文在开关网络模块中融入冗余路径的容错机制。具体来说，通过构建2个交叉开关形成的双重保障路径，传输模块能够在单一路径发生故障时，迅速切换至备用路径，确保关键节点状态参数的不间断传输[8]。

3 实时检测继电保护二次回路状态

为了确保继电保护系统能够迅速、准确地响应电力系统中的故障或异常情况，本文通过实时检测继电保护二次回路的状态，及时发现并预防潜在的运行风险，保障电力系统的安全、稳定运行。对二次回路关键节点的状态参数数据进行精细化处理，引入滤波算法，对输入的二次回路状态信号进行变换，剔除无用频率分量，同时增强特定频率范围内的有用信息，提高信号质量，为后续的分析工作奠定坚实的基础。滤波处理过程如公式（1）所示。

（1）

式中：x（t-n）为采集的继电保护二次回路状态原始信号；n为经过滤波后的信号数量；h（n）为滤波器的系数；N为滤波器的阶数。

通过公式（1）能够改善信号的信噪比，提高数据处理的精确性和效率。

采用智能分类技术，将捕获的二次回路状态信息精准划分为不同文件类别，并通过主成分分析提取回路中异常信号的特征向量，如公式（2）所示。

f=WTy （2）

式中：y为经过滤波处理后的二次回路状态参数数据向量；W为PCA的变换矩阵。

为了进一步提高故障识别的精度与效率，本文采用高斯混合模型来描述电流和电压参数的联合分布。针对电流参数I和电压参数V，其联合概率密度函数如公式（3）所示。

（3）

式中：μk为第k个高斯分量在其多维空间中的中心位置；γ为高斯分量在其多维空间中的数控；πk为从整个继电保护二次回路状态参数数据集中选择第k个高斯分量作为数据生成来源的概率[9]。

当解析电流参数时，使用滑动窗口平均法来计算电流的平均水平，如公式（4）所示。

（4）

式中：C为窗口大小；I（t）为窗口内各时间点的电流值；t0为窗口起始时间。

在智能比对环节，将实时采集分析的电流参数数据与数据库中预设的参数范围阈值Ir进行比对。一旦发现参数值超出合理范围，立即判定为异常状态，并激活警告功能，通过操控指挥界面上的醒目红色图标直观展示异常文件详情，迅速吸引管理人员注意，实现故障的即时预警与处理[10]。这一整套机制能够提高二次回路故障响应速度，确保监测过程的全面性和及时性。

4 试验

4.1 试验准备

为了验证本文技术的可行性，在试验准备阶段，本文设计并搭建一个全面的试验环境。旨在模拟实际电力系统中继电保护二次回路的运行状态，并通过精确的测量和监测设备来评估所提方法的有效性和准确性。试验环境主要组件及其关键参数的详细介绍见表2。

在进行试验前，必须确保所有监测设备均经过严格校准，并具备高灵敏度和低误报率，以捕捉并准确记录回路中的任何细微变化。在试验过程中，将安全操作作为首要原则，工作人员务必穿戴好绝缘防护装备，与带电区域保持安全界限，同时严格遵循既定操作规范。针对潜在的高电压、大电流作业环境，必须采取双重绝缘、隔离等措施，确保人身安全。

4.2 试验结果及分析

为了验证本文方法的优越性，设计并实施一系列对比试验。试验特别选取2种具有代表性的对比方法作为参照：对比方法1是文献[1]智能变电站继电保护二次回路的运行状态监测技术，对比方法2是文献[2]智能变电站继电保护二次回路的运行状态监测分析技术。试验选取7个典型场景，涵盖变电站运行过程中可能遇到的各种复杂工况。系统地记录3种方法在不同场景下的监测灵敏度，对比试验表格见表3。

根据表3的试验结果可以看出，本文方法在各个试验场景下均具有明显的性能优势，其监测灵敏度显著超越对比方法。具体来看，在高温高湿、强电磁干扰等极端环境下，本文方法不仅保持了高稳定性，还显著提高了监测精度，充分证明本文方法在恶劣环境条件下的稳定性和可靠性。特别是在负载突变和长时间连续运行等关键测试场景中，本文方法以极高的监测灵敏度，准确捕捉了系统状态的细微变化，充分证明本文方法在快速响应和持续监测方面的能力。在模拟回路老化和极端电压波动等场景中，较高的监测灵敏度说明本文方法能够有效降低因设备老化或电压不稳定而导致的故障风险。针对部分元件故障的场景下，本文方法的高灵敏度监测为及时发现并处理故障提供了有力支持，进一步保障了变电站的整体运行安全。综上所述，本文方法不仅在各个试验场景下均具有较高的监测性能，而且能够更准确地捕捉系统状态变化，从而确保迅速且高效地应对各类复杂工况。

5 结语

本文深入探索了以开关网络为核心的数据传输与监测框架的构建，成功实现了对继电保护二次回路状态的全方位、实时性、高精度监测，提高了电力系统的安全性和可靠性。该技术通过优化数据传输与处理机制，从根本上解决了传统监测方法中普遍存在的监测精度受限、实时响应滞后以及系统架构复杂等问题。在未来的研究中，需要通过持续的技术创新和应用实践，不断优化和完善该技术体系。

参考文献

[1]耿晓娜，苏佩佩，单德帅.智能变电站继电保护二次回路的运行状态监测技术应用[J].电子技术，2023，52（12）：256-257.

[2]龚思敏，钱一鸣.智能变电站继电保护二次回路的运行状态监测分析[J].冶金管理，2023（13）：86-88.

[3]朱祥云.智能变电站继电保护二次回路在线监测与故障诊断技术研究[J].光源与照明，2024（2）：103-105.

[4]张瑞程，申柯，杜安东.继电保护二次回路在线监测与故障诊断技术分析[J].集成电路应用，2024，41（2）：252-253.

[5]郑涛.基于深度学习模型的变电站继电保护二次回路运行状态监测[J].光源与照明，2023（8）：159-161.

[6]孙鹏.继电保护相关二次回路的在线状态检测技术[J].现代工业经济和信息化，2022，12（11）：161-162.

[7]邱玉成，马奇彬.智能变电站继电保护二次回路的运行状态监测技术应用[J].集成电路应用，2022，39（11）：312-314.

[8]朱旭.智能变电站继电保护二次回路在线监测与故障诊断技术分析[J].科技资讯，2022，20（21）：35-38.

[9]练春林.探究智能变电站继电保护二次回路在线监测与故障诊断技术[J].电子测试，2022（16）：79-81，25.

[10]谢健，陈昕.智能变电站继电保护二次回路在线监测与故障诊断技术分析[J].光源与照明，2022（2）：207-209.