智能变电站继电保护在线运行状态评估

［摘 要］文章介绍了继电保护系统的基本组成，且通过构建精确的设备模型，实现对设备运行状态信息的全面感知与整合，并提出了保护设备在线评估的关键指标与评估方法。为进一步提升评估的准确性和效率，引入了可靠性框图和故障树分析等先进技术，并设计了一个全面的保护设备在线状态评估系统。该研究成果对于提升智能变电站继电保护系统的运维管理水平、保障电网安全稳定运行具有重要意义，为智能电网的发展提供了有力的技术支持。

［关键词］智能变电站；继电保护；在线评估；运行信息；指标评估

［中图分类号］TM73 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）09–0055–03

1 继电保护系统的基本组成

继电保护系统作为电力系统中的一个重要组成部分，其主要任务是在电力系统发生故障和异常的情况下，迅速切除故障原件，防止故障扩大，保证非故障部分继续安全运行。该系统的基本组成如下。

1.1 测量元件

测量元件负责检测被保护元件的电气量（如电流、电压、功率等）的变化情况，这些电气量能够反应电力系统的运行状态。当电力系统发生故障时，电气量会发生变化，测量元件能够快速地捕捉到这些变化。

1.2 逻辑判断元件

逻辑判断元件用于接收来自测量元件的电气量信息，并根据预定的逻辑规则进行判断。若判断结果为电力系统发生故障，逻辑判断元件会执行跳闸指令；若判断结果为电力系统正常或异常但尚未达到故障程度，则可能发出报警信号或进行其他处理。

1.3 执行元件

执行元件负责接收逻辑判断元件的指令，并驱动相应的断路器或继电器等设备动作。当接收到跳闸指令时，执行元件会迅速切断故障元件与电力系统的联系，以隔离故障并防止其扩大。

2 保护设备建模及运行数据感知

2.1 模型介绍

2.1.1 IEC61850标准系统结构

IEC61850 标准系统结构是电力自动化领域中的一项重要规范，其为智能变电站的通信和建模提供了统一的框架：①系统结构定义了智能变电站的基本组成部分，包括站控层、间隔层和过程层，每层都承担着特定的功能和任务。②系统详细阐述了各层之间的通信机制，包括GOOSE（面向通用对象的变电站事件）和SV（采样值）等通信服务，这些通信服务确保了信息的实时传输和高效处理。③ IEC61850 规定了数据模型的定义和建模方法，通过标准化的对象模型和数据属性，使得不同厂商的设备能够实现无缝集成和互操作，特别是在标准模型、通信等方面。

2.1.2 基于IEC61850保护设备建模

基于IEC61850 标准的保护设备建模涉及对保护设备的功能、参数及与其他系统组件的交互进行精确描述和定义。在建模过程中，需要参考IEC61850 标准中定义的数据模型和服务模型，数据模型和服务模型为建模提供了标准化的框架和指导。即保护设备建模需要涵盖设备的逻辑节点（LogicalNode）、数据对象（DataObject）、数据属性（DataAttribute）及它们之间的关系。不同逻辑节点代表了设备中的特定功能单元，如测量、控制、保护等；数据对象则描述了功能单元所需的数据和信息；数据属性则定义了数据的具体内容和格式。在建模过程中，需要根据保护设备的实际功能和需求，定义相应的逻辑节点和数据对象，并为其分配唯一的标识符和属性。

2.2 运行信息运用状态及整合

在智能变电站的运行过程中，运行信息的运用状态和整合是确保系统高效、稳定运行的关键环节。运行信息包含了保护设备、开关设备、传感器等各个部分的实时数据，反映了变电站当前的运行状况。

（1）运行信息的运用状态涉及对数据的实时收集、处理和分析。通过先进的监测技术，可以实时获取设备的运行状态、电气参数、环境参数等信息。这些数据经过处理和分析后，能够为运行人员提供有关系统健康状况、潜在故障及性能优化等方面的信息。

（2）运行信息的整合是将来自不同设备和系统的信息进行综合处理的过程。由于智能变电站中的设备种类繁多、信息源复杂，因此需要将来自不同设备和系统的信息进行整合，形成一个全面、统一的信息视图。通过整合，可以更好地理解系统的整体运行状况，为决策提供有力的支持。

（3）在运行信息整合的过程中，需要考虑信息的准确性、实时性和一致性。准确性是指整合后的信息能够真实反映系统的运行状况；实时性是指信息能够快速地传输和处理，满足对系统实时监控的需求；一致性则是指整合后的信息在不同设备和系统之间保持一致，避免信息冲突和误解。在智能变电站中，传统的标准系统架构并不完全适用于保护设备的通信需求。智能变电站保护及测控通信结构拓扑如图1所示。

3 保护设备在线评估指标及评估方法

3.1 保护设备在线评估指标

3.1.1 状态评估指标分析

（1）明确状态评估指标的目的，即全面、准确地反映保护设备的运行状态。这些指标能够涵盖设备的各个方面，包括电气性能、机械性能、环境条件等。

（2）状态评估指标应该具有可量化、可比较的特点。通过具体的数值或等级，可以对保护设备的状态进行直观的判断和评估。

（3）在评估指标的选择上，需要考虑设备的类型、功能及运行环境等因素。不同类型的设备可能有不同的评估指标，如对于断路器，可以关注其分合闸时间、操作次数等；对于保护装置，可以关注其动作时间、动作准确性等。

3.1.2 智能变电站继电保护装置状态信息评价指标

在智能变电站中，继电保护装置的状态信息评价是确保电力系统可靠运行的重要环节。

（1）在评价指标的选择上，根据继电保护装置的特点和实际需求进行筛选，常见的评价指标包括动作正确率、动作时间、自检功能、通信状态及环境条件等。

（2）随着智能电网技术的发展，还需要关注继电保护装置与其他智能设备之间的互操作性和协同工作能力。因此，在评价指标中还可以考虑加入与智能电网相关的指标，如信息交换能力、远程控制功能等。

（3）在评估智能变电站的继电保护装置状态时，绝缘电阻的测量是一个关键的环节。绝缘电阻的评估可以通过两种方式进行，即离线采样和在线测量。

3.1.3 可视化研究及应用

智能变电站继电保护在线运行状态评估的可视化研究及应用，是电力行业信息化和智能化发展的重要方向。随着智能电网技术的快速发展，继电保护装置作为电网安全稳定运行的重要防线，其在线运行状态评估的准确性和实时性对电网的安全运行至关重要。

可视化技术通过图形、图像、动画等直观形式，将继电保护装置的运行状态、参数变化、故障信息等复杂数据转化为易于理解和分析的视觉信息。在智能变电站继电保护在线运行状态评估中，可视化技术的应用可以提高评估的效率和准确性，帮助运维人员更直观地了解设备的运行状况，及时发现潜在问题并采取相应的措施。但需要注意的是，在可视化研究中，需要关注如何有效地将继电保护装置的运行数据转化为视觉信息，并设计合理的可视化界面和交互方式。其中会涉及数据可视化技术、人机交互技术、图形图像处理技术等多个领域的知识。而通过深入研究以上技术，可以开发出更加高效、直观、易用的可视化工具，为智能变电站继电保护在线运行状态评估提供有力支持。此外，在可视化应用方面，还可以将可视化技术应用于继电保护装置的实时监控、故障诊断、性能分析等方面。

3.2 保护设备在线评估方法

（1）利用先进的传感器和监测设备，实时收集变电站内各类设备的电压、电流、温度、振动等信息，这是用于评估设备状态的基础。

（2）根据分析结果，对设备的性能、潜在的安全隐患等进行评估。

（3）基于设备在线评估结果，制订针对性的维护计划，对于健康状况优良的设备，可以延长维护周期；对于存在潜在安全隐患的设备，需要及时进行维护和更换，避免发生安全事故。

4 在线运行状态评估技术

4.1 可靠性框图

可靠性框图（Reliability Block Diagram，RBD）是一种直观展示系统各部件之间可靠性关系的图形化工具。在智能变电站继电保护系统中，通过构建可靠性框图，可以清晰地描绘出各保护装置、控制回路、通信链路等关键部件之间的逻辑关系，进而分析这些部件对系统整体可靠性的影响。在可靠性框图中，不同的部件通过串联、并联、混合等方式连接，形成一个完整的系统可靠性模型。通过该模型，可以定量地计算出系统的可靠度、故障率等关键指标，为系统维护和故障预测提供科学依据。

4.2 故障树分析

故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）是一种从上往下、由顶及底逐层细化的系统分析方法。在智能变电站继电保护系统中，故障树分析主要用于分析可能导致系统失效的各种故障因素及其组合。故障树以一个特定的系统失效事件作为顶事件，然后逐层向下分析导致该项事件发生的所有可能故障模式。每个故障模式都通过一个逻辑门（如与门、或门等）与下一层的故障因素相连，形成一个树状结构。通过分析故障树，可以找出导致系统失效的最小割集（即导致顶事件发生的最低层次故障因素组合），进而确定系统的薄弱环节和关键部件。

在智能变电站继电保护系统中，故障树分析可以帮助运维人员深入理解系统失效的机理和原因，为制订针对性的维护措施和故障预防策略提供有力支持，将其用于系统设计和优化阶段，通过预先分析可能存在的故障因素，提高系统设计的可靠性和安全性。

5 保护设备在线状态评估系统设计

智能变电站继电保护设备在线状态评估系统的设计，是确保电力系统安全、稳定运行的重要环节。该系统通过集成先进的监测技术、数据分析方法和评估算法，能够实时、准确地评估继电保护设备的运行状态，为运维人员提供及时、有效的决策支持。在设计智能变电站继电保护设备在线状态评估系统时，需要考虑以下几个关键方面。

5.1 全面性

系统需要能够全面监测继电保护设备的各项参数和性能指标，包括设备的电气性能、机械性能、环境条件等多个方面，以确保评估结果的全面性和准确性。

系统需要具备强大的数据处理和分析能力。通过收集实时运行数据，系统能够运用先进的算法和模型，对设备的运行状态进行深入分析，识别潜在的风险和问题。

此外，系统还需要具备友好的用户界面和交互方式。通过直观的图形化界面和简洁的操作流程，运维人员能够方便地查看设备的运行状态、历史数据和评估结果，从而快速做出决策。

5.2 可扩展性

在系统设计过程中，需要考虑系统的可扩展性。随着技术的不断发展和设备种类的增加，系统需要能够灵活地适应新的评估需求和技术要求。系统还需要具备完善的故障自诊断和修复能力，以确保系统的稳定性和可靠性。

6 结束语

智能变电站继电保护在线运行状态评估对于电网的正常运行和运维工作具有重要意义。文章所提评估方法通过实时监测和分析继电保护设备的运行状态，确保了电网在遭受各种故障时能够迅速、准确地切断故障点，保护电网的稳定运行。

参考文献

[1] 杨晨飞. 继电保护技术在智能电网中的应用[J]. 百科论坛电子杂志，2020（13）：409-411.

[2] 邓朴，郝正航，薛毅，等. 变电站母线短路容量就地测量方法[J]. 电力科学与技术学报，2021（2）：23-25.