繼電保護設備及二次回路狀態檢修系統構建

摘 要： 隨著電力企業向市場化邁進，設備狀態檢修已成為電力企業實行的一種先進的設備檢修管理方式。為進一步提升設備狀態檢修為企業所帶來更高的經濟效益。在此以信息技術為支撐，構建一套能夠全面支撐電力企業開展二次設備狀態檢修工作的狀態檢修管理系統。利用先進的數據挖掘技術對設備的健康狀態進行綜合分析，對設備做出全面的狀態評價，得出設備的實時運行狀態，實現對繼電保護設備的狀態檢修提供決策依據，保證生產運行需要，提高設備的安全性和可用性，延長設備使用壽命，節約維護資金，從而為企業帶來更大的經濟收益。

關鍵詞： 繼電保護設備； 二次回路； 狀態檢修； 數據挖掘

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0152?04

Fabrication of relay protection equipment and secondary loop condition?based maintenance system

QU Yan1， WANG Chunguang2， MEI Yao2， GONG Hui2， ZHANG Tao3

（1. Shenyang Power Supply Company， Shenyang 110003， China；

2.Gansu Electric Power Corporation， Lanzhou 730050， China； 3.Merit Technology Co.， Ltd， Xi’an 710075， China）

Abstract： With marketization of electric power enterprises， maintenance of the equipment condition has become an advanced equipment maintenance management approach. In order to further enhance the economic benefits from equipment condition maintenance， supported by information technology， a condition maintenance management system which can provide comprehensive support for secondary equipment condition maintenance of electric power enterprises was built. The comprehensive analysis of equipment conditions is performed with the advanced data mining technology. A comprehensive evaluation of the equipment condition is make to get real?time operation status of equipment. It provided a decision basis for condition maintenance of relay protection equipment to ensure production and operation of the equipment， improved the security and availability of the equipment， prolonged equipment life， and saved maintenance cost.

Keywords： relay protection equipment； secondary loop； condition?based maintenance； data mining

繼電保護設備及二次回路狀態檢修系統旨在通過建立完善的保護設備狀態檢修體系，利用先進的計算機技術，以保護設備狀態評價、預警及故障診斷的信息化、標準化、專業化為手段，根據狀態評價、預警及狀態診斷結果合理安排生產和檢修，做到該修必修，修必修好，達到延長定期檢修試驗周期、減少總檢修試驗時間的目的，從而節約人力、物力、財力，使得現有運行設備能夠創造出更大的經濟效益。

1 現狀分析

建國以來，我國電力系統長期實行以預防性計劃檢修為主的檢修體制。這種檢修體制主要依靠檢修規程來確定檢修項目，存在盲目性和眾多的不足，造成企業資源的嚴重浪費[1]。因此，自2009年以來國家電網開始自上而下的推廣狀態檢修系統的建設工作。隨著近幾年的建設，電力一次設備的狀態檢修工作已經逐步完善起來，電力系統作為一個整體，需要一、二次設備的協同運轉才能有整個電力系統的穩定運行，因此對二次設備開展狀態檢修成了必然[2]。

繼電保護裝置作為二次設備中的重要組成，通過開展繼電保護設備及二次回路的狀態檢修，能及時發現設備運行中的發展性缺陷，防止突發性事故的發生[3]；從而降低輸變電設備的事故率，減少繼電保護設備試驗和維修的盲目性，降低繼電保護設備因檢修而引發故障的可能性；從而延長繼電保護設備運行壽命，能夠有效地提高電網的運行可靠性，降低檢修成本和檢修風險，提高繼電保護運行管理水平和設備全壽命周期的運行管理水平。

目前繼電保護設備的狀態檢修信息化系統建設相對落后，繼電保護設備的狀態檢修仍然是以人工的方式收集記錄設備基礎數據、運行數據以及檢修試驗數據，對于評價過程也是人工進行設備狀態評價[4]。這樣一來所收集數據的準確性，及時性，完整性以及數據的規范化存在嚴重的不足，導致設備狀態評價的有效性和準確率無法保證，并且需要消耗大量的勞動力為企業帶來了高昂的人力成本。

為此迫切需要構建一套完整信息化系統，用于支撐繼電保護設備及二次回路的狀態評價，能夠全面掌握繼電保護設備的運行歷史和現狀數據，保證數據的準確性，及時性，完整性以及數據的規范化，并通過信息化系統利用計算機高效的是運算能力實現設備狀態的自動評價，從而效地提高電網的運行可靠性，降低檢修成本和檢修風險，提高繼電保護運行管理水平和設備全壽命周期的運行管理水平。

2 系統構建

本系統是在國家電網公司廣泛開展繼電保護設備狀態檢修工作的大環境下，經過多年的研究，以國家電網公司的各個導則文件為方向的指導下進行建設的繼電保護設備及二次回路狀態檢修管理系統。

2.1 系統業務應用分析

繼電保護設備及二次回路設備狀態檢修的關鍵在于把握設備當前所處的狀態（即設備當前的健康狀況和運行可靠程度），其難點在于用什么樣的概念定義設備的狀態[5]。當前，我國現行的檢修體制中也對設備的評價指標做了相應的規定，但這些指標不能夠合理完善的反應設備真正的健康狀況，需要我們在現有條件下提出更全面、合理的方法體系。

本質來講，繼電保護狀態檢修就是在電氣二次設備的設備臺帳、運行檢修基礎數據和狀態監測的基礎上，根據設備狀態量監測和分析診斷的結果，科學地安排檢修間隔時間和檢修項目的檢修方式，它包括三層含義[6]：設備狀態監測，設備狀態診斷和設備檢修決策。設備狀態監測是實施狀態檢修的基礎，它負責收集與設備狀態相關的各類因素資料，為設備狀態的評價診斷提供數據支持；設備狀態診斷則以設備狀態監測數據為依據，綜合設備狀態相關的各類歷史與當前信息，利用神經網絡、專家診斷系統等技術建立起合理的狀態評價與狀態診斷模型，實現對繼電保護設備的健康狀況正確合理判斷；設備檢修策略是在對設備健康狀況有了正確合理的判斷的基礎上，對如何進行設備檢修、使檢修真正實現“應修必修，修必修好”做出合理的決策建議、指導檢修試驗工作的開展。整個狀態評價系如圖1所示。

圖1 狀態評價體系

整個狀態檢修體系是一個動態循環的過程，在設備運行檢修過程中產生能夠表征設備健康狀況的各類狀態因素信息，采用合適的方法對這些信息進行綜合分析能夠更好的指導設備的運行檢修試驗工作。這個動態循環過程中，核心與難點在于對信息的搜集整理與綜合分析。目前，對設備狀態信息整理最常見的方法是對設備信息分析提取抽象出標準化的表征設備健康狀態的狀態量。狀態量的提取抽象必須建立在經過了專家論證、參考了大量的現場運行檢修經驗的基礎上，才能夠包含能夠表征設備健康狀況的各類因素。在此基礎上，還必須對狀態量進行綜合分析最終建立合理的算法模型來掌握設備的健康狀態。目前，比較通用的算法模型主要有決策樹、神經網絡、模糊評價等。各類模型方法各有特點與不足，從實用性的角度考慮，決策樹母性符合實際應用：通過專家意見，綜合分析出各個狀態量的指標權重，按照加權評分的方式為設備健康狀態做出量化的評價。當然，從準確性的角度考慮，應該采用多種方法配合的建模方式，以彌補單一算法的個別不足之處。

2.2 系統建設功能介紹

繼電保護設備及二次回路狀態檢修系統的主要功能定義為：獲取并處理繼電保護設備相關基礎資料、設備實時/歷史運行數據等反映設備健康狀態的特征參數，評價設備當前健康狀況。對狀態劣化和趨勢不良的設備及時發布狀態告警消息，并進行有效的故障模式和原因的分析。最終通過綜合優化檢修策略模型分析，提出檢修決策建議。

系統在結構上，將繼電保護設備及二次回路的狀態檢修過程劃分為七大業務模塊，包括：基礎標準管理、設備管理、監測告警、運行管理、狀態檢修檢修管理，檢修管理，決策分析。

基礎標準管理實現了對狀態檢修工作涉及到的各類基本項的規范化、標準化，是整個狀態檢修工作標準化、高效化進行的基礎。

設備管理實現了設備基本信息和設備技術參數信息的標準化管理，建立了繼電保護設備的主題數據庫，為統一設備管理提供便利和促進設備管理規范性，是設備狀態檢修試驗管理的基礎及管理的對象。

監測告警實現了對設備運行的實時監控過程，根據狀態量指標變化，實時收集設備的各項運行指標，為狀體評價及設備狀態趨勢分析提供了有力的數據支撐。

運行管理實現了設備運行、檢修、試驗校驗數據的管理維護功能，按照數據來源和數據特性不同，分為運行異常記錄信息、缺陷記錄、在線監測信息、不良工況信息和家族性缺陷信息全面收集設備的各項生產運行數據，為全面評價設備狀態提供有力數據保障。

狀態評價，系統依據繼電保護設備狀態特征量和狀態評價相關導則標準，基于反應繼電保護設備或二次回路運行狀態的各指標項數據系統自動通過狀態評價模型分析或人工干預進行分析評價，并最終得出設備總體健康狀態等級。繼電保護設備由許多零部件、回路構成，考慮到繼電保護設備由于數據較為分散，所以評價以間隔為分析單元從而得出保護間隔運行狀態等級。

設備狀態評價利用了先進的優化算法模型，利用關系運算庫，將設備信息基本信息、設備參數信息、設備運行信息和狀態評價標準全面、有效而且靈活建立關系模型，經過復雜的邏輯運算得出設備運行狀態。設備狀態評價算法模型如圖2所示。

圖2 設備狀態評價算法模圖

模型中狀態量定義過程中采用樹狀結構進行定義，由頂層向底層逐次進行定義，進行狀態分析時則是從樹的底層向頂層進行判斷分析，最終得出設備綜合狀態；

模型中M，N為設備狀態；M1，M2，M3，M4，M5分別代表狀態分析結論為良好、正常、注意、異常、嚴重；M，N代表狀態分析時的中間狀態。符號“||”為“或”關系；符號“”為“與”關系。A，B，C分別代表設備的運行數據項。

檢修管理主要包括：

（1）故障診斷，根據狀態評價得出不良狀態（注意狀態、異常狀態、嚴重狀態）的設備，采用狀態診斷方法診斷設備可能存在的故障原因和故障部位，為故障處理或狀態恢復提供參考。

（2）檢修策略，系統以設備狀態評價結果為基礎，綜合考慮風險評估結論，建立設備狀態和設備風險度二維關系模型，綜合優化保護設備檢修次序、檢修時間和檢修等級安排。

（3）檢修計劃，系統基于檢修策略的信息，結合相關一次設備的檢修計劃，根據生產計劃的數學計算模型，自動生成保護設備的檢修計劃。

決策分析，基于大量有關設備連續運行時間與狀態評價數據，利用數據挖掘技術及數理統計方法，自學習總結設備狀態發展規律，對設備未來的發展趨勢以及未來某一時間點上設備運行的狀態做出預測，為設備檢修人員和運行人員提供具有前瞻性意義的參考。設備狀態預測模型如圖3所示。

圖3 設備狀態預測模型圖

模型中λ（t）是指設備的不良運行狀態；t是指時間序列。模型中Ⅰ，Ⅱ表示設備實際運行時間區間，Ⅲ標示設備預測時間區間。

模型曲線（實）是指設備分別在Ⅰ，Ⅱ兩個實際運行時間區間的不良運行狀態趨勢和預測時間區間的不良運行狀態，即預測出的設備未來運行狀態的發展趨勢。

3 關鍵技術

（1）J2EE開發技術

系統開發要采用J2EE技術標準，B/S架構，支持Linux，Windows操作系統的跨系統平臺部署，支持BEA Weblogic中間件，采用Oracle 10g數據庫系統。

（2）SOA軟件設計架構和方法

系統在進行構建時采用面向服務的設計思想，充分利用SOA軟件設計方法。基于業務服務提供多種訪問方式，包括本地調用，基于SOAP和WSDL的Web Service訪問。

（3）利用數據挖掘技術進行設備狀態發展趨勢預測

本項目主要采用數據挖掘的關聯分析、聚類分析、分類、預測、時序模式和偏差分析算法，進行設備在線監測數據和設備狀態數據的分析和研究，找出其內部的關聯關系和規則，從而進行設備監測數據和設備狀態發展趨勢的預測和分析。

4 結 語

繼電保護設備及二次回路狀態檢修系統將有效提高設備狀態評價的及時性、準確性，對設備狀態發展趨勢進行較為準確的預測，為設備管理人員的分析決策提供有力支撐，對合理安排檢修工作，提高檢修針對性起到很強的指導作用，為設備故障、缺陷的預測和精確定位提供了實時、精準的依據，減少了故障、缺陷原因判斷和分析的周期，極大的降低了檢修成本，提高了檢修效率，滿足了電網企業領導及管理層高效開展設備狀態檢修，快速決策和分析的目的。檢修模式的改變結合信息化系統的應用，繼電保護設備及二次回路狀態檢修系統有效的幫助電力企業降低了誤操作的安全風險，提高了企業的生產效率，還起到了減員增效的作用，符合電力工業資源節約型發展要求，具有顯著的經濟效益和社會效益，應用前景十分廣闊。

參考文獻

[1] 陳維榮，宋永華，孫錦鑫.電力系統設備狀態監測的概念及現狀[J].電網技術，2000（11）：12?17.

[2] 張國峰，梁文麗，李玉龍.電力系統繼電保護技術的未來發展[J].中國科技信息，2005（2）：10?12.

[3] 郭偉.論繼電保護裝置的“狀態檢修”[J].水利電力機械，2007（9）：100?101.

[4] 李萬寶.淺議繼電保護信息化管理[J].大眾科技，2004（12）：43?44.

[5] 李永麗，李致中，楊維.繼電保護裝置可靠性及其最佳檢修周期的研究[J].中國電機工程學報，2001（6）：63?65.

[6] 陳德樹.繼電保護運行狀況評價方法的探討[J].電網技術，2000（3）：4?5.

[7] 李彤.從狀態監測實踐探討狀態檢修工作的開展[J].農村電氣化，2005（2）：27?29.

[8] 陳三運.輸變電設備的狀態檢修[M].北京：中國電力出版社，2004.

[9] 張鋒.關于供電設備狀態檢修的思考[J].中國資源綜合利用，2008（1）：41?43.

[10] 陳安，陳寧.數據挖掘技術及應用[M].北京：科學出版社，2004.