牽引變電所二次設備故障預警系統的研究

張永政，張毓格，陳雙

(1.國網遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000;2.國網成都供電公司，四川 成都 610041;3.四川省電力公司建設管理中心，四川 成都 610021)

1 引言

二次設備作為牽引供電系統安全運行的重要防線之一，在保障牽引供電系統安全中的地位是不可忽視的。二次設備自身的異常或故障可能會導致牽引供電一次系統錯誤的運行，從而帶來不可想象的損失。因此，為了提前預知事故的發生，需要建立牽引變電所二次設備的故障預警系統。本文對牽引變電所二次設備的狀態監測技術進行了詳細的分析，指出當前狀態監測技術存在的問題，并進行了牽引變電所二次設備故障預警系統的框架設計。

2 牽引變電所二次設備狀態監測技術

2.1 牽引變電所二次設備狀態

牽引變電所二次設備主要包括互感器、繼電保護、自動裝置、故障錄波、就地監控和遠動等［1］。針對此類設備故障處理目前存在兩個問題:①故障發生后才能處理;②大多數情況下難以明確或追蹤故障的真正原因。那么，提前發現二次設備故障并進行故障預警就顯得尤為重要了。

設備的故障產生、發展必然要經歷一個時間的過程，有時看似偶然的故障，也必然有其內在的規律性。電氣設備從安全到失效的演變過程如圖1所示，包括安全、早期故障、隱藏故障和失效四種狀態，其中早期故障指的是故障的初期，而隱藏故障指的是已經發生卻未被發現的故障［2］。

圖1 電氣設備健康狀態演變過程示意圖

2.2 當前狀態監測技術

目前，牽引變電所中還沒有故障預警系統，但部分牽引供電二次設備的狀態監測系統是存在的，其技術大多與電力系統狀態監測技術是一致的，主要圍繞以下幾個方面進行:

(1)微機保護自檢

微機保護裝置的自檢功能，可以使保護裝置在運行和調試的過程中，能夠發現自身的問題，并及時發出報警信號，以便在最短的時間內采取相應的措施予以修復。微機保護裝置的自檢功能可以發現故障并定位故障，通常檢測的主要內容是CPU、IPO接口、存儲器(EPROM、RAM)、輸入通道(A/D轉換回路、開關量輸入)、輸出通道(開關量輸出)、開關及插件的接觸情況等［3］。一般采用比較法、校驗法、編碼法、監視定時器法、特征字法等故障測試的方法，對保護裝置可通過加載診斷程序，自動地測試每臺設備和部件［4］。

(2)二次回路狀態監測

雖然，繼電保護裝置具備自檢功能，但作為牽引供電系統安全屏障的繼電保護除裝置本身以外，還包括交流輸入、直流回路、操作控制回路等環節，即二次回路，在不增加新的投入的情況下，可以充分利用現有的測量手段對其進行監測，監測內容包括CT、PT的斷線檢測、直流回路絕緣監測、二次保險熔斷報警等［5］。

(3)絕緣性能監測

絕緣性能下降可以引起二次設備故障，因此，對二次設備的絕緣參量進行監測是十分必要的，主要測量方法有介質損耗因數的測量，該方法可以用于電流、電壓互感器設備的監測。

(4)溫度的監測

電氣設備出現故障就會導致電氣量發生變化，電氣量的改變經常會使設備某部分出現溫度的改變，通過對溫度的監測，可以反映很多設備的故障。該方法主要用在觸頭溫度的監測中。

2.3 存在的問題

牽引供電系統二次設備故障預警的研究主要集中在互感器、繼電保護等單一失效模式的預測上，一般采用在線監測的手段，結合設備的歷史狀況和運行條件，根據設備所處的客觀狀態，提前發現故障征兆，進行預警。

但目前對于牽引變電所二次設備狀態監測的方法存在以下的幾個問題:①保護自檢功能不能檢測所有類型的故障;②沒有考慮故障間的耦合關系，可能造成對設備健康狀態的誤判;③設備健康評價所依據的測量信息單一;④大多監測只利用設備當前的運行值，未考慮設備的歷史檢測數據和本身特性(如出廠試驗值)，缺乏對設備狀態的全面把握。

3 二次設備故障預警系統框架研究

通過研究對牽引變電所二次設備的故障預警，利用先進的數據采集技術并獲取與設備屬性相關的特征參數，借助智能的算法，就可以實時的跟蹤設備狀態，降低故障發生的概率和風險，減少損失。

3.1 基本框架設計

在現場牽引變電所中，實時收集已有綜合自動化系統進線、饋線的RTU、FTU數據信息，實時收集保護動作信息，在關鍵元件(互感器、饋線)加裝在線監測裝置，在線路接頭處加裝絕緣、溫度監測裝置，形成對牽引變電所的全面狀態監測，通過收集實時在線數據，分析處理實時和歷史數據，對二次設備出現的隱藏故障進行報警，形成牽引變電所二次設備的故障預警系統。

高速鐵路牽引變電所二次設備故障預警系統涉及多方面的理論與技術，主要包括數據采集技術、數據處理技術、故障特征提取技術、設備狀態評估技術、故障預警技術以及保障維護決策技術，完整框架設計如圖2所示。

3.2 各部分具體研究內容

(1)多信息源數據采集與處理技術

對牽引變電所二次設備進行故障預警，需要考慮來自多方面的信息數據，應重點研究來自綜合自動化系統、故障錄波裝置、數據采集與控制系統等監測數據，分析來自研究對象自身及其相鄰的設備信息、斷路器動作信息、保護配置信息、二次回路測量信息等(主要分析電氣量U、I和開關量);研究新增的傳感器監測信息，如斷路器觸頭溫度、互感器介質損耗信息等。通過對以上的多信息源數據進行歸納總結分析其特征，研究利用這些連續或離散的，空間與時間相結合的數據，采用數據分層的原則，建立故障預警及故障診斷的數據模型，多信息源數據采集系統如圖3所示。

圖2 牽引變電所二次設備故障預警系統示意圖

圖3 多信息源數據采集系統示意圖

(2)設備狀態評估技術

對牽引變電所二次設備的健康狀態進行定義，分析其從安全運行到隱藏故障再到失效的運行機理，建立二次設備的狀態評估理論體系，并制定相應的標準。該狀態評估體系包括各項數據的指標權重、設備權重、評估算法、設備的評估分級等，以此對二次設備的運行狀態進行全面的評估，如圖4所示。

圖4 二次設備狀態評估體系示意圖

牽引變電所中有許多的二次設備構成，因此可以采用分層的思想進行狀態評估:第一層研究單個二次設備的狀態評估;第二層研究由單個設備組成的牽引變電所系統的狀態評估，具體的評估方法可以采用模糊判據［6］。

(3)故障預警技術

牽引變電所二次設備故障預警技術的重點應該是隱藏故障的預警問題，針對隱藏故障的識別，可以采用對比分析設備本身及與之相關聯的設備所形成的關系，比如互感器的隱藏故障識別可以根據基爾霍夫電流、電壓定律對各支路CT、PT二次側電流之間的制約關系來判斷;繼電保護的隱藏故障，可以通過分析相鄰線路之間電氣量的關聯以及保護動作之間的配合來判斷。同時，對于隱藏故障預警問題的研究應該結合設備的歷史數據進行判斷，研究設備性能衰退的判斷方法。

(4)保障維護決策技術

定期對設備進行維護可以提高牽引變電所二次設備的性能，延長設備的使用壽命，對系統的穩定運行起到了關鍵的作用。通過對設備實行狀態檢修，在需要維修的時候進行維修，可以有效的降低成本，但降低成本與提高系統可靠性之間存在一定的沖突，那么如何平衡兩者之間的關系，就需要對維修策略進行優化［7］。

維修策略的優化既要考慮經濟性，也要考慮可靠性。如圖5所示，牽引變電所二次設備的維護費用和故障的損失費用之和的最小區域即是維修策略選擇的區域。由系統可靠性和維修費用間的關系可以得到基于可靠性考慮的狀態維修曲線，M點即是維修策略優化后的狀態維修點。

圖5 考慮經濟性和可靠性的維修策略優化

4 結論

牽引供電系統二次設備故障診斷系統的建立，將在以下幾方面發揮重大作用:

(1)故障預警系統的研究，可以實現對設備和系統故障狀態的提早預測，提早維修，從而避免故障發生產生的影響，提高了牽引供電系統的可靠性。

(2)建立設備狀態評估體系，采用分層思想，由單個設備過渡到整體設備，并分析權重，可以更全面的對二次設備進行狀態評估。

(3)通過對設備狀態的準確判斷，利用狀態檢修代替周期檢修，節約時間，減少成本。

［1］吳杰余，張哲，尹項根，等.電氣二次設備狀態檢修研究［J］.繼電器.2002(2):22 －24.

［2］何正友.復雜配電網潛隱性故障預測與健康診斷方法研究［J］.學術動態.2012(2):7－10.

［3］王勝濤.繼電保護隱藏故障監測方法研究［D］.重慶大學，2010.

［4］顧賽杰，陳春輝，葉成剛.電力系統二次設備狀態檢修探討［J］.科技資訊.2012(30):111.

［5］王春蕓.繼電保護二次回路狀態檢測與評估［D］.浙江大學，2009.

［6］劉蓉.城軌車輛設備維修策略優化與決策模型［D］.北京交通大學，2010.

［7］何正友，程宏波.高速鐵路牽引供電系統健康管理及故障預警體系研究［J］.電網技術.2012(10):259 －264.