百萬千瓦級核電廠升壓站繼電保護設備狀態的智能檢修方法研究

袁成川，屈天龍，郝 暢，孫 超

（大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東深圳 518124）

繼電保護設備是百萬千瓦級核電廠升壓站的重要組成部分，在核電廠與電力系統的正常運行中起到至關重要的作用[1]。近年來，隨著核電廠的快速發展，傳統繼電保護設備檢修模式的效率低下，矛盾日益突出，難以適應核電廠升壓站的現代化管理水平要求[2-3]。此外，核電廠積極推出檢修模式的智能化提升，促進檢修效率的提高[4]。繼電保護設備作為升壓站的第一道防線，在保障設備正常運行的過程中起到了決定性作用。

繼電保護設備狀態檢修是基于實際生產運行中產生的工程數據，通過分析設備間的健康狀態信息，建立標準健康狀況的評價模型[5-7]。加權平均理論是設備檢修的傳統方法，基于模糊算法對單一因素進行評估，再進行復雜的設備狀態分析[8]。智能技術的發展為設備檢修提供了較好的工具，在設備故障信息不完備的情形下，仍能準確判斷設備的故障類型以及輔助決策方案，該方法對測試精度具有較高的要求[9]。

1 升壓站繼電保護系統

1.1 二次回路

百萬千瓦級核電廠升壓站的二次回路由繼電保護設備及其遠動裝置構成，與其他類型發電廠架構類似[10-12]。二次回路可對電氣設備進行保護，按照電源的種類性質劃分，可分為開關控制、電氣閉鎖、電壓電流回路，且二次回路發生故障的概率較大，確保二次回路的正常是繼電保護系統的關鍵。

1.2 斷路器回路

升壓站繼電保護系統的斷路器回路由電壓回路、電流回路、操作信號回路、電氣閉鎖回路構成，共同協作完成斷路器的切故障命令。

1）電壓回路

電壓回路核心部件為通過二次側電路引出的電壓測量線圈，連接并列裝置與就地端子共線，通過自動切換控制測量裝置動作。電壓回路檢驗主要來自兩個方面：一是電壓回路的電阻值設置需要符合設計要求；二是電壓降必須大于UN的3%。

2）電流回路

電流回路是通過二次線圈測量小電流從而計算得出大電流，電路從互感器的接線端到斷路器的端子箱，最終到達繼電保護設備的顯示箱，電流回路必須注意接地點接地與繞組接線。此外，在縱聯差動保護中，電流變比必須與壓降一致。

3）操作信號回路

操作信號回路需注意三點：①操作信號回路的斷路器可通過分合閘保護電氣設備，操作系統可發送指令控制斷路器分合閘，常閉輔助點向斷路器發送合閘信號，并與測控裝置相連；②操作信號回路可檢測斷路器本體信號，發送“SF6 低壓警告”、“斷路器非全相動作”等信號，當壓力值下降后，二次回路對操作信號回路發出閉鎖信號；③操作信號回路可對各回路進行檢查，核實二次回路的正常狀態[13-14]。

2 繼電保護設備狀態智能檢修方案

2.1 檢修功能分析

根據百萬千瓦級核電廠升壓站繼電保護設備狀態檢修工作涉及的具體應用，設計部署功能，如圖1所示。

圖1 智能檢修功能

圖1 中，繼電保護設備的智能檢修方案共分為8 個模塊。其中，故障分析在系統內執行兩次，在檢測故障分量超出正常值且在風險評價為高風險時，需進行故障分析。在工程實施步驟中，可根據核電廠繼電保護設備檢修的具體要求對各個模塊做適當調整或分步實施。其中，數據采集為智能檢修方案的核心模塊。數據采集模塊如圖2 所示。

圖2 數據采集模塊示意圖

2.2 繼電保護設備狀態檢修

繼電保護設備狀態的智能檢修方案流程如圖3所示，詳細描述從數據采集、數據處理到故障診斷的流程，對所有失效數據與誤動數據進行統一收集并評價。若數據正常，則進行下一步操作；否則，啟動數據分析、預測評判工作，并對以上操作做出執行建議。

圖3 狀態檢修流程圖

假設有一臺繼電保護設備，故障數為J，其為非其次泊松方程且強度參數為λ(t)，開始檢修時刻t=0，(0,t)內進行檢修，設備檢修后的可靠度R(x/t)為：

核電廠要求設備的可靠度至少為R0，且檢修費用滿足經濟性條件，若c1、c2、c3為檢測過程所需費用、故障維修費用、停電時段損失費用，則在檢修時段內所需的總費用可表示為：

若考慮繼電保護設備可靠性與經濟性的雙重目標，則檢修周期必須滿足以下要求：

3 繼電保護設備狀態評價

3.1 基礎數據分析

數據的采集與分析是繼電保護設備智能檢修的基礎，在核電廠升壓站范圍內，繼電保護設備制造、運行、維護等全過程中，采集運行前后的數據信息、電氣設備試驗信息、檢修報告信息、檢修狀態、誤動拒動信息，為下一步工作奠定基礎。

基礎數據分析主要是對繼電保護臺賬數據、設備運行數據、繼電保護設備檢修數據開展采集、分析工作，即分析狀態數據的來源情況，為建立實際的檢修工作流程奠定基礎。

3.2 狀態量的確定

分析繼電保護設備的內部結構原理，將評價內容分為兩部分：二次回路部分與繼電保護裝置部分。上述兩者可根據與設備狀態關聯信息判斷其重要程度，在分析保護裝置的內部結構、二次回路原理、電氣閉鎖回路后，判斷繼電保護裝置的性質以及采取何種應對保護措施。

3.3 狀態評價標準

按照評價周期的劃分方法，繼電保護設備狀態檢修評價可分為定期評價與動態評價。定期評價可根據電氣設備的技術參數設置定時檢修周期，通常定期單位為年；動態評價是對電氣設備的狀態進行全方位的評價。在臺賬分析模型的基礎上，以間隔作為基本評價單位，綜合分析電氣閉鎖回路與二次回路。采用扣分制進行設備狀態信息的定期或動態評價，最終的結果為各單元項的綜合分數。在綜合分數發生明顯變化時，提醒檢修人員進行電氣設備檢修。具體的評價標準如表1 所示。

表1 繼電保護設備評價標準

3.4 狀態評價體系

傳統的評價方法是根據收集設備或二次回路狀態量等基礎數據，通過模型算法綜合評定設備間隔得分。但該方法受主觀因素影響較大，即使采用人工智能算法仍存在一定的缺陷[15-16]。文中采用多模型狀態評價體系保障繼電保護設備檢修的準確性，通過改進因子組合、算法對基礎數據信息進行評價，并對檢修方案進行靈活配置。其狀態評價體系如圖4所示。

圖4 狀態評價體系

4 智能檢修方案的設計與測試

4.1 設計思想

繼電保護設備狀態的檢修手段信息化是降低百萬千瓦級核電廠運行成本、合理安排繼電保護設備檢修計劃項目的有效途徑，即通過構建百萬千瓦級核電廠升壓站繼電保護設備檢修管理系統是實現狀態檢修的重要手段。其設計與開發需以設備檢修為方向，通過基礎運行平臺實現智能檢修的基本功能。

4.2 測試效果

以面向對象的Visual Basic 6.0 為測試平臺，設計9 種百萬千瓦級核電廠升壓站繼電保護設備檢修情景，模擬真實場景進行實時狀態檢修測試，測試結果如表2 所示。

表2 測試結果

5 結束語

該文對百萬千瓦級核電廠升壓站繼電保護設備狀態的智能檢修方法進行研究，設計了設備的智能檢修方案，繼電保護設備的智能檢修方案共分為8個模塊，分別為數據采集、數據準備、故障預警、故障分析、故障評價、分析決策、風險評估、決策建議。對方案的各個功能模塊進行分析，從數據獲取、狀態評價到預測評估，全方位評估繼電保護設備的運行狀態。該智能檢修方法具備較優的預期經濟效益，可提高升壓站的供電可靠性，降低核電廠的運維成本。