繼電保護二次元器件狀態監測及就地預判方法研究

云南電網有限責任公司玉溪供電局 楊永旭 張 驍 云南電網有限責任公司培訓與評價中心 施蔚青

1 技術背景

1.1 二次系統安全穩定運行的重要性

在電力系統中，繼電保護是指利用各種測量元件對電力系統進行實時監測和檢測，當發生異常情況時，及時切斷故障區域與其他區域之間的連接或采取措施消除故障，并使正常部分不受影響的一種系統和裝置。繼電保護裝置主要作用是在發生故障時，快速地將受到威脅的設備從系統中隔離出來，以避免更大范圍的事故發生。

一般情況下，不同類型的繼電保護裝置根據原理設置一定數量的空氣開關、操作把手、連接片等二次元器件。電力系統運行方式發生變化，保護邏輯也通過上述二次元器件的投退來相應調整，確保繼電保護裝置正確動作并按選擇性切除故障。可見，二次元器件的正確投退，對于電力系統的安全穩定運行至關重要。

1.2 現有操作及判斷方式不可靠

近年來，停電檢修或運行方式改變后，繼電保護裝置投退涉及二次元器件的投切，均由人工操作完成。由于單套裝置需要操作的二次元器件較多，且邏輯較為復雜，采用人工操作投退二次元器件，對操作人員的技術水平要求較高。

另外，功能壓板、空氣開關、把手等二次元器件可通過裝置開關監測其狀態，但出口壓板缺少有效的監測手段，目前主要采用人工檢查維護確認的方式，維護效率和準確率受作業人員的技能水平影響較大。近年來，操作人員工作失誤導致的漏投、接觸不良導致繼電保護二次元器件與運行方式不對應的事件時有發生，嚴重的甚至造成繼電保護裝置的誤動或拒動，導致非計劃停運事件。

1.3 長期運行部分隱患難以發現

二次元器件長期運行之后，由于受機械應力影響，有脫離接觸的可能性，而一旦接觸不可靠，將會導致保護動作不正常，擴大停電范圍，影響電力供應。在日常運行過程中，采用人工巡檢的方式，定期對繼電保護二次元器件的狀態進行檢查和判別，進而判斷繼電保護二次元器件的運行狀態是否可靠。

但受到巡檢周期、人力資源、工作安排的影響，無法實時對繼電保護二次元器件狀態進行監測。同時，當上述繼電保護二次元器件損壞、漏投、接觸不良等缺陷發生時，無法進行預警和發信。

1.4 作業文件執行有脫節

為了指導現場操作，各供電單位根據相關規程和調度定值通知單，組織編制了現場運行規程和繼電保護操作手冊等文件，明確了不同運行方式下的二次元器件投切方式，一定程度上減少了誤投切的可能性。但是文件指引與現場實施還存在脫節，難以實時規范和指導操作，目前尚無結合運行方式判斷二次元器件投切狀態的邏輯分析及就地判斷裝置。

因此，亟須制作一種對繼電保護二次元器件的實時監測的裝置，能結合運行方式實現繼電保護二次元器件狀態的實時監測及判斷，當發生不對應、漏投、接觸不良等不可靠事件時，能及時告警和發信，提醒運維人員快速消除缺陷。

2 技術原理

運行方式發生變化時，繼電保護需要投退的二次元器件主要有空氣開關、壓板、把手等。為了完全杜絕繼電保護二次元器件的誤投切操作，作者開展了上述元器件狀態監測及就地預判方法研究。成果分“采集—判斷—輸出”三部分，實現了二次元器件運行狀態的實時監測和預判，原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

2.1 模塊之眼—采集模塊

為了能監測繼電保護裝置相關空氣開關、壓板、把手等二次元器件的投退狀態，首先要了解二次元器件的工作狀態。將二次元器件的工作狀態劃分為“合”與“分”兩種。通過使用磁簧開關，光電開關將工作狀態轉換成干接點的形式。

2.1.1 壓板狀態采集

采用干簧管[1]完成壓板狀態采集，將干簧管和磁鐵固定壓板活動片合連接柱位置，壓板合上時，磁鐵使干簧管導通，從而獲取壓板的工作狀態，安裝如圖2所示。

圖2 壓板狀態采集示意圖

2.1.2 把手開關狀態采集

根據用途，把手開關一般分為遠方就地把手、分合閘操作把手、重合閘方式切換把手、斷路器檢修狀態把手等幾類。通過分析把手開關的結構，將干簧管安裝在把手開關上，操作把手開關旋轉時，磁鐵使干簧管導通，來檢測其所處的位置，安裝如圖3所示。

圖3 把手狀態采集安裝示意圖

2.1.3 空氣開關狀態采集

采用激光型光電開關[2]，將光電開關安裝在空氣開關的上方或下方，通過發射激光光束照射推桿，來檢測空氣開關的工作狀態（合與分），安裝如圖4所示。

圖4 空開狀態采集安裝示意圖

為了杜絕二次元器件人工操作錯誤，以及運行過程中發生位置變化，將所檢測的工作狀態信息通過線纜送入繼電保護二次元器件狀態監測裝置，同時在裝置面板上燃亮對應的位置指示燈。

2.2 模塊之腦—判斷

判斷功能主要由繼電保護二次元器件監測裝置完成，分“人工置位”“數據比對”兩部分。

2.2.1 人工置位

當檢修或投運后運行方式發生改變時，由技能人員或經驗豐富的操作人員根據現場運行規程和繼電保護操作手冊等文件，明確二次元器件正確的投切方式，并在裝置上通過小把手完成“人工置位”，即設定正確的參考值。

2.2.2 數據比對

在檢測裝置中通過微處理器MCU 對比實時采集的狀態數據和設置的參考值，能及時發現異常狀態，并通過面板指示燈和硬接點發出信息。

2.3 模塊之手—輸出

當檢測的狀態和設置的狀態一致，裝置面板上的指示燈會亮綠燈；當檢測的狀態和設置的狀態不一致，裝置面板上的指示燈會亮紅燈警示，并且會有蜂鳴聲，同時告警硬接點接通[3]。對狀態進行設置時，可以通過靜音按鈕取消蜂鳴器鳴叫，硬接點動作復位，但指示燈的功能仍然有效，能夠準確提示設置的狀態和檢測的狀態是否相同。裝置面板示意圖如圖5所示。

圖5 裝置面板示意圖

總之，裝置各個采集模塊均根據不同的元器件量身定制，非接觸式安裝不影響繼電保護設備的正常運行，且體積小巧，運行穩定。經過“采集—判斷—輸出”，實現了實時監測、邏輯置位和異常判斷，可根據運行方式要求，及時發現二次元器件存在的異常，準確做出預警，能適用于不同變電站不同廠家設備的安裝需求。

3 現場應用情況

經過實訓基地的試運行和多個變電站現場實際應用，已發現兩起存在的隱患。為了支持智能示范區建設，后續還將實現電網應用全覆蓋，并逐漸向其他供電局推薦。成果具有行業全面推廣價值，具有以下優勢。

一是適應廣。根據不同的二次元器件，量身設計不同的狀態采集方式，能適應不同結構、不同尺寸、不同原理、不同廠家、不同型號二次元器件的安裝需求；另外“現場置位”把手按鈕，可在操作完成后，就地化設置常態定值，實現不同二次元器件運行狀態的“量身定制”，保證了本成果的適用性。

二是成本低。本成若能實現量產，單套價格可控制在5000元以內，另外非接觸式安裝不需要設備停電，降低項目實施難度的同時，節省了投資。

三是上手快。成果結構簡單，使用方便快捷，不需要專門的培訓即可完成安裝調試，單個保護屏柜安裝約耗時1h，工作效率顯著提高。

4 結語

為了解決繼電保護裝置日常運行存在的問題，作者根據繼電保護裝置各類二次元器件設計了相應的狀態采集模塊，率先采用了就地化“運行態”運行參考值設置，設計制作了通用型的狀態監測及預判裝置，不停電安裝簡化了項目實施，減少了資金投入、降低了作業風險，成果實用性強，應用前景廣泛，具有極大的推廣價值。