變電站分布式繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗方法

摘 要：當(dāng)前繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗?zāi)Ｐ投酁閱雾棃?zhí)行結(jié)構(gòu)，檢驗范圍較小，促使最終得出的重疊檢驗誤差增加，為此提出對變電站分布式繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗方法的設(shè)計與驗證。根據(jù)當(dāng)前測定，先進(jìn)行繼電保護(hù)裝置失效特征提取，設(shè)置閉環(huán)檢驗標(biāo)準(zhǔn)，采用多階的方式，提升檢驗范圍，設(shè)計多階閉環(huán)自動化檢驗?zāi)Ｐ?，采用自適應(yīng)定點(diǎn)的方式來處理實(shí)現(xiàn)檢驗。測試結(jié)果表明，在預(yù)設(shè)的兩個階段中，針對選定的5個測試覆蓋區(qū)域，計算得出的重疊檢驗誤差被控制在2.2以下，說明此次設(shè)計的繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗速度和精度較高，穩(wěn)定性強(qiáng)，檢驗結(jié)果更加可靠。

關(guān)鍵詞：變電站；分布式繼電保護(hù)；保護(hù)裝置；閉環(huán)自動化；檢驗方法；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TM 77" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

分布式繼電保護(hù)裝置是變電站的重要保護(hù)設(shè)備，對保證電力系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。當(dāng)前，較常用的繼電保護(hù)裝置檢驗方法一般是定向識別或者范圍標(biāo)定的檢測形式，雖然能實(shí)現(xiàn)持續(xù)性檢測，但是存在效率低、操作復(fù)雜的問題，無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的高效、智能需求[1]。因此，本文提出變電站分布式繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗方法，利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等手段構(gòu)建自動化檢驗系統(tǒng)[2]。雖然增加了數(shù)據(jù)采集、處理、分析、判斷等多個環(huán)節(jié)，但能實(shí)現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置的全面、快速、準(zhǔn)確檢驗，提高檢驗效率和精度。同時，降低人工操作的復(fù)雜性和誤差率，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全隱患，適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展變化，提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1 設(shè)計變電站繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗方法

1.1 繼電保護(hù)裝置失效特征提取

當(dāng)設(shè)計閉環(huán)自動化檢驗方法時，需要對繼電保護(hù)裝置的失效特征進(jìn)行提取。這些失效特征包括電氣參數(shù)的異常變化、保護(hù)動作的不正確或延遲等。對這些失效特征進(jìn)行提取和分析，可以判斷繼電保護(hù)裝置是否存在故障，從而制定相應(yīng)的檢修和維護(hù)策略。

具體來說，失效特征提取可以分為以下3個步驟。1）數(shù)據(jù)采集。利用傳感器和監(jiān)測設(shè)備實(shí)時采集繼電保護(hù)裝置的電氣參數(shù)和保護(hù)動作信息。這些數(shù)據(jù)包括電壓、電流、功率、頻率等電氣參數(shù)，保護(hù)裝置的啟動、復(fù)歸等動作信息。2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、濾波和標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除噪聲和異常值的影響，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。3）特征提取算法。利用采集的信號處理，對失效特征進(jìn)行進(jìn)一步提取[3]。明確劃分應(yīng)用信號的覆蓋時域、頻域，提取失效信號中的關(guān)鍵特征參數(shù)，見表1。結(jié)合表1采集繼電保護(hù)裝置的時域、頻域關(guān)鍵特征。特征參數(shù)直觀地反映裝置的性能狀態(tài)，還需要測定對應(yīng)的特征值。4）特征選擇。從提取的眾多特征中選擇最具代表性的特征，用于后續(xù)的故障診斷和分類。

在特征選擇過程中，一個重要的公式是皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson correlation coefficient），可以衡量2個變量之間的線性相關(guān)程度，其計算公式如公式（1）所示。

（1）

式中：x、y為2個變量；xi、yi分別為x、y的樣本值；μx、μy分別為x、y的均值。

ρ（x，y）的取值范圍為-1～1，值越接近1表示正相關(guān)性越強(qiáng)，值越接近-1表示負(fù)相關(guān)性越強(qiáng)，值為0表示無相關(guān)性。

通過計算繼電保護(hù)裝置各電氣參數(shù)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，可以分析它們之間的關(guān)聯(lián)程度，從而提取與失效相關(guān)的特征。例如，當(dāng)某個電氣參數(shù)與其他參數(shù)的相關(guān)性發(fā)生顯著變化時，意味該參數(shù)出現(xiàn)異常，可以推斷繼電保護(hù)裝置存在故障。

需要注意的是，在提取失效特征的過程中，盡量保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，并結(jié)合裝置的實(shí)際運(yùn)行情況和電力系統(tǒng)的需求，進(jìn)一步優(yōu)化裝置的參數(shù)配置，為繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗奠定基礎(chǔ)。

1.2 閉環(huán)檢驗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置與多階閉環(huán)自動化檢驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

在變電站繼電保護(hù)裝置的閉環(huán)自動化檢驗中，設(shè)計多階閉環(huán)自動化檢驗?zāi)Ｐ湍軌驅(qū)Σ煌瑢哟蔚墓收线M(jìn)行逐級排查和處理，提高檢驗的精細(xì)度和可靠性。

閉環(huán)檢驗標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置需要考慮多個方面，包括電氣參數(shù)的閾值、保護(hù)動作的時間窗、故障判別的準(zhǔn)確率等。這些標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)實(shí)際的電力系統(tǒng)運(yùn)行情況、繼電保護(hù)裝置的性能特點(diǎn)以及相關(guān)的行業(yè)規(guī)范進(jìn)行制定。例如，針對電氣參數(shù)的閾值，可以通過分析歷史數(shù)據(jù)、結(jié)合專家經(jīng)驗來確定合理的上下限值。針對保護(hù)動作的時間窗，需要根據(jù)保護(hù)裝置的響應(yīng)速度和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求進(jìn)行設(shè)定。結(jié)合變電站分布式繼電保護(hù)裝置運(yùn)行實(shí)況，以多階檢驗來代替單向檢驗，強(qiáng)化檢驗結(jié)果的真實(shí)性。閉環(huán)檢驗標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置是確保檢驗過程規(guī)范、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)[4]。因此，設(shè)定的過程中應(yīng)基于電力系統(tǒng)的實(shí)際需求和繼電保護(hù)裝置的性能特點(diǎn)來制定，具體如下所示。1）靈敏性檢驗。結(jié)合繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行，對其異常情況感知的靈敏程度。2）動作時間。對實(shí)際錯誤動作的瞬時捕捉時間，判定自動化檢驗的實(shí)際速度。3）可靠性。檢驗是以自動化形式對比閉環(huán)檢測的穩(wěn)定、可靠，確保閉環(huán)檢測結(jié)果的真實(shí)性。

結(jié)合上述設(shè)定的閉環(huán)檢驗標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計多階閉環(huán)自動化檢驗?zāi)Ｐ汀z驗過程劃分為多個階段，設(shè)置數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及反饋優(yōu)化等環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)控制。根據(jù)預(yù)設(shè)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)對裝置性能進(jìn)行評估，根據(jù)具體的閉環(huán)需求，捕捉異常位置的信號[5]，并對其進(jìn)行整合處理，設(shè)計模型的階閉環(huán)自動化檢驗流程，如圖1所示。

結(jié)合圖1，對模型多階閉環(huán)自動化檢驗流程進(jìn)行設(shè)計和實(shí)踐。此時，可以結(jié)合基礎(chǔ)的仿真系統(tǒng)模擬各種復(fù)雜的電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置閉環(huán)故障場景，根據(jù)檢驗特征值來測試性能，此時可以設(shè)計模型自動化檢驗表達(dá)式，如公式（2）所示。

（2）

式中：H為自動化檢驗?zāi)Ｐ洼敵鼋Y(jié)果；?為檢驗范圍；λ為異常區(qū)域標(biāo)定；T為檢驗點(diǎn)位；S為失效特征[6]。

結(jié)合當(dāng)前的測定，對最終得出的自動化檢驗?zāi)Ｐ洼敵鼋Y(jié)果進(jìn)行對比分析，通過大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行深度挖掘和處理，提取更多有價值的失效特征和性能優(yōu)化建議，進(jìn)一步完善自動化檢驗?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性。

1.3 自適應(yīng)定點(diǎn)處理實(shí)現(xiàn)檢驗

自適應(yīng)定點(diǎn)處理的核心思想是根據(jù)裝置的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和性能特點(diǎn)，動態(tài)調(diào)整檢驗過程中的數(shù)據(jù)處理方式和精度要求。根據(jù)不同場景下的需求，自動選擇最合適的處理方法和參數(shù)，以確保檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。對裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和預(yù)處理，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行定點(diǎn)化處理[7]。結(jié)合繼電保護(hù)裝置的性能特點(diǎn)和故障特征計算定點(diǎn)檢驗限值，如公式（3）所示。

（3）

式中：I為定點(diǎn)檢驗限值；?為故障特征；X為定點(diǎn)速度；E為單元范圍。

將得出的定點(diǎn)檢驗限值設(shè)置為自適應(yīng)定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，與閉環(huán)自動化檢驗的其他環(huán)節(jié)相結(jié)合，形成一體化的檢驗結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)檢驗過程的持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)。需要注意的是，當(dāng)前所設(shè)定的自適應(yīng)定點(diǎn)形式并不是固定的，在針對繼電保護(hù)進(jìn)行檢測的過程中，可以隨時調(diào)整、轉(zhuǎn)換，增加檢測的覆蓋范圍以及綜合靈活度[8]，不斷強(qiáng)化繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗結(jié)果。此外，自適應(yīng)檢測的對比標(biāo)準(zhǔn)也需要及時調(diào)整、更新，從而保證檢驗數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性。

2 方法測試

結(jié)合實(shí)際的變電站控制管理要求，在復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境下，對變電站分布式繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗方法測試環(huán)境進(jìn)行關(guān)聯(lián)、設(shè)定。選定G變電站作為測試的輔助目標(biāo)對象，利用專業(yè)的電網(wǎng)平臺和裝置采集實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息，匯總整合相關(guān)數(shù)據(jù)后，采用對比的形式進(jìn)行驗證。接下來，綜合閉環(huán)檢驗的原則，細(xì)化部署具體測試環(huán)境。

2.1 測試準(zhǔn)備

G變電站的覆蓋范圍相對較大，日常電網(wǎng)及電路的可控針對性和穩(wěn)定性也相對較強(qiáng)。因此，需要增加對繼電保護(hù)裝置的控制與調(diào)整。隨機(jī)選定5條輸電線路進(jìn)行測試，并劃分對應(yīng)的覆蓋區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，各個監(jiān)測點(diǎn)之間搭接聯(lián)系，形成閉環(huán)式的監(jiān)測結(jié)構(gòu)，有助于采集實(shí)時數(shù)據(jù)和信息。另外，各個位置的節(jié)點(diǎn)還需要對接入的大型等值電力機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，形成一個獨(dú)立的檢驗區(qū)域。值得注意的是，當(dāng)前還需要將預(yù)設(shè)的自動化檢驗程序?qū)霗z驗測試環(huán)境中，確保后期的感應(yīng)對比可以正常進(jìn)行。接下來，設(shè)置對應(yīng)的測試環(huán)境與參數(shù)，見表2。

根據(jù)表2對測試環(huán)境和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，還需要設(shè)定和支撐測試硬件環(huán)境。一般情況下，繼電保護(hù)需要增設(shè)傳感裝置以及電壓電流識別設(shè)備做輔助，建立應(yīng)用聯(lián)系，如圖2所示。

結(jié)合圖2實(shí)現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置測試硬件的支撐關(guān)聯(lián)。當(dāng)前，確定測試設(shè)備與裝置的穩(wěn)定運(yùn)行之后，尋找并標(biāo)定失效中繼電保護(hù)穩(wěn)定平衡點(diǎn)，調(diào)整此時電力機(jī)組的機(jī)電模式，鎖定繼電保護(hù)裝置的覆蓋影響范圍，完成對當(dāng)前測試環(huán)境的設(shè)定和搭建工作。

為了確保測試結(jié)果的可靠性，設(shè)置異常對比檢驗輔助測試條件，見表3。

收集繼電保護(hù)裝置在正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下的多個電氣參數(shù)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率等。對收集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、濾波和標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除噪聲和異常值的影響。使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式來計算電壓和電流之間的相關(guān)性。如果ρ（x，y）的值接近1，就表示電壓和電流之間存在強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，這通常表示繼電保護(hù)裝置在正常運(yùn)行狀態(tài)。如果ρ（x，y）的值顯著偏離1（例如小于某個預(yù)設(shè)的閾值），就表示這兩個參數(shù)之間存在異常關(guān)系，指示繼電保護(hù)裝置存在潛在故障。

在閉環(huán)檢驗標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)置具體的參數(shù)閾值，針對電壓參數(shù)的閾值，設(shè)置正常運(yùn)行時電壓的上下限為 220V ± 5%，即209V～231V。如果檢測到的電壓值超出這個范圍，那么表示存在故障。

針對保護(hù)動作的時間窗，設(shè)置保護(hù)動作的最大延遲時間為50ms，如果保護(hù)裝置的實(shí)際動作時間超過這個值，就表示存在故障或性能下降。

設(shè)置定點(diǎn)檢驗限值為0.8，故障特征值為1.2，定點(diǎn)速度為30ms，單元范圍為1，自動化檢驗?zāi)Ｐ洼敵鼋Y(jié)果1表示通過，0表示未通過，檢驗范圍是故障特征、定點(diǎn)速度和單元范圍的綜合，設(shè)定為一個多維空間或區(qū)間，失效特征 （`）：這是描述裝置失效或性能下降的特定參數(shù)或特征為重疊檢驗誤差。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

計算出重疊檢驗誤差，如公式（4）所示。

（4）

式中：P為重疊檢驗誤差；φ為重疊區(qū)域；?為擾動頻率；μ1和μ2分別為基礎(chǔ)檢驗區(qū)域和實(shí)際檢驗區(qū)域。

根據(jù)以上測定，對最終得出的結(jié)果進(jìn)行對比分析，見表4。

根據(jù)表4對測試結(jié)果進(jìn)行分析：在預(yù)設(shè)的2個階段中，針對選定的5個測試覆蓋區(qū)域，計算得出的重疊檢驗誤差控制在2.2以下，說明此次設(shè)計的繼電保護(hù)裝置閉環(huán)自動化檢驗速度和精度較高、穩(wěn)定性強(qiáng)、檢驗結(jié)果更可靠。

3 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際的檢驗需求，深入理解閉環(huán)自動化檢驗方法的核心原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計更靈活、更多變的檢驗?zāi)Ｊ?，在?fù)雜背景環(huán)境下，短時間內(nèi)提升檢驗效率、保障電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。同時，結(jié)合電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，確保閉環(huán)自動化檢驗方法能夠真正服務(wù)于電力系統(tǒng)，推動電力系統(tǒng)快速朝智能化、自動化方向發(fā)展。

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