基于開關網絡的繼電保護二次回路狀態監測技術

摘 要：為了預防電網事故，及時發現并處理繼電保護二次回路中的潛在故障，本文提出基于開關網絡的繼電保護二次回路狀態監測技術研究。采用分布式架構，高精度傳感器全面采集電氣、信號等參數，優化開關網絡配置，結合高性能時鐘驅動與冗余容錯機制，實現數據快速、穩定傳輸。通過濾波、智能分類等技術，實時檢測回路狀態并預警。試驗結果表明，研究技術能夠有效提高監測靈敏度和故障識別速度，對電網安全具有重要意義和實際應用價值。

關鍵詞：開關網絡；繼電保護系統；二次回路狀態；實時監測；故障預警

中圖分類號：TM 77 " 文獻標志碼：A

電力系統規模逐漸擴大，繼電保護二次回路的狀態監測變得十分關鍵。作為連接保護裝置與一次設備的橋梁，其穩定性直接關系電網安全。耿曉娜等[1]主要通過構建狀態監測模型，對二次回路的運行狀態進行評估和預測，及時發現潛在故障，并采取相應的措施進行處理，實現了繼電保護二次回路的狀態監測。龔思敏等[2]通過無線傳感器網絡實時采集二次回路的運行數據，并利用大數據分析技術對采集的數據進行處理和分析，實現了對二次回路狀態的全面監測。盡管上述方法在繼電保護二次回路狀態監測方面取得了一定進展，但監測數據的處理和分析方法相對簡單，難以深入挖掘數據背后的潛在規律，從而限制了故障預測的準確性和及時性[3]。針對上述不足，本文提出基于開關網絡的繼電保護二次回路狀態監測技術。充分利用開關網絡在電力系統中的廣泛應用和獨特優勢，旨在通過構建基于開關網絡的監測網絡，實現對二次回路中各個節點和設備的全面、實時、精確監測。

1 采集二次回路關鍵節點狀態參數

為了實時監測繼電保護二次回路的健康狀況，及時發現潛在故障，本文對二次回路關鍵節點的狀態參數采集技術進行深入研究。

本文采用分布式架構，將高精度傳感器與數據采集單元靈活巧妙地部署在二次回路的關鍵位置，確保對二次回路狀態數據的全面覆蓋。本文采集技術設置的具體參數及采集組件部署情況見表1。

具體來說，在采集過程中，本文采集技術聚焦于電氣參數、信號狀態及設備狀態。針對電氣參數，通過高精度電流傳感器和電壓傳感器在二次回路關鍵節點實時監測電流與電壓，深入分析回路負載，及時發現短路、過載等隱患[4]。針對信號狀態監測，利用光纖模塊組件精準捕捉合閘、跳閘等控制信號以及指示燈、光字牌等狀態指示信號，確保控制邏輯無誤，為運維人員提供清晰、直觀的運行狀態信息。針對設備狀態參數，通過光電傳感器和溫度傳感器密切關注斷路器、隔離開關的分合閘狀態及關鍵設備溫度，預防設備過熱引發的安全事故[5]。

本文特別考慮信號傳輸時延及光纖通信參數的監測，在采集技術中引入高集成度的光纖模塊組件，這些組件集成了溫度和光強傳感器，并經過深度優化，以匹配繼電保護二次回路的特性，從而精確測量激光功率、光口溫度等關鍵參數，能夠提高采集數據的準確性和實時性。通過上述技術采集的繼電保護二次回路狀態參數為后續的狀態識別打下堅實的數據基礎。

2 利用開關網絡傳輸關鍵節點狀態參數

在本文基于開關網絡的繼電保護二次回路狀態監測技術中，核心聚焦于利用開關網絡高效、安全地傳輸關鍵節點狀態參數，以確保參數信息能夠迅速、準確地送到數據處理中心并進行分析處理。

傳輸模塊以開關網絡為核心架構，借助光纖線路作為傳輸媒介，將各個數據采集點緊密有序地串聯起來。并采用先進的通信協議與加密技術，抵御數據傳輸過程中的篡改與竊取風險。針對提高數據傳輸性能的需求，本文深入研究開關網絡的配置與優化方法，實施詳盡的開關網絡配置與優化策略。通過運用精細的網絡拓撲設計與負載均衡技術，即使面對高負載的傳輸環境時，傳輸模塊也能保持高速、穩定的運行狀態，確保關鍵節點狀態參數的實時傳遞[6]。開關網絡拓撲結構示意圖如圖1所示。

針對信號參數完整性要求極高的特殊線路，本文特別選用IDT49FCT3805APY等高性能時鐘驅動器，并結合精確的匹配電阻配置與靈活的交流耦合方式，確保信號質量的顯著提高與傳輸過程的穩定可靠。

為了降低傳輸功耗并提高長距離傳輸的穩定性，本文引入開關網絡管理技術。通過精確控制開關狀態及優化選擇數據傳輸路徑，能夠有效降低傳輸過程中的能源消耗[7]。針對遠距離傳輸可能引發的延遲問題，本文采用分段式交換開關矩陣設計。該設計將長距離傳輸路徑劃分為多個短距離段，并結合局部總線技術，能夠降低信號在傳輸過程中的衰減與延遲現象，進一步增強數據傳輸的穩定性和可靠性。分段式交換開關矩陣示意圖如圖2所示。

為了進一步增強傳輸的可靠性，本文在開關網絡模塊中融入冗余路徑的容錯機制。具體來說，通過構建2個交叉開關形成的雙重保障路徑，傳輸模塊能夠在單一路徑發生故障時，迅速切換至備用路徑，確保關鍵節點狀態參數的不間斷傳輸[8]。

3 實時檢測繼電保護二次回路狀態

為了確保繼電保護系統能夠迅速、準確地響應電力系統中的故障或異常情況，本文通過實時檢測繼電保護二次回路的狀態，及時發現并預防潛在的運行風險，保障電力系統的安全、穩定運行。對二次回路關鍵節點的狀態參數數據進行精細化處理，引入濾波算法，對輸入的二次回路狀態信號進行變換，剔除無用頻率分量，同時增強特定頻率范圍內的有用信息，提高信號質量，為后續的分析工作奠定堅實的基礎。濾波處理過程如公式（1）所示。

（1）

式中：x（t-n）為采集的繼電保護二次回路狀態原始信號；n為經過濾波后的信號數量；h（n）為濾波器的系數；N為濾波器的階數。

通過公式（1）能夠改善信號的信噪比，提高數據處理的精確性和效率。

采用智能分類技術，將捕獲的二次回路狀態信息精準劃分為不同文件類別，并通過主成分分析提取回路中異常信號的特征向量，如公式（2）所示。

f=WTy （2）

式中：y為經過濾波處理后的二次回路狀態參數數據向量；W為PCA的變換矩陣。

為了進一步提高故障識別的精度與效率，本文采用高斯混合模型來描述電流和電壓參數的聯合分布。針對電流參數I和電壓參數V，其聯合概率密度函數如公式（3）所示。

（3）

式中：μk為第k個高斯分量在其多維空間中的中心位置；γ為高斯分量在其多維空間中的數控；πk為從整個繼電保護二次回路狀態參數數據集中選擇第k個高斯分量作為數據生成來源的概率[9]。

當解析電流參數時，使用滑動窗口平均法來計算電流的平均水平，如公式（4）所示。

（4）

式中：C為窗口大小；I（t）為窗口內各時間點的電流值；t0為窗口起始時間。

在智能比對環節，將實時采集分析的電流參數數據與數據庫中預設的參數范圍閾值Ir進行比對。一旦發現參數值超出合理范圍，立即判定為異常狀態，并激活警告功能，通過操控指揮界面上的醒目紅色圖標直觀展示異常文件詳情，迅速吸引管理人員注意，實現故障的即時預警與處理[10]。這一整套機制能夠提高二次回路故障響應速度，確保監測過程的全面性和及時性。

4 試驗

4.1 試驗準備

為了驗證本文技術的可行性，在試驗準備階段，本文設計并搭建一個全面的試驗環境。旨在模擬實際電力系統中繼電保護二次回路的運行狀態，并通過精確的測量和監測設備來評估所提方法的有效性和準確性。試驗環境主要組件及其關鍵參數的詳細介紹見表2。

在進行試驗前，必須確保所有監測設備均經過嚴格校準，并具備高靈敏度和低誤報率，以捕捉并準確記錄回路中的任何細微變化。在試驗過程中，將安全操作作為首要原則，工作人員務必穿戴好絕緣防護裝備，與帶電區域保持安全界限，同時嚴格遵循既定操作規范。針對潛在的高電壓、大電流作業環境，必須采取雙重絕緣、隔離等措施，確保人身安全。

4.2 試驗結果及分析

為了驗證本文方法的優越性，設計并實施一系列對比試驗。試驗特別選取2種具有代表性的對比方法作為參照：對比方法1是文獻[1]智能變電站繼電保護二次回路的運行狀態監測技術，對比方法2是文獻[2]智能變電站繼電保護二次回路的運行狀態監測分析技術。試驗選取7個典型場景，涵蓋變電站運行過程中可能遇到的各種復雜工況。系統地記錄3種方法在不同場景下的監測靈敏度，對比試驗表格見表3。

根據表3的試驗結果可以看出，本文方法在各個試驗場景下均具有明顯的性能優勢，其監測靈敏度顯著超越對比方法。具體來看，在高溫高濕、強電磁干擾等極端環境下，本文方法不僅保持了高穩定性，還顯著提高了監測精度，充分證明本文方法在惡劣環境條件下的穩定性和可靠性。特別是在負載突變和長時間連續運行等關鍵測試場景中，本文方法以極高的監測靈敏度，準確捕捉了系統狀態的細微變化，充分證明本文方法在快速響應和持續監測方面的能力。在模擬回路老化和極端電壓波動等場景中，較高的監測靈敏度說明本文方法能夠有效降低因設備老化或電壓不穩定而導致的故障風險。針對部分元件故障的場景下，本文方法的高靈敏度監測為及時發現并處理故障提供了有力支持，進一步保障了變電站的整體運行安全。綜上所述，本文方法不僅在各個試驗場景下均具有較高的監測性能，而且能夠更準確地捕捉系統狀態變化，從而確保迅速且高效地應對各類復雜工況。

5 結語

本文深入探索了以開關網絡為核心的數據傳輸與監測框架的構建，成功實現了對繼電保護二次回路狀態的全方位、實時性、高精度監測，提高了電力系統的安全性和可靠性。該技術通過優化數據傳輸與處理機制，從根本上解決了傳統監測方法中普遍存在的監測精度受限、實時響應滯后以及系統架構復雜等問題。在未來的研究中，需要通過持續的技術創新和應用實踐，不斷優化和完善該技術體系。

參考文獻

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