牵引变电所二次设备故障预警系统的研究

2014-05-28张永政张毓格陈双

电气开关 2014年1期

张永政，张毓格，陈双

(1.国网辽阳供电公司，辽宁辽阳 111000;2.国网成都供电公司，四川成都 610041;3.四川省电力公司建设管理中心，四川成都 610021)

1 引言

二次设备作为牵引供电系统安全运行的重要防线之一，在保障牵引供电系统安全中的地位是不可忽视的。二次设备自身的异常或故障可能会导致牵引供电一次系统错误的运行，从而带来不可想象的损失。因此，为了提前预知事故的发生，需要建立牵引变电所二次设备的故障预警系统。本文对牵引变电所二次设备的状态监测技术进行了详细的分析，指出当前状态监测技术存在的问题，并进行了牵引变电所二次设备故障预警系统的框架设计。

2 牵引变电所二次设备状态监测技术

2.1 牵引变电所二次设备状态

牵引变电所二次设备主要包括互感器、继电保护、自动装置、故障录波、就地监控和远动等［1］。针对此类设备故障处理目前存在两个问题:①故障发生后才能处理;②大多数情况下难以明确或追踪故障的真正原因。那么，提前发现二次设备故障并进行故障预警就显得尤为重要了。

设备的故障产生、发展必然要经历一个时间的过程，有时看似偶然的故障，也必然有其内在的规律性。电气设备从安全到失效的演变过程如图1所示，包括安全、早期故障、隐藏故障和失效四种状态，其中早期故障指的是故障的初期，而隐藏故障指的是已经发生却未被发现的故障［2］。

图1 电气设备健康状态演变过程示意图

2.2 当前状态监测技术

目前，牵引变电所中还没有故障预警系统，但部分牵引供电二次设备的状态监测系统是存在的，其技术大多与电力系统状态监测技术是一致的，主要围绕以下几个方面进行:

(1)微机保护自检

微机保护装置的自检功能，可以使保护装置在运行和调试的过程中，能够发现自身的问题，并及时发出报警信号，以便在最短的时间内采取相应的措施予以修复。微机保护装置的自检功能可以发现故障并定位故障，通常检测的主要内容是CPU、IPO接口、存储器(EPROM、RAM)、输入通道(A/D转换回路、开关量输入)、输出通道(开关量输出)、开关及插件的接触情况等［3］。一般采用比较法、校验法、编码法、监视定时器法、特征字法等故障测试的方法，对保护装置可通过加载诊断程序，自动地测试每台设备和部件［4］。

(2)二次回路状态监测

虽然，继电保护装置具备自检功能，但作为牵引供电系统安全屏障的继电保护除装置本身以外，还包括交流输入、直流回路、操作控制回路等环节，即二次回路，在不增加新的投入的情况下，可以充分利用现有的测量手段对其进行监测，监测内容包括CT、PT的断线检测、直流回路绝缘监测、二次保险熔断报警等［5］。

(3)绝缘性能监测

绝缘性能下降可以引起二次设备故障，因此，对二次设备的绝缘参量进行监测是十分必要的，主要测量方法有介质损耗因数的测量，该方法可以用于电流、电压互感器设备的监测。

(4)温度的监测

电气设备出现故障就会导致电气量发生变化，电气量的改变经常会使设备某部分出现温度的改变，通过对温度的监测，可以反映很多设备的故障。该方法主要用在触头温度的监测中。

2.3 存在的问题

牵引供电系统二次设备故障预警的研究主要集中在互感器、继电保护等单一失效模式的预测上，一般采用在线监测的手段，结合设备的历史状况和运行条件，根据设备所处的客观状态，提前发现故障征兆，进行预警。

但目前对于牵引变电所二次设备状态监测的方法存在以下的几个问题:①保护自检功能不能检测所有类型的故障;②没有考虑故障间的耦合关系，可能造成对设备健康状态的误判;③设备健康评价所依据的测量信息单一;④大多监测只利用设备当前的运行值，未考虑设备的历史检测数据和本身特性(如出厂试验值)，缺乏对设备状态的全面把握。

3 二次设备故障预警系统框架研究

通过研究对牵引变电所二次设备的故障预警，利用先进的数据采集技术并获取与设备属性相关的特征参数，借助智能的算法，就可以实时的跟踪设备状态，降低故障发生的概率和风险，减少损失。

3.1 基本框架设计

在现场牵引变电所中，实时收集已有综合自动化系统进线、馈线的RTU、FTU数据信息，实时收集保护动作信息，在关键元件(互感器、馈线)加装在线监测装置，在线路接头处加装绝缘、温度监测装置，形成对牵引变电所的全面状态监测，通过收集实时在线数据，分析处理实时和历史数据，对二次设备出现的隐藏故障进行报警，形成牵引变电所二次设备的故障预警系统。

高速铁路牵引变电所二次设备故障预警系统涉及多方面的理论与技术，主要包括数据采集技术、数据处理技术、故障特征提取技术、设备状态评估技术、故障预警技术以及保障维护决策技术，完整框架设计如图2所示。

3.2 各部分具体研究内容

(1)多信息源数据采集与处理技术

对牵引变电所二次设备进行故障预警，需要考虑来自多方面的信息数据，应重点研究来自综合自动化系统、故障录波装置、数据采集与控制系统等监测数据，分析来自研究对象自身及其相邻的设备信息、断路器动作信息、保护配置信息、二次回路测量信息等(主要分析电气量U、I和开关量);研究新增的传感器监测信息，如断路器触头温度、互感器介质损耗信息等。通过对以上的多信息源数据进行归纳总结分析其特征，研究利用这些连续或离散的，空间与时间相结合的数据，采用数据分层的原则，建立故障预警及故障诊断的数据模型，多信息源数据采集系统如图3所示。

图2 牵引变电所二次设备故障预警系统示意图

图3 多信息源数据采集系统示意图

(2)设备状态评估技术

对牵引变电所二次设备的健康状态进行定义，分析其从安全运行到隐藏故障再到失效的运行机理，建立二次设备的状态评估理论体系，并制定相应的标准。该状态评估体系包括各项数据的指标权重、设备权重、评估算法、设备的评估分级等，以此对二次设备的运行状态进行全面的评估，如图4所示。

图4 二次设备状态评估体系示意图

牵引变电所中有许多的二次设备构成，因此可以采用分层的思想进行状态评估:第一层研究单个二次设备的状态评估;第二层研究由单个设备组成的牵引变电所系统的状态评估，具体的评估方法可以采用模糊判据［6］。

(3)故障预警技术

牵引变电所二次设备故障预警技术的重点应该是隐藏故障的预警问题，针对隐藏故障的识别，可以采用对比分析设备本身及与之相关联的设备所形成的关系，比如互感器的隐藏故障识别可以根据基尔霍夫电流、电压定律对各支路CT、PT二次侧电流之间的制约关系来判断;继电保护的隐藏故障，可以通过分析相邻线路之间电气量的关联以及保护动作之间的配合来判断。同时，对于隐藏故障预警问题的研究应该结合设备的历史数据进行判断，研究设备性能衰退的判断方法。

(4)保障维护决策技术

定期对设备进行维护可以提高牵引变电所二次设备的性能，延长设备的使用寿命，对系统的稳定运行起到了关键的作用。通过对设备实行状态检修，在需要维修的时候进行维修，可以有效的降低成本，但降低成本与提高系统可靠性之间存在一定的冲突，那么如何平衡两者之间的关系，就需要对维修策略进行优化［7］。

维修策略的优化既要考虑经济性，也要考虑可靠性。如图5所示，牵引变电所二次设备的维护费用和故障的损失费用之和的最小区域即是维修策略选择的区域。由系统可靠性和维修费用间的关系可以得到基于可靠性考虑的状态维修曲线，M点即是维修策略优化后的状态维修点。