鄭建欣，呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術學院 自動化工程學院，河南 南陽 473009）

1 變電站二次系統(tǒng)

在電力系統(tǒng)中，將直接參與發(fā)、輸、變、配電能的電氣一次設備，如發(fā)電機、變壓器、電力電纜、輸電線、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器及其相互連接的電氣回路稱為一次系統(tǒng)。

變電站二次系統(tǒng)是相對一次系統(tǒng)而言的，由二次設備及其相互連接的電氣回路構成，是對一次系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制、調節(jié)和保護的系統(tǒng)。

2 缺陷概述

任何設備都不可能完全避免缺陷的存在，關鍵在于缺陷能否被及時地檢測和處理，或以某種方式防范以維持設備的健康狀態(tài)，變電站二次系統(tǒng)也不例外。在實際運行過程中，值班人員發(fā)現(xiàn)缺陷時只看到了現(xiàn)象，并不能反映缺陷的本質。因此，檢修人員在消除缺陷后有必要對缺陷重新定性，規(guī)范缺陷術語，包括缺陷部位、原因、責任單位、消除缺陷方式等。只有這樣才能真正掌握設備運行規(guī)律，科學購置備品備件，客觀評價設備運行質量，優(yōu)化維護策略。

2.1 基本概念

繼電保護危急缺陷為直接影響主保護功能或導致保護誤動作的缺陷，重要缺陷為影響保護功能的缺陷，一般缺陷為影響保護輔助功能的缺陷。

2.2 缺陷術語

2.2.1 缺陷部位

變電站二次系統(tǒng)是由裝置本體和二次回路構成的系統(tǒng)，其中裝置本體由大量微電子元器件、高集成電路組成，二次回路由空氣開關、切換把手、按鈕、壓板、密封繼電器、控制電纜組成。各個模塊和器件之間沒有冗余，從可靠性模型來看，是一個串聯(lián)模型。任何一個模塊失效，都會引起繼電保護故障。此外，線路縱聯(lián)保護還包括通道相關設備。

檢修人員在檢修設備時要填寫缺陷記錄。當缺陷記錄的樣本積累到一定數(shù)量后，可以統(tǒng)計繼電保護系統(tǒng)各個部件損壞的比率。這是運行維護部門編制備品備件采購策略的依據(jù)，在實際檢修作業(yè)過程中可更多關注薄弱環(huán)節(jié)，同時對制造廠家改進裝置性能也有參考價值。

2.2.2 缺陷原因

根據(jù)零部件材質特性和統(tǒng)計分析結果，二次系統(tǒng)缺陷主要可分為偶發(fā)性缺陷、老化性缺陷和先天性缺陷。

偶發(fā)性缺陷是指非常方式下偶爾出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，因為其觸發(fā)條件不可預測，故障現(xiàn)象也不能長時間保持，一般難以通過給定外部條件使故障再現(xiàn)，故障發(fā)生的時機難以捕捉。我們常把偶發(fā)性缺陷稱為內傷或隱性故障。一般要通過全程連續(xù)跟蹤方式捕捉異常過程，或通過原理分析、理論推測等比較理性的手段來排查故障原因，并通過重復實驗長期監(jiān)測的方式來驗證故障處理效果。偶發(fā)性缺陷的發(fā)生具有隨機性、突變性，故障前沒有明顯的征兆，不可預見，比較典型的是存儲器、CPU和A／D轉換器等器件的失效。

偶發(fā)性缺陷往往由外界惡劣環(huán)境，如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、振動引起，或器件本身的質量問題導致，如EEPROM出錯。偶發(fā)性缺陷有些是可逆的，在外界環(huán)境恢復常態(tài)后，缺陷隨之消失，有些是永久性的，直接導致元器件損壞。偶發(fā)性缺陷發(fā)生概率與運行環(huán)境有關，與運行時間無關。在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中偶發(fā)性缺陷越來越頻繁出現(xiàn)，因為監(jiān)控技術應用的不平衡性，有些新型的自動化產品不夠成熟，使監(jiān)控缺陷數(shù)量居高不下，缺陷特性呈現(xiàn)復雜性和偶發(fā)性，給故障的排查和處理帶來不小的難度。

老化性缺陷的發(fā)生具有漸變性，故障前持續(xù)時間較長。逆變電源、出口繼電線圈或觸點、液晶顯示屏、控制電纜等部件均易發(fā)生老化性缺陷。老化性失效是由老化或疲勞引起性能或特性逐漸劣化，到一定程度后引起故障，如直流接地。老化性缺陷發(fā)生概率與運行環(huán)境、運行時間都有關系。處于某些惡劣條件下，如高溫環(huán)境，或運行時間接近設計壽命時，老化性缺陷會明顯增多。

先天性缺陷的發(fā)生具有漸變性，故障前持續(xù)時間較長，其誘因在投運前存在，發(fā)生在投運過程中，容易被誤認為偶發(fā)性缺陷。大部分先天性缺陷由器件選型不當、制造工藝不當、回路設計不當和使用不當?shù)纫蛩匾?，如軟件存在BUG、芯片脫焊、接線錯誤等。先天性故障發(fā)生概率和繼電保護材質、工藝、設計、安裝、調試質量相關。制造廠家的質量控制水平不同，其生產的保護裝置先天性缺陷率也存在明顯差異。

檢修人員在填寫缺陷記錄時，缺陷原因可選擇元器件損壞、回路松動、接觸不良、性能老化、原理缺陷、參數(shù)設置錯誤、接線錯誤、運行操作不當、電纜絕緣不良、絕緣子受潮、版本錯誤、環(huán)境異常、外界干擾、通道中斷、反措施未實施、其他。

2.2.3 缺陷責任單位

從全壽命周期的角度，二次系統(tǒng)質量保證和控制涵蓋制造階段、建設階段和運維階段。制造階段的責任單位主要涉及保護裝置的生產廠家，建設階段的責任單位涉及設計院、送變電等設計、施工、調試單位，運維階段的責任單位涉及調度、運檢、信通等單位和部門。確定缺陷責任單位的主要目的并非追究責任，而是督促相關單位分析原因，制定對策。

3 缺陷診斷技術

電力設備缺陷診斷技術大致經歷了3個階段。

1）停電試驗階段。這個階段始于20世紀50年代，主要是一些普遍的預防性方法，這些試驗方法對電力設備的安全運行有積極作用。

2）帶電測試階段。這一階段始于20世紀70年代，當時帶電測試這一方法僅僅是為了在不停電情況下對電力設備直接測量，主要是對泄漏電流及介質損耗因數(shù)進行處理。因此，測量的項目較少，應用范圍較窄。

3）在線監(jiān)測階段。這一階段始于20世紀90年代，隨著現(xiàn)代計算機技術和數(shù)字信號采集技術的發(fā)展，在線監(jiān)測技術向更高層次發(fā)展。

缺陷發(fā)生主體的不同及缺陷現(xiàn)象的差異會造成缺陷診斷方法的不同，比如，裝置告警、閉鎖等類型的缺陷可通過微機保護裝置的自檢技術診斷；自動化系統(tǒng)發(fā)生的缺陷可以通過抓取報文，對報文分析解讀進行診斷；二次回路發(fā)生的缺陷，可以通過各種離線或在線的檢測技術診斷。

3.1 微機保護裝置自檢技術

微機保護裝置通常可分為模擬量采集系統(tǒng)、微機處理系統(tǒng)、開關量輸入／輸出系統(tǒng)、人機界面、電源系統(tǒng)等間隔部分。保護裝置中的微處理器可對大部分電子元器件進行檢測，發(fā)現(xiàn)器件異常可及時報警，即微機保護裝置自檢技術，主要包括看門狗自檢、CPU及存儲器自檢、開關量及采集系統(tǒng)自檢等方式。

3.2 報文分析技術

獲取通信報文的過程常稱為抓包，報文分析技術是通過對監(jiān)控系統(tǒng)通信接口進行報文抓包、報文分析的一種缺陷診斷技術。常用的工具軟件有Windows下的mms-ethereal、WireShark和Solaris下的snoop命令。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)設備串口通信方式主要是RS－485（或RS－422）與RS－232接口。RS－485通信接口主要用于間隔層測控裝置、保護裝置與站控層總控單元、主機之間的數(shù)據(jù)傳輸，大多應用《遠動設備及系統(tǒng) 第5部分：傳輸規(guī)約 第103篇：繼電保護設備信息接口配套標準》（DL／T 667—1999／IEC 60870－5－103：1997）規(guī)約；RS－232通信接口主要用于遠動裝置與主站端前置機之間的數(shù)據(jù)傳輸，大多應用《遠動設備及系統(tǒng) 第5－101部分：傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準》（DL／T 634.5101—2002／IEC 608－70－5－101：2002）規(guī)約。

變電站間隔層保護測控裝置一般都具備RS－485接口與DL／T 667規(guī)約通信功能，通信的電信號一般可以通過并接的方式直接監(jiān)聽。如果報文記錄分析設備只適用RS－232接口，則需要經過RS－485／RS－232轉換器進行接口轉換。

變電站與主站之間的遠動數(shù)據(jù)串口傳輸是基于RS－232接口的全雙工方式，主要采用CDT規(guī)約、DL／T 634.5101—2002規(guī)約。遠動通信在線監(jiān)測必須同時獲取收發(fā)兩個方向的信息才能完整記錄數(shù)據(jù)通信的全過程。

以太網通過交換機或集線器連接，交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層，實質上是一個多端口的網橋，每個端口都直接與主機相連，采用TCP／IP通信時，每一個通信端口獨立傳輸數(shù)據(jù)，獨占通信通道，其他端口不一定能檢測到通信信號。但是，如果傳輸層采用UDP協(xié)議以廣播和多播方式傳輸數(shù)據(jù)時，其他RJ45端口也能監(jiān)測到通信信號，數(shù)據(jù)通信實時監(jiān)聽工具可以直接監(jiān)聽。

3.3 二次系統(tǒng)帶電檢測技術

帶電檢測技術主要針對狀態(tài)檢修模式，變電站集中停電檢修的機會越來越少，通過帶電檢測，對設備運行時異常發(fā)熱、二次負載開展定期檢測，對中低壓微機保護開展帶負荷開關傳動試驗，主要包括紅外測溫技術、電流互感器二次負載離線檢測技術、中低壓微機保護帶電整組傳動試驗。

紅外測溫技術主要利用設備的熱故障點來發(fā)現(xiàn)缺陷，這種二次系統(tǒng)中的異常發(fā)熱一般是螺絲虛接造成電阻增大而導致的。

電流互感器二次負載離線檢測一般結合二次設備巡檢開展。通過高精度鉗形電流表、高阻電壓表分別測保護二次負荷電流、電流互感器輸出端二次電壓，計算得到電流互感器的二次負載，正常情況下，保護三相電流互感器二次負載應基本平衡，與投產時的二次負載比對，能較快發(fā)現(xiàn)回路中是否存在負載過大等問題。

中低壓微機保護帶電整組傳動試驗是通過校驗裝置直接在運行的電流端子上加交流電流，即在負荷電流上疊加一個試驗電流，令進入保護裝置的二次電流達到保護動作規(guī)定值動作一次，然后利用保護裝置本身的重合閘功能將開關合上，以達到對二次回路中的跳閘、合閘回路檢驗。

3.4 智能診斷技術

微機保護裝置作為智能裝置，不僅能檢測裝置內部的元器件故障，還能發(fā)現(xiàn)外部二次回路的一些不正?，F(xiàn)象。裝置內部的元器件故障可以通過幾個特征來診斷，診斷出故障元件后，故障位置也可確定，解決問題的措施也隨即確定。

智能診斷技術提供了一種基于層次分析法的故障排查優(yōu)化方法，以提高故障排查的快速性與可靠性，包括電流互感器異常的診斷與電壓互感器回路異常的診斷。

4 變電站二次系統(tǒng)典型缺陷

4.1 變電站繼電保護和自動裝置及其二次回路典型故障和缺陷

根據(jù)缺陷發(fā)生部位和發(fā)生原理不同，變電站繼電保護和自動裝置及其二次回路常見的故障主要為直流系統(tǒng)異常、故障，二次接線異常、故障，電流互感器、電壓互感器等異常及故障，繼電保護和安全自動裝置異常及故障等。

根據(jù)缺陷發(fā)生部位及現(xiàn)象的不同，繼電保護和自動裝置及其二次回路典型缺陷可分為裝置本體缺陷、二次回路引起的缺陷、通道加工設備故障引起的缺陷。

4.2 變電站監(jiān)控系統(tǒng)缺陷

根據(jù)功能及缺陷發(fā)生部位的不同，監(jiān)控系統(tǒng)典型缺陷主要分為以下幾類：

間隔層測控裝置的典型缺陷，如遙測采集異常、控制回路異常、同期功能異常、間隔層閉鎖異常等；

人機工作站典型缺陷；

遠動通信工作站典型缺陷；

監(jiān)控系統(tǒng)外圍設備缺陷。

4.3 變電站直流系統(tǒng)缺陷

根據(jù)缺陷發(fā)生部位及現(xiàn)象的不同，直流系統(tǒng)的典型缺陷主要分為：逆止二極管散熱套件缺陷、監(jiān)控器至充電模塊的通信線缺陷、接地巡檢儀主機電源模塊故障、放電電流傳感器故障、遠方通信光電轉換器損壞、直流系統(tǒng)壓硅鏈控制板損壞、接件端子氧化、交流接觸器故障。

5 電力系統(tǒng)故障診斷發(fā)展趨勢

隨著電網建設的發(fā)展、計算機技術和網絡技術以及數(shù)學和智能科學理論的發(fā)展，不斷有新的電網故障診斷方法出現(xiàn)，從電力系統(tǒng)故障診斷理論與方法研究和應用的深度廣度可以清晰看到，其研究仍停留在理論和模型的探索階段，基本上沒有成型的實用系統(tǒng)，實用化方面一直沒有太大的發(fā)展。從文獻來看，電網故障診斷系統(tǒng)大多依托于調度端或變電站，分別利用調度SCADA系統(tǒng)的實時信息或站內綜合自動化系統(tǒng)收集的信息來實現(xiàn)。隨著計算機及網絡技術的發(fā)展，以及故障錄波專用網絡的建設，發(fā)展了基于故障錄波信息的故障診斷系統(tǒng)。此系統(tǒng)的建設將諸多信息孤島納入系統(tǒng)中，對故障后所有相關信息，如保護裝置信息、錄波器信息、雷電定位信息、監(jiān)控裝置信息等，進行采集、傳輸、存儲和處理，為電網故障處理提供了信息支持。這些信息為新的電網故障診斷方法提供了基礎，拓展了電網故障診斷的研究方向。因此，在電網故障診斷理論的實用化過程中，必須充分重視信息的收集與整理工作，包括用于故障診斷的數(shù)據(jù)倉庫構建、故障綜合信息的預處理和診斷知識的提取等。

為更好地研究電力系統(tǒng)故障診斷問題，應重點開展以下五方面的工作：信息不完整情況下的電力系統(tǒng)故障診斷方法研究；融合多種智能技術的綜合電力系統(tǒng)故障診斷方法研究；基于MAS的診斷方法研究；電力系統(tǒng)健康診斷研究；電力系統(tǒng)故障診斷的實用化研究。

電力系統(tǒng)故障診斷是關系電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要問題，從20世紀80年代起已經開展了大量的研究工作，提出多種故障診斷技術和方法，但實際系統(tǒng)中該問題并未完全解決。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大，結構更加復雜，對電力系統(tǒng)故障診斷提出了更高的要求。