雷 興，徐 楠，董志赟，盛 煒

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

變電站二次設(shè)備狀態(tài)檢修研究

雷 興，徐 楠，董志赟，盛 煒

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

分析了二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測難點，包括外回路、破壞性失效、電磁干擾和數(shù)據(jù)模型。從狀態(tài)評估角度構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測的要素：狀態(tài)量的確定與監(jiān)測方法的選擇。選取功率和溫度為模型參數(shù)，構(gòu)建電源插件老化分析模型，計算其剩余壽命。提出基于力矩特征的狀態(tài)監(jiān)測方法，監(jiān)測端子緊固程度。提出基于RUBEE/ZIGBEE技術(shù)的設(shè)備辨識和數(shù)據(jù)錄入方案，方便狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動收集、歸類。

狀態(tài)檢修；狀態(tài)監(jiān)測；數(shù)據(jù)模型；電源老化；狀態(tài)量；監(jiān)測方法

電力系統(tǒng)一次設(shè)備狀態(tài)檢修的逐步推進，特別是帶電檢測技術(shù)的應(yīng)用，因檢修而導(dǎo)致設(shè)備停電時間越來越短，客觀上將改變二次設(shè)備的檢修體制和檢修方法，促進電網(wǎng)二次設(shè)備狀態(tài)檢修的發(fā)展[1-3]?！独^電保護狀態(tài)檢修導(dǎo)則》對繼電保護基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息收集做出詳細規(guī)定，強化了運行巡視和專業(yè)巡檢，各省市公司也相繼開發(fā)繼電保護狀態(tài)檢修輔助決策(RCBM)系統(tǒng)[4]，加強狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，推進PMS2.0、OMS2.0、EMS和DMS數(shù)據(jù)的共享共通[5]。微機保護從九十年代中期推廣至今，全生命周期的運行數(shù)據(jù)已大量積累，但這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完備性和有效性都難以滿足狀態(tài)評估的要求。

針對二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測難點，本文從狀態(tài)評估角度構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測的要素；從定期檢修角度分析狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容；提出基于RUBEE/ZIGBEE技術(shù)的便攜式測試儀，方便狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動收集、歸類，克服人工收錄數(shù)據(jù)的低效率和低準確率。

1 狀態(tài)監(jiān)測的難點

電力二次設(shè)備一般由保護裝置和與之相連接的二次回路兩個部分組成。微機型保護裝置具備自我檢測，可實現(xiàn)對逆變電源、A/D系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采樣分析、保護定值完整性、開入開出接點狀態(tài)、保護數(shù)據(jù)通信狀態(tài)、控制回路斷線等情況的自我監(jiān)測?，F(xiàn)有的測量手段已可以監(jiān)測外回路的部分內(nèi)容，如用直流回路的絕緣監(jiān)測。

1.1 外回路

從歷年來的故障及缺陷記錄可以發(fā)現(xiàn)，由于外回路造成保護裝置不正常動作的例子屢見不鮮。而由于繼電保護本身故障所引起的情況反而相對較少，例如繼電保護參數(shù)設(shè)置錯誤、電源插件異常等。

與保護裝置相連接的有數(shù)量眾多的交流電流電壓回路、直流控制回路和信號回路。這些二次回路是由若干繼電器和連接各個設(shè)備的電纜所組成，點多、分散、接線繁雜，很難在線監(jiān)測繼電器觸點的狀況、回路接線的正確性和連通性，也不經(jīng)濟，這是二次設(shè)備未能有效地推進狀態(tài)檢修的主要原因。因此，應(yīng)著重解決外回路的狀態(tài)監(jiān)測，提升其狀態(tài)檢修內(nèi)容的比重，有針對性的實現(xiàn)重要項目和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的狀態(tài)監(jiān)測。

1.2 破壞性失效

電子元器件的失效為破壞性失效與老化性失效共存。設(shè)備可劃分為3個狀態(tài)，即正常工作、潛在故障、功能故障。老化失效有較長潛在故障狀態(tài)，便于監(jiān)測和采取維修措施防止功能故障的發(fā)生；而破壞性失效具有突發(fā)性，對于單個電子元件，其潛在故障狀態(tài)非常短，進行預(yù)防維修難度較大，失效檢測較為困難。

電子元器件的失效原因主要可以分為固有缺陷引起的失效及使用問題引起的失效。電子元器件的固有缺陷往往具有家族性，在檢修過程中發(fā)現(xiàn)后有必要考慮進行整批次更換，目前工作中較為重視家族性缺陷統(tǒng)計。首檢時并未建立完善的數(shù)據(jù)庫以方便后期跟蹤，更多的是后期人為排查。使用過程中的一些問題也會導(dǎo)致電子元器件的失效，例如機械過應(yīng)力、過電應(yīng)力、靜電損傷以及選型不當(dāng)、設(shè)計不當(dāng)、操作不當(dāng)?shù)纫蛩?，目前缺乏這方面的研究。

1.3 電磁干擾

由于大量微電子元件、集成電路在二次設(shè)備中廣泛應(yīng)用，二次設(shè)備對電磁干擾越來越敏感，容易受到電磁干擾。電磁干擾會使二次設(shè)備采樣信號失真、裝置異常、保護誤動或拒動，甚至使元件損壞。

國際電工委員會(IEC)及國內(nèi)有關(guān)部門對繼電保護制定了電磁兼容(EMC)標準。目前在國內(nèi)，對電磁的監(jiān)測、管理還沒有納入檢測范圍，也沒有合適的監(jiān)測手段。對二次設(shè)備進行電磁兼容性試驗是二次設(shè)備狀態(tài)檢修的一項重要工作。要對不同發(fā)電廠及變電站的干擾源、耦合途徑、敏感器件進行監(jiān)測和管理，諸如對二次設(shè)備接地狀況檢查；微機保護裝置附近使用移動通訊設(shè)備的管理等。

1.4 數(shù)據(jù)模型

在沒有建立完整的二次設(shè)備模型情況下，所有監(jiān)測的信息不能實現(xiàn)有效的關(guān)聯(lián)識別[5]，無法滿足綜合化、智能化應(yīng)用的需要。因此，對于二次設(shè)備的實時狀態(tài)監(jiān)測，需要及時維護二次設(shè)備的模型數(shù)據(jù)，保證二次設(shè)備模型的一致性，對于不符合模型配置要求的信息，給出綜合的分析判斷及警告。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)基于PMS生產(chǎn)管理人員的業(yè)務(wù)需要來統(tǒng)一建模，實現(xiàn)各類狀態(tài)監(jiān)測信息與PMS已有信息的高度融合和集成化展現(xiàn)。一、二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測信息應(yīng)形成一個設(shè)備狀態(tài)全景信息平臺，提供給交互的用戶。

2 狀態(tài)監(jiān)測的要素

狀態(tài)監(jiān)測是辨識基于設(shè)備及過程特征估計的狀態(tài)特性改變量的活動，包括三部分：信號拾取、信號處理和監(jiān)測決策。信號處理和監(jiān)測決策是一個集成的整體，稱之為監(jiān)測方法。因此，狀態(tài)監(jiān)測的要素為：(1)信號拾取的對象——關(guān)鍵參數(shù)，能反映狀態(tài)特性改變；(2)監(jiān)測方法，最簡單的就是辨識兩類過程狀態(tài)(正常和異常狀態(tài))的方法。如使用一個傳感器信號，可按如下條件描述：如果y

2.1 狀態(tài)量的確定

根據(jù)繼電保護設(shè)備缺陷、故障的性質(zhì)和概率統(tǒng)計分析，借鑒以往發(fā)現(xiàn)、處理缺陷和故障的方法、數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，通過狀態(tài)量的表述方式，以現(xiàn)有的運行巡視、定期停役檢修或帶電檢測、在線監(jiān)測等技術(shù)手段獲取狀態(tài)信息，為狀態(tài)評價依據(jù)。狀態(tài)量的選取，必須兼顧可靠有效和經(jīng)濟實用。

2.2 基于模型的監(jiān)測方法

描述線性時不變系統(tǒng)的各類模型中，動態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)方法(DDS)對很多設(shè)備及過程的監(jiān)測非常有效。根據(jù)DDS方法的理論，過程可以由ARMA模型來近似。

基于模型的方法有兩個明顯的局限：首先，許多設(shè)備及過程是非線性的時變系統(tǒng)。其次，傳感器的信號依賴于過程的工作條件，常常很難辨識一個傳感器信號的改變量是由過程工作條件改變引起的還是由過程本身的衰變引起的。

2.3 基于特征的監(jiān)測方法

基于特征的監(jiān)測方法是使用傳感器信號的適當(dāng)特征(也稱作監(jiān)測指數(shù))來辨識設(shè)備及過程狀態(tài)，如圖1所示。這些特征可能是傳感器信號的時域或頻域特征，如均值、方差、偏斜度、峭度、特定頻帶功率等。推薦使用的是歸一化指數(shù)，即監(jiān)測指數(shù)獨立于物理單位。監(jiān)測指數(shù)應(yīng)能：(1)對過程健康狀況靈敏；(2)對過程工作條件不靈敏；(3)實現(xiàn)成本經(jīng)濟。

基于特征的方法包括兩個階段：學(xué)習(xí)和分類。學(xué)習(xí)也稱作訓(xùn)練，就是建立關(guān)系式的過程。有兩種類型的學(xué)習(xí)方法：從樣本中學(xué)習(xí)和從指令中學(xué)習(xí)。對許多設(shè)備及過程的監(jiān)測而言，從樣本中學(xué)習(xí)常常更為有效。在狀態(tài)分類階段，基于關(guān)系式和新的樣本所估計的過程狀態(tài)來辨識。

圖1 設(shè)備及過程狀態(tài)監(jiān)測的通用模型

3 電源插件老化狀態(tài)監(jiān)測

各類保護裝置逆變電源插件均為外購件，難以對元器件進行優(yōu)劣篩選；電源芯片為進口產(chǎn)品，存在同一批次問題。傳統(tǒng)的電源劣化狀態(tài)分析側(cè)重于脫機、非實時數(shù)據(jù)分析，電源剩余使用壽命側(cè)重于離線、統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析方法為宏觀概率問題，方便發(fā)現(xiàn)家族性缺陷，但微觀上對單個插件沒有指導(dǎo)意義，即無法明確哪個需要修、何時修。

研究電源系統(tǒng)剩余使用壽命動態(tài)在線監(jiān)測方法，對電源的劣化過程非線性時變行為建模，用行為性、解析性建模方法替代傳統(tǒng)離線統(tǒng)計分析方法，并在線獲取劣化非線性時變狀態(tài)及其關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)變劣化狀態(tài)的在線可測[6]。

3.1 模型參數(shù)

統(tǒng)計表明開關(guān)電源故障大多是因其電解電容故障引起的，因為在開關(guān)電源產(chǎn)品中，除電解電容以外的其他元件只出現(xiàn)偶發(fā)故障，電解電容由于化學(xué)變化，會發(fā)生損耗性故障。電解電容的壽命一般依據(jù)“十度法則”確定，即溫度每降低10℃，壽命將增大1倍。為此在開關(guān)電源內(nèi)部靠近電解電容附近裝設(shè)測溫元件，實時檢測開關(guān)電源溫度，繪制該保護自投運以來的溫度曲線，結(jié)合開關(guān)電源的累計工作時間就能夠大致推算出開關(guān)電源的壽命[3]。

輸出電壓、電流是反映電源質(zhì)量最重要的參數(shù)，輸出電壓或電流的變化趨勢能夠在一定程度上反映電源模塊的老化狀態(tài)，輸出紋波能夠有效地反映電源內(nèi)部的濾波效果和元器件工作狀態(tài)，輸入、輸出電阻反映電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)，電源的功耗一定程度反映了其老化程度[7]。因此，本文選取溫度和功率作為模型參數(shù)。

3.2 剩余壽命計算模型

通過對系統(tǒng)壽命周期內(nèi)所承受的全部載荷(溫度和功率)分析，評估系統(tǒng)的累積損傷程度，并估算系統(tǒng)的剩余使用壽命。

假設(shè)已工作天數(shù)為 1，則累積損傷百分比的倒數(shù)就是總失效前的時間；再用總失效前的時間減去已工作的時間就是剩余壽命。計算任一時間點處的剩余壽命為：

(1)

式中RLN——第N天時的剩余壽命；DRN——第N天時的累積損傷百分比。

由Palmgren-Miner線性損傷積累理論獲得：不同應(yīng)力條件下的累積損傷百分比可以表示為在該應(yīng)力條件下產(chǎn)品的實際工作時間與該應(yīng)力條件下產(chǎn)品預(yù)測的失效時間的比值：

(2)

式中DR——產(chǎn)品在n個不同應(yīng)力條件下工作后的累積損傷百分比；t——根據(jù)失效物理模型預(yù)測的產(chǎn)品在不同應(yīng)力條件下的總失效前的時間；Δt——產(chǎn)品在某一應(yīng)力條件下的實際工作時間。

在一個特定天數(shù)的剩余壽命還可以通過從前一天預(yù)測得到的剩余壽命中減去在該天中消耗的壽命獲得，該方法充分利用了迭代方程來獲得剩余壽命。對于特定天數(shù)的剩余壽命的計算可以認為該天的失效前的總壽命與前一天的失效前的總壽命是相同的。表達式如下：

RLN=RLN-1-DRN×TLN-1

(3)

式中RLN——第N天時的剩余壽命；TLN-1為第(N-1)天時預(yù)測的產(chǎn)品失效前的總壽命；RLN-1——第(N-1)天的剩余壽命；DRN——累積損傷百分比。

4 端子緊固狀態(tài)監(jiān)測

4.1 特征參數(shù)

二次設(shè)備的保護裝置屏內(nèi)、就地端子箱內(nèi)都有大量的端子，定期檢修的一個常規(guī)的項目就是緊線。端子松動的原因主要包括由于熱脹冷縮等原因?qū)е碌睦匣蓜印⒄饎拥仍驅(qū)е碌耐饬λ蓜?，均難以建模來分析。

本文提出基于特征的狀態(tài)監(jiān)測方法，即通過分析對比最佳緊固力矩、測量力矩、臨界緊固力矩的關(guān)系來判斷檢修的時點。

常用的計算螺紋緊固件擰緊力矩的公式為：

T=D×K×P

(4)

式中T——力矩；D——螺紋的外徑；K——螺母的摩擦系數(shù)；P——夾緊力。

最佳緊固力矩Tz、臨界緊固力矩Tl由端子的金屬材質(zhì)、設(shè)計尺寸等因素決定，可由廠家提供。測量力矩Tc通過智能緊固工具測量得出。

4.2 統(tǒng)計方法

設(shè)計具有測量力矩的緊固工具來采集數(shù)據(jù)，根據(jù)端子型號、間隔的設(shè)計規(guī)格和特征進行分類統(tǒng)計分析，定量評估端子松動水平。

經(jīng)過一段時間t1后，測量力矩為Tc，根據(jù)式(5)求取達到臨界緊固力矩的時間t2，即剩余時間：

(Tz-Tc)/t1=m×(Tc-Tl)/t2

(5)

式中m——系數(shù)，可通過兩次測量力矩的值分析計算。

根據(jù)采集的大量t2數(shù)據(jù)進行分析：從t2時間的離散度可以評估端子排的質(zhì)量，離散度越低則質(zhì)量越好。

5 基于RuBee/ZigBee技術(shù)的自動錄入數(shù)據(jù)方案

傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測是通過人工定期診斷來完成的，但是更多品類的傳感器、更完善的自動監(jiān)測系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，如RuBee/ZigBee技術(shù)，將極大的促進狀態(tài)監(jiān)測自動化解決方案的發(fā)展。選擇狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時需要重點考量的因素有兩個，首先是數(shù)據(jù)管理，包括使用正確的數(shù)據(jù)架構(gòu)、實現(xiàn)自動錄入數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫是否易于挖掘數(shù)據(jù)；其次就是系統(tǒng)管理，特別是在數(shù)據(jù)積累越來越多的情況下，遠程管理大量檢測系統(tǒng)有助于提高整體解決方案的可靠性、可維護性及可用性。

數(shù)據(jù)管理的主要任務(wù)是建立完善的數(shù)據(jù)體系，包括“靜態(tài)數(shù)據(jù)”和“動態(tài)數(shù)據(jù)”。靜態(tài)數(shù)據(jù)描述了設(shè)備的固有特性，比如生產(chǎn)廠家、出廠試驗數(shù)據(jù)、銘牌數(shù)據(jù)等。動態(tài)數(shù)據(jù)描述了設(shè)備的實時狀態(tài)，比如定期試驗數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、色譜抽樣數(shù)據(jù)、過電壓情況、線路故障情況等。

5.1 基于RuBee技術(shù)進行辨識

RuBee(IEEE Std 1902.1-2009)是一種新型電子標識技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向、非接觸、點對點傳輸，并且工作頻率小于450 kHz，數(shù)據(jù)處理速率達到300～9 600bit/s。目前RuBee已商業(yè)化應(yīng)用，包括醫(yī)院的高價值醫(yī)療設(shè)備的智能貨架，用于庫存追蹤的智能商店。RuBee的優(yōu)勢如下：(1)電池壽命長；一顆標準的鋰電池即可讓RuBee設(shè)備運作超過10年以上；(2)標簽可編程。在讀取的同時，也能進行寫入的動作；(3)傳輸距離遠。搭配特定的天線，RuBee最大傳輸涵蓋范圍可達900 m2以上；(4)抗干擾且傳輸安全。適用于惡劣環(huán)境下，比如水的附近，甚至是電磁噪音干擾嚴重的環(huán)境中。

RuBee的低速特性使其無法追蹤移動中的物品，而變電站二次設(shè)備均為靜止設(shè)備，使用不受限制。RuBee系統(tǒng)由讀寫器(Reader)、標簽(TAG)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 標識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RuBee標簽是RuBee系統(tǒng)的載體，由于自供電，需要自動調(diào)節(jié)狀態(tài)來省電。標簽被設(shè)定為sleep(休眠)狀態(tài)和listen(偵聽)狀態(tài)，如圖3所示。當(dāng)標簽處于sleep狀態(tài)時，在固定周期間隔內(nèi)檢測是否有有效載波；如果檢測到有效載波(131 kHz)，則進入listen狀態(tài)；當(dāng)標簽處于listen狀態(tài)時，時刻準備接受命令和回復(fù)命令；若一定時間間隔內(nèi)，沒有檢測到有效載波，則標簽重新進入sleep狀態(tài)。

圖3 電子標簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意

5.2 基于ZigBee技術(shù)錄入數(shù)據(jù)

由于資金或技術(shù)原因不能安裝在線監(jiān)測裝置的設(shè)備，只能靠巡視、檢查、試驗建立狀態(tài)履歷表(EXCL數(shù)據(jù)表格)來統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)。狀態(tài)履歷表應(yīng)當(dāng)包含設(shè)備的參數(shù)、運行時間、設(shè)備的定級、所在間隔、類別、電壓等級、生產(chǎn)廠家、大修日期、最近的預(yù)試時間、近期設(shè)備存在的問題、設(shè)備的維修記錄等。

基于ZigBee技術(shù)的便攜式繼保測試儀，采用RuBee技術(shù)辨識保護裝置，通過ZigBee服務(wù)器下載上一次校驗設(shè)置信息，對比最新定值單進行修改，然后利用測試儀順序控制來實現(xiàn)一鍵校驗功能，并自動生成報告，將所需現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)上傳回服務(wù)器?；赗uBee/ZigBee技術(shù)的便攜式裝置將是在線監(jiān)測的的延伸和補充。比對當(dāng)前的試驗數(shù)據(jù)與歷史試驗數(shù)據(jù)或同類設(shè)備試驗數(shù)據(jù)，并可查詢被試設(shè)備的運行工況、缺陷信息等資料。

電網(wǎng)中的繼電保護用量激增，檢修工作量呈幾何數(shù)狀態(tài)增加，同時許多線路不能停電或者窗口時間短，從而形成了繼電保護的檢驗完成率較低，試驗數(shù)據(jù)的完整性差；繼電保護技術(shù)人員多數(shù)是事后補寫報告，數(shù)據(jù)的真實性不高?；赗uBee/ZigBee技術(shù)的便攜式裝置在試驗的同時記錄數(shù)據(jù)，且不能修改，保證了數(shù)據(jù)的真實、試驗項目的完整，將有利于改變注重定性評估、缺少定量評估的現(xiàn)狀。

6 結(jié)語

狀態(tài)監(jiān)測是狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)，是狀態(tài)評估的前提；狀態(tài)評估是狀態(tài)檢修的關(guān)鍵，是檢修決策的根本；檢修決策是狀態(tài)檢修的核心，是實施檢修的依據(jù)。狀態(tài)監(jiān)測需要健全的設(shè)備管理體制、完善的檢修質(zhì)量管理體系、齊全的設(shè)備管理臺帳以及先進的監(jiān)測手段和記錄功能。

繼電保護狀態(tài)檢修減少了設(shè)備的停電時間，降低了設(shè)備的運維檢修成本，提高了設(shè)備的可用率和供電的可靠性，是二次專業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的必然選擇。國家電網(wǎng)已開展了狀態(tài)檢修模式的探索，但由于繼電保護的復(fù)雜性和重要性，目前離實用化尚有一定的距離。本文僅初步探索了電源插件老化狀態(tài)監(jiān)測和端子緊固狀態(tài)監(jiān)測，提出了基于RuBee/ZigBee技術(shù)的設(shè)備辨識和數(shù)據(jù)錄入方案，還有大量問題需要進一步攻克。

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(本文編輯：嚴 加)

Condition Monitoring of Secondary Equipments in Substations

LEI Xing, XU Nan, DONG Zhi-yun, SHEN Wei

(State Grid Inspection & Maintenance Company, SMEPC, Shanghai 201204, China)

The difficulties in the condition monitoring of secondary equipments are analyzed, including the outer loop, destructive failure, electromagnetic interference and data model. Factors of condition monitoring are built from the perspective of state evaluation: the determination of state variables and the selection of monitoring methods. The power and temperature are selected as the model parameters, and the model of the power plug aging analysis is built, in order to calculate the remaining life. A condition monitoring method based on torque characteristics is proposed in order to monitor tightening degree of terminal board. Finally, the equipment identification and data entry scheme based on RUBEE/ZIGBEE technologies is proposed, which is convenient for the automatic collection and classification of the data.

condition-based maintenance; condition monitoring; data model; power aging; state variable; monitoring method

10.11973/dlyny201606006

雷 興(1980)，男，博士，工程師，主要從事超高壓繼電保護自動化工作。

TM63；TM77

A

2095-1256(2016)06-0690-05

2016-10-15