继电保护自动化中的装置及其故障检修策略
王奎
兴安新正电工技术服务有限公司
摘要：继电保护装置作为电网的核心设备，对电网的安全稳定运行起着关键作用。研发高性能、高可靠性国产化芯片，开展继电保护核心元器件国产化，已成为国家电网公司的发展战略。本文分析了继电保护自动化装置，研究了继电保护装置核心部件的性能指标参数和性能；结合继电保护装置的运行环境，分析了温度、湿度、电磁干扰等影响因素，提出了科学的继电器故障检修策略。
关键词：继电保护；自动化；故障检修
引言：继电保护装置在电网公司得到了广泛的应用，所以为了保证相关单位在使用这些装置时的安全性，必须要对继电保护自动化装置进行仔细地分析，设计合理的故障检修手段，避免危险事故地发生，保障工作人员的生命安全和周边居民的财产安全。
一、设计合理的故障检修周期
对继电器进行故障维修时可以采取继电保护装置的状态维护方法，此方法与传统的维护相比有很大的优势。一是避免了因不能及时维修而造成的故障，减少了售后维修的工作量；第二，可以避免不必要的维修造成的过度维修，降低维修总成本。实施状态维修的核心是确定最优维修周期，继电保护装置的维护周期是指相邻两个故障日期之间的无故障运行时间，而确定最优维修周期的核心是确定设备故障率函数。为了设立最优周期，一般可以采用威布尔分布模型进行分析。威布尔分布是广泛应用于各种类型的断层分布的数据处理，主要适用于机电的累积磨损故障的建模复杂的设备，我们使用威布尔分布模型便可以得到最优的维护周期。具体来说，首先要分析维修周期数据，假设并建立分布模型，采用最小二乘法结合遗传算法估计威布尔分布的参数。然后，利用MATLAB确定设备故障率函数。最后，利用模糊决策方法确定设备的最佳维修周期。根据最优维修周期，可以制定更合适的状态维修策略，有效地支持状态维修工作。
例如深圳一家继电器厂商，本文使用的数据来自这家厂商的200个继电保护装置。这些设备于2008年4月全部投入使用。所有数据均为2008年4月至2021年4月13年的维护周期。由于这些继电保护装置比较复杂，所以计算出合理的故障率函数来预测故障率和进行故障检修是至关重要的，这需要得到概率密度函数图，再根据图中趋势并结合最小二乘法进行估计计算。首先将样本数据进行整理，并分为13组。根据每组的频率，以区间中值为横坐标，每组的频率和累积频率分别为纵坐标，可以得到累积分布函数图和概率密度函数图。然后再假设有几个数据（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），那么在平面坐标轴上可以得到n个点的散点图，并且这n个散点大致落在一条直线的两侧，因此可以得出x和y之间近似存在一个线性函数，但一般情况下，这些点并不在同一条直线上。所以根据这些点之间的差异，我们使用公式Ei = yi−（axi + b）来反映计算值与实际值之间的偏差。因为Ei可以是正的或负的，所以可以被用来测量总偏差。因此，最后采用最小二乘法确定使F（a，b）得到最小值的系数a和b即可找到最优故障检修周期。
二、结合互联网与机械臂故障检修
随着我国智能制造技术和工业4.0的发展，尤其是互联网技术和机械臂的飞速进步，智能继电保护装置故障检修得到了广泛应用，并且在很多城市都成为了保证电网安全稳定运行的关键设备，是实现能源安全稳定供应和国民经济持续健康发展的基础。目前继电保护装置的故障检修采用离散人工检修方式，维护过程缓慢，设备装配和检测过程自动化程度不高，增大了产品的检修成本。而一种基于Cyber-Physical Systems（CPS）模型的自动故障监测控制系统能够满足继电器维护的要求，实现了设备检测，维修等环节的自动化过程。
该系统采用自动机器代替人工，设计逻辑定时控制，并使用有源射频识别（RFID）标签跟踪设备和检测相关状态。在该流水线系统中，各工艺站采用模块化设计思想，采用PLC进行独立控制和数据采集。并综合使用了监控执行系统、自动导向器件调度系统、继电设备测试系统进行全自动故障检修。基于CPS模型的检修线对于节约人工成本，提高继电保护产品的质量和使用寿命具有重要意义。
例如，在黑龙江省一家送变电工程公司中，维修设计人员通过CPS模型极大提升了维修效率，他们通过CPS模型基于计算算法和物理组件设计出无缝集成构建和依赖工程系统。具体来说就是通过计算、通信和控制技术的有机和深度集成，将计算资源和物理资源整合在一起，对继电器的状态通过互联网云计算技术实时监控，并且调控机械臂对故障部位进行自动检修。CPS的基本部件包括传感器、执行器和决策控制单元，通过反馈回路控制机构实现监测和控制功能。此外，此公司还加入了分层设计，包括设备层，决策控制层和应用显示层。设备层主要利用其他两层提供的服务来建立数据采集网络并执行控制。决策控制层依赖于设备层收集的实时状态数据，根据设备生产和发布执行命令逻辑控制规则，并分派AGV小车进行材料分布，帮助机械臂维修继电设备。另外，该层接收显示应用层的指令，并将生产进度信息实时反馈给显示应用层。显示层包括外围应用系统、生产数据显示与可视化、手机、平板等移动应用终端，帮助技术人员对继电设备状态监控并且与中间层系统数据共享，实现层间数据的深度集成，提升继电设备实时检修效率。
三、基于继电设备故障严重性进行检修
要想最大程度提升继电设备的故障检修效率，就需要技术人员对继电设备的故障严重程度进行分析，设计出根据有针对性的检修方法，并且依据严重程度排序设计合理的检修顺序。蒙特卡罗方法便可以被利用起来计算电压极限严重程度、元器件过载严重程度和负载损失严重程度等三个单一的电气严重程度指标。在利用蒙特卡罗方法计算严重程度之前还需要使用马尔可夫状态空间模型分析收集到的继电器数据是否可靠。通过计算出的继电器故障严重性可以为电力系统运行维护人员提供重要参考，提升他们的工作效率。
以英国爱丁堡的IEEE – 30自动化电力系统为例，其继电保护装置的状态和状态转换过程具有马尔可夫性质，因此可以用状态空间法求解继电保护装置的数据可靠性。这需要将采样值消息和通用面向对象变电站事件消息结合以实现继电保护等二次设备之间的信息交互，而这样的在线监测信息技术的实现使我们能够实时获取变电站保护装置的变化信息。再根据报文信息将保护装置分为如下几类：状态0：保护装置处于无故障状态，工作正常。状态1：保护装置处于劣质状态。暂时性异常是由于网络传输过程中丢包而引起的，不同于数据的异常状态，导致消息信息显示质量位异常。状态2：保护装置处于数据异常状态，包括出线量异常、开关量采集异常、电压测量采集异常、电流测量采集异常。状态3：保护装置通过自检发现故障，包括软件故障状态、通信故障状态和功能硬件故障状态。状态4：防护设备处于定期维护状态，检查人员通过测试发现故障。这样便能分析出继电装置的数据是否准确。再确认继电装置提供的是准确数据之后便可以采取蒙特卡罗方法计算出继电设备的故障严重性，此方法基于抽样模拟，首先对单个抽样出的数据进行异常分析，与标准值差异越大则积分越大，最后将所有抽样数据的积分进行加权求和，得到的值经过排序就可以获得每个继电装置的故障严重等级，帮助维修人员提升故障检修效率。
结论：综上所述，在互联网智能时代，我国的科技飞速发展，在对继电保护自动化中的装置故障检修时可以利用多种新型技术提升检修效率。
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