智能变电站二次系统状态评估系统技术研究报告v2.0.docx

智能变电站二次系统状态评估系统技术研究报告国家电网公司许继集团有限公司2012.10.31目 录1项目概述11.1研究内容21.2国内外现状21.3研究目标52 二次系统状态评估基础技术研究62.1 二次系统状态评估系统的信息来源72.2 二次设备的状态监测内容92.2.1 二次设备自身的状态监测92.2.2 二次回路的状态监测102.2.3 二次设备运行环境的监测122.2.4 电气二次设备的电磁抗干扰监测132.3 二次设备的状态监测系统的构建133 二次系统状态评估体系233.1 二次系统状态评估系统架构233.2 二次系统状态评估方法233.3 二次系统可靠性评估指标263.3.1拒动失效率293.3.2误动失效率303.3.3平均无故障时间313.3.4可用度313.4 二次系统风险评估指标323.4.1二次系统结构333.4.2二次系统风险因素333.4.3二次系统故障后果343.4.4二次系统风险评估353.4.5 二次系统风险控制373.5 二次系统状态其他评价体系393.5.1二次系统的状态评价403.5.2检测型状态评价423.5.3系统可靠度评价433.5.4相对品质评价453.5.5老化失效评价473.5.6故障率473.5.7平均可用度483.5.8预计可用度493.5.9平均无故障时间493.5 基于模糊评价的二次系统评估方案503.6 基于评估结果的检修策略544 二次系统状态评估体系建立的效益分析555小结561项目概述随着国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，坚强智能电网建设规模日益扩大，社会对电网供电可靠性的要求也越来越高。智能变电站采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能。智能变电站二次系统作为电网运营的重要环节，其正常运行是电网优质运行的基本保障。然而，设备从开始使用到最终报废的时间是有限的，设备异常及故障是影响其安全运行及寿命的主要原因。在设备正常使用期内，通过对二次系统进行监测及状态评估，可以有效的减少意外故障，延长设备的使用寿命，进而保证电网安全、稳定、经济运行。同时，智能变电站中基于微电子、计算机技术、网络技术的二次设备本身具有强大的“自检”能力，为二次系统评估技术的实现提供了良好的基础。本技术报告通过对当前二次系统状态评估工作现状进行全面分析总结，结合智能变电站二次系统特点，利用建设坚强智能电网的契机，对智能变电站二次系统状态评估技术进行研究，以提高设备运行可靠性和供电优质服务水平，满足国家电网公司“一强三优”和“三集五大”建设的要求。1.1研究内容1）利用可靠性理论，研究评价二次系统可靠性的数学指标，为分析二次系统可靠性打下基础。2）影响二次系统可靠性的因素众多，本技术报告根据二次系统的特点，将二次系统存在的风险因素分为装置、人员、环境三个方面，对保护故障的风险后果进行了分析。考虑到检修方式对风险的影响，选取故障的严重度、发生度和可检度作为风险评价指标，以智能变电站继电保护装置为例，对其可能产生的缺陷进行了风险评估。3）针对智能变电站二次系统包含大量电子元器件的特点，对电子元器件进行了失效模式分析。由于单个元器件的损坏不会直接造成拒动，有时也不会直接造成误动，若以拒动和误动作为顶事件，单个元件的损坏仅仅造成整个二次系统的性能下降，因此若单个元器件故障后，在未引起拒动及误动的情况下进行维修，对该元件而言属于事后维修，对整个保护系统而言属于预防维修。4）围绕检查、维护、修理、更新等检修工作中所包含的数学指标，从三个方面综合评价二次系统的状态。其中检测型状态评价用于不停运的检查、巡视等，反映装置的劣化情况；系统可靠度评价用于停运的检查，反映二次系统的可靠度以安排检修；设备相对品质评价用于反映二次系统硬件系统中的薄弱环节，用以进行预防性更换。1.2国内外现状20世纪90年代以来，我国的电气设备状态在线监测及状态检修技术开始起步。目前，利用各种先进的监测技术和装置，已基本实现对变电站部分一次设备状态监测，一次设备状态检修工作在有序的开展。相关技术常见于国内大量文献资料。对于二次系统的状态检修目前也有大量文献。按照二次系统和电网安全自动装置检验规程的要求，我国二次系统及电网安全自动装置及其二次回路接线的检验分为三种：新安装装置的验收检验运行中装置的定期检验运行中装置的补充检验，分为五种：对运行中的装置进行较大的更改或增设新的回路后的检验；检修或更换一次设备后的检验：运行中发现异常情况后的检验；事故后检验；已投运行的装置停电一年及以上,再次投入运行时的检验。其中，二次系统装置在设备投产后一年进行一次全面校验，以后每六年进行一次全面校验，每一至两年进行一次部分检验。定期检修是在通过掌握设备平均故障率的基础上，以可用度或经济性最优为目标确定检修周期，按照检修周期进行检修。通过定期检修，可以检查出故障或隐患，检修周期越短，越能够及时查出故障或隐患，但频繁的检修会降低设备的可用性，同时检修成本也会增加。由于定期检修单纯按规定的时间间隔进行检修，针对性不强，盲目性检修过多，造成二次系统可用度下降，以及人力、物力、财力的浪费，同时检修也会在一定程度上影响二次系统的使用寿命，甚至引起维修故障，并且两次检修之间出现的保护故障往往不能及时发现，影响电力系统的安全运行。对于传统变电站由于对二次回路监测手段还不多，这一部分造成二次设备的不正确动作的比例相当高，因此继电保护的状态检修迟迟没有开展。近年来随着科技发展，电力设备的更新换代，微机保护技术的发展，智能化二次设备的推广应用。二次系统具备了较强的自检功能，这为二次系统状态监测提供了部分技术基础。通过自检可以发现一些集成电路器件的特定故障及一些交流回路的断线故障，但难以发现元器件劣化及回路接触不良等问题。红外监视可以发现一些回路的接触不良，绝缘监视也可以发现可能存在的绝缘下降。随着状态监测技术的发展，能够进行状态评价的运行信息会越来越多。智能变电站分为站控层、间隔层、过程层，与传统变电站相比增加了过程设备，因此二次系统有别于传统变电站，主要包括继电保护装置、测控、智能终端、合并单元、过程层交换机、安全自动装置、故障录波、远动、在线监测ied等智能设备，智能设备及相关回路共同构成了智能变电站运行的二次系统。与一次系统设备状态检测相比，智能变电站二次系统状态检测可以不过分依赖传感器，因此，可以在不增加新设备投入的情况下，充分利用现有的检测手段对二次系统进行状态检测及评估，如ta，tv断线检测，直流回路绝缘检测，二次保险熔断报警等。由于二次系统中的装置均由大量电子元器件组成，工作电压、电流很小，易受到电磁干扰，较难发现性能劣化的过程。如何对智能变电站二次系统进行状态检测，并进行合理有效的状态评估，是二次系统进行状态检修的难点和关键。但是由于目前在线监测系统应用水平参差不齐，给生产运行管理带来了不少麻烦。在线监测系统采集的数据有限，并不能对电气设备各方面的情况进行完全监测(例如各保护装置的保护电流、继保小室的环境温度、二次回路的绝缘情况等)，因此并不能对电气设备的运行情况进行完善、准确的评价。还有一些不成熟的产品在运行时经常误报故障，成为在线监测技术推广应用的巨大阻碍。1.3研究目标本技术报告通过分析智能变电站二次系统的运行状况，研究可经济应用于智能变电站二次系统的状态评估技术，为制定较强可操作性和正确率的检修策略提供有效依据，确保智能变电站二次系统的可靠经济运行。602 二次系统状态评估基础技术研究二次设备的状态评估是变电站综合自动化技术发展的必然结果，二次装置的状态监测将有助于对设备的运行情况、缺陷故障情况、历次检修试验记录等实现有效的管理和信息共享，并为设备运行状况的分析提供了可靠的信息基础，将有助于合理地提高保护装置的用率，为电网的安全运行提供坚实的基础。智能变电站的全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为二次设备状态监测技术的发展和应用提供了有力条件。之所以说数字化保护装置的状态监测更为容易实现，是因为电子式互感器的应用，进入保护装置的是光数字信号，二次电流、电压输入、ad采样不复存在，对数字采样部分实现状态监测更加容易。装置本身可以对接收的smv采样值报文进行监视，如有接收中断、丢数据帧、接收数据帧crc不正确等现象，立即告警smv采样异常即可。如：基于微电子、计算机技术、网络技术的继电保护设备其强大的“自检”能力为状态检修技术的实现提供了良好的基础。智能变电站的继电保护装置二次电流、二次电压输入的方式不同于常规变电站，取而代之的是光纤以太网传输的数字采样值报文的输入：保护动作出口不再是跳闸、重合闸接点，而是光纤以太网传输的goose开关量信息。因此，二次设备的状态监测不同于一次设备，一次设备状态监测一般都需要安装另外的监测设备，对主设备进行监测；而二次设备由于继电保护及安全自动装置一般都具有在线自检功能及通讯功能，再加上考虑到二次回路的负载及安全性等因素，一般不另外附加监测设备，属于嵌入式状态监测。利用装置本身自检及装置之间的互相监测来实现在线监测。数字化智能开关的使用，使二次控制系统的操作回路通过软件编程的方式实现智能化，本身具备在线监测功能，继电保护状态监测不存在常规变电站操作回路无法在线监测的瓶颈问题。保护的投退用软压板控制，不存在常规变电站连接片(压板)状态监测的困难。大量光纤取代铜缆，也不再需要回路绝缘状况监测(直流回路除外)。强大的以太网通信技术的应用，使数字化变电站继电保护设备的状态监测网络灵活、强壮、可靠性高。2.1 二次系统状态评估系统的信息来源 二次系统状态评估系统的信息来源包括合并单元、智能终端、保护装置、测控装置、安稳控制装置、监控主机、综合应用服务器、数据服务器、故障录波器、网络交换机、辅助设备等。系统对这些装置进行运行状态监视、配置信息管理和动作行为分析，在电网故障时则进行快速的故障分析，为运行人员提供处理提示，提高继保系统管理和故障信息处理的自动化水平。如对交换机的监视，应实现对交换机网络通信状态、网络实时流量、网络实时负荷、网络连接状态等信息的实时采集和统计。主要二次设备的监测内容如表2-1所示。同时还应对二次回路进行监视和分析，包括运行环境、操作箱无故障时间、二次光缆/电缆及操作箱家族性无故障时间、绝缘状况、二次回路运行温度等信息内容。表2-1 主要二次设备监测内容检验内容方 法公共信息电源实时在线监测，自检报警，并上送监测模块。固化程序程序crc（每次调用时重新计算crc）在线调取，异常告警。配置文件配置文件crc（每次调用时重新计算crc）在线调取，异常告警。设备自检flash擦写次数统计、扇区健康状况监测、ram是否出错、看门狗是否动作、装置的重启次数、装置上电次数统计设备运行环境设备内预设温湿度传感器，实时记录运行环境，并上送监测模块通讯口发送的smv报文、goose报文速率、误码率统计、是否丢帧丢点、通讯是否中断、光强监测、对时报文有效性等。采集器（互感器）传感头双线圈互校、发光强度监测自检电源自检、ad自检、ad精度自检、保护电流和测量电流互校同步信号监测同步信号间隔不均匀合并单元对互感器监测数据有效性（双ad/双通道数据互校）、互感器所处状态监视。同步信号异常脉冲告警（间隔不均匀、丢失、中断）、b码编码格式正确性、1588（网络延时抖动过大、同步间隔过大）。智能终端开入双开入，互校有效性开出击穿、断线操作回路监测控制回路断线、监测回路电阻模拟故障与状态监测模块、间隔层设备配合，实现虚拟跳闸，对于不重要负荷也可定期实现跳合闸达到监测目的。保护测控装置自检、闭锁信息、运行状态信息自检信息、数据有效性、异常闭锁、保护逻辑中间状态等对时状态b码编码格式正确性、1588（网络延时抖动过大等）。链路状态sv和goose链路通信状态程序/模型文件/配置文件监视相应版本信息2.2 二次设备的状态监测内容2.2.1 二次设备自身的状态监测纵观国内使用的各种二次设备，主要包括数据采集、处理，人机界面/通信和存储等相关功能。虽然各厂家设备内部架构不同，但大都是由多个微机组成的电子系统构成的。所不同的是各个功能所在的部位或者所依从的微机不同。要保证上述这些功能组成部分是正常工作的，在装置运行过程中需要对表征其状态的一些信息量进行监视和分析。目前设备本身具备一定的自诊断功能，包括：存储模块的自检，模拟量采集模块的自检，开关量输入模块的自检，开关量输出模块的自检，内部电源监视的自检，cpu核心数据处理模块的自检，通信模块的自检等。在二次设备的状态检修实施中，可利用现有故障信息子站技术将上述信息上送到状态检修后台，总结各功能模块的参数趋势，和这些参数的特征曲线相对比，得出各个功能模块乃至装置的整体可靠性水平。l 具体监测内容包括以下几个方面：l 逆变电源的监测，包括电源工作环境（温/湿度）、负载情况、工作时间、开关次数、电容曲线等；l cpu和重要板卡上温度监测；l 以太网通讯口运行情况监测，包括接收的sv报文、goose报文速率、误码率统计、是否丢帧丢点、光强、通讯是否中断等；l 液晶亮光统计时间；l flash擦写次数统计、扇区健康状况监测；l 微机系统的自检，如ram是否出错、看门狗是否动作、装置的重启次数等；l 配置信息管理；l 装置上电次数统计；l 采集回路的监测；l 保护逻辑中间状态；l 温控系统的监测：风机、风量、温湿度、过滤网脏堵、运行时间。2.2.2 二次回路的状态监测在不影响原有继电保护二次系统安全、可靠运行的基础上，通过信号的多点采集，与原有设备形成闭环监测系统，运用多种监测、逻辑判断手段，解决传统保护二次回路状态监测难以实现的技术难题。1）有效监视装置的交流输入回路和装置的数据采集回路。利用iec61850标准建立全变电站光纤数字采集和录波系统与传统保护装置进行闭环分析，实现传统保护装置交流输入回路状态监视；2）有效监视出口压板状态。用cpu逻辑功能实现控制操作全过程的方案，使操作回路的结构只需用简单的开关量输入和开关量输出即可实现，取消了硬件结构上的防跳继电器，大大简化了操作回路的逻辑接线，减轻了现场工作人员的工作量，同时为保护实现状态检修提供了重要的应用基础；3）有效监视操作回路状态。在线监测控制回路断线状态； 4）智能组件评估间隔内设备各板件的运行状态。使用智能操作箱更换传统常规操作箱，在完成传统常规操作箱功能的同时监测保护二次回路，通过对监测运行信息的分析比较，判断保护二次回路和操作箱回路是否正常运行。5）综合测控、网络和故障录波装置、后台可视化系统全局分析、判断。后台分析系统，根据综合测控、网络和故障录波装置提供的全站信息，利用一定的判据，分析被监测间隔保护装置自身的可靠性，分析判断保护交流回路、控制回路的异常情况，并接入保护故障信息系统上送到保护管理部门。在实际运行中，常用的二次回路状态监测主要还是针对互感器的特性及参数测试、二次回路及直流系统绝缘测试、二次回路抗干扰检测。其中二次回路绝缘测试可以通过绝缘监测系统实现在线监测，而互感器和二次回路的安全测试则不容易实现在线监测，除电流回路可通过微机保护装置的交流采样进行必要的监测外，没有负荷的空载线路和电压回路出现断线等缺陷时，不容易发现。因此，采用红外成像测温技术，可以有效发现二次回路松动及接触不良的隐蔽缺陷。但是红外测温只能在运行巡视和专业巡视时按巡检周期进行，是不能实现实时监测。所以二次回路的监测和评估工作，还需要通过大量的运行管理和完善设备台账，采集充分的运行检测数据，并通过科学的评估方法来进行。2.2.3 二次设备运行环境的监测随着科学技术的不断进步，红外成像及诊断技术的应用，便携式红外热像仪也取得了很好的应用效果。在继电保护二次回路中，如果端子排与小线接触不良，在小线上长期通过电流的情况下，会引起发热，从而会引起保护误动或者拒动，降低了继电保护的可靠性。使用红外热像仪对继电保护二次回路端子排进行红外测温，能够及时地发现温度过高的端子排，以便维修人员能够及时处理，避免此类事故的发生。但是这种方式下人工测出的二次回路端子温度并不能完全真实地反应二次回路的实际温度，因此需要用更为精确的方法来进行环境温度检测，可以在继保小室内装设能够活动的温度探头，以便随时监测二次回路的温度情况，及时发出告警信号。某35kv变电站曾经就因为保护电流端子接触不良，在长时间流过电流的情况下，引起发热，将端子排损坏，从而使保护发出ct断线告警信号。在采用红外测温监测手段的同时，还要运行人员定期对户外的二次设备运行环境进行定期巡视，例如二次接线端子箱，电流互感器、电压互感器的接线盒等设备。要定期检查进水、锈蚀、开裂等情况，以便及时进行排水、更换等措施，以减少因外界环境因素引起的事故发生的次数。2.2.4 电气二次设备的电磁抗干扰监测由于大量高集成电路、微电子元件在电气二次设备中的应用广泛，电气二次设备对电磁干扰也越来越敏感，极易受到电磁干扰的影响。电磁干扰会造成二次误动或拒动、甚至元件损坏。对干扰引起的事故，按常规试验方法无法发现，其正常运行时是毫无征兆的，因此必须加强微机保护的抗干扰措施。国际电工委员会 (1ec)及国内有关部门对继电保护制定了电磁兼容 (emc)标准。但目前，对现场电磁环境的管理、监测没有合适的手段，也没有纳入运行检修范围。二次设备状态检修的一项很重要的工作是对二次设备进行电磁兼容性考核试验。包括在微机保护装置附近不允许使用手机等移动通讯设备的管理；对不同厂站的敏感器件、揭合途径、干扰源要进行监测、管理；对二次设备屏蔽接地情况的定期进行检查。目前还采用了对二次回路的电缆均采用带屏蔽铜网的屏蔽电缆，而且电缆两端的屏蔽铜网应在两侧同时接地的办法来对抗电磁干扰对二次回路的影响。2.3 二次设备的状态监测系统的构建以保护系统为例说明二次设备的状态监测系统构建情况。1）数据采集系统变电站保护状态监测系统的可信度完全依赖于采集数据的真实性。采集完备、真实的数据对于电网故障的再现和仿真有至关重要的作用。变电站状态监测保护系统应采取措施保证采集数据的真实性，进行高速高精度的数据采样；同时，提高数据的处理能力；能有效存储数据，对缺陷数据进行有效判定，进行数据填补；实现数据实时、快速、安全转存。其中最关键的是收集针对于保护设备的可靠性信息，它包括了各项可靠性工作及活动所产生的描述设备可靠性水平及状况的各种数据，它包括数字、图表、符号、文字和曲线等。根据可靠性信息来源地多样性，这里建立如图2-1所示的信息分类模型。图2-1 可靠性信息分类数据主要包括各级各类保护元件、装置、二次设备及其所构成系统的运行、停运、检修状态的原始记录，用于对设备、装置、系统性能及其对电力系统影响的分析和评估。这些数据应为可靠性评估提供足够的基础信息，至少应满足真实性、准确性、连续性、完整性。保护可靠性数据收集系统结构如图2-2所示。图2-2 保护可靠性数据采集系统结构二次设备在线监测模块可以通过多种通信方式、多种通信协议接入不同厂家的保护装置，包括接入装置的模拟量、开关量、定值信息、事件信息、故障数据；监视设备自检信息、运行状态信息、告警信息、对时状态信息。二次设备在线监测系统如图2-3所示。图2-3 二次设备在线监测系统二次在线监测系统功能示意图如下所示：图2-4二次系统在线监测图l 网络状态在线监测采集智能变电站各种ied设备的网络监测异常信息，进行分析、推理，实现网络状态的智能告警和可视化展示。 实现功能 网络物理连接状态监测。 交换机端口状态监测，包括交换机网络通信状态、网络实时流量、网络实时负荷等。 网络报文记录装置异常告警。 实现基础 应支持snmp协议监视各交换机端口状态，如端口平均流量、峰值流量，长包数、短包数、crc错包数和丢弃包数等。 网络报文记录分析装置在线监测报文，如goose报文和sv报文序号连续性，goose报文重发序列的正确性等。 智能设备监测报文正确性，如goose报文间隔大于最大发送间隔，goose和sv报文序号连续性。 实现途径 配置网络连接拓扑图，配置告警信息级别及告警方式，配置告警关联关系。 采集ied设备、交换机以及网络报文记录装置上发送的网络异常信息 结合网络拓扑和告警关联关系，根据实时获得的网络异常信息进行网络状态的分析、推理。 按分类、分级进行告警并可视化展示。l 操作回路在线监测 实现功能 可监测接点粘连、接点失效。 跳合闸回路自动检测。 实现基础 智能终端可监测控制回路、监测回路电阻。 通过一次设备在线监测，实现采集跳合闸电流、分合闸线圈动作波形记录分析、断路器动触头位移行程动作波形记录及分析、储能电机运行数据监测及统计、机构运行报警信息及状态采集、机构箱温度监测等功能。 实现途径 配置监测智能终端对象和应用方式，形成告警信息点，设置告警级别、告警方式。 收集监测信息。 按分类、分级进行告警并可视化展示。l 输入信息在线监测采集变电站保护、测控装置的遥信、遥测信息，进行一致性比较、计算，实现输入信息在线监测的智能告警和可视化展示。 实现功能 节点功率不平衡监测。 保护与测控输入信息不一致监测。 双重化输入信息不一致监测。 双ad输入信息不一致监测。 实现基础 变电站一次设备重要的开关量、模拟量都被测控装置和保护装置接入。 智能站中，保护、测控装置都按照iec61850建模提供遥测、遥信服务，因此可充分使用共享信息辨识输入异常。如保护电流与测量电流比较、同一条母线上的电压比较等。 完善的装置自检功能，包括开出回路、程序、电源等自检项目。当在出现异常时，设备告警灯点亮，同时发送goose告警信号，并根据其严重程度决定是否闭锁装置功能，防止事故的进一步扩大。 智能终端反馈功能，对接收到的重要信息如跳合闸信息，同时以goose发送到过程层网。 智能终端记录功能，以日志形式上送事件记录、异常告警记录等。 实现途径 配置一致性监测的对象，形成告警信息点，设置告警级别、告警方式。 采集保护、测控装置发送的遥测、遥信信息，进行一致性比较。 按分类、分级进行告警并可视化展示。l 装置异常在线监测采集变电站各种ied设备自诊断的异常信息，进行智能告警和可视化展示。 实现功能 cpu负载监测、内存自检、硬盘自检、源异常自检和内部温度监测。 装置开入、开出自检。 互感器双ad数据一致性监测。 实现基础 智能变电站各种ied设备都具有自诊功能。 自检信息用iec61850建模，为智能告警提供信息源。 实现途径 配置设备告警信息点，设置告警级别、告警方式。 收集ied设备上送的自检告警信息。按分类、分级进行告警并可视化展示。2）保护信息系统的集成由于本系统需要实时评估保护定值的适应性，因此，需要将各保护信息集成到一起，充分利用所采集电流、电压模拟信息、保护配置信息和保护定值信息。在电网扰动时，需要对保护动作与电网稳定运行的适配性进行有效评估，具体评估过程如图2-4所示。图2-4 评估过程过程层的合并单元和智能终端等相关设备采用iec61850标准，通过goose网将状态监测信息上送至间隔层的保护装置或测控装置。间隔层保护装置、测控装置采用iec61850标准，通过mms网将自身的状态监测信息和从合并单元、智能终端接收到的状态监测信息一并上送至站控层的在线监测模块。故障录波设备采用iec61850标准，通过mms网将状态监测信息上送至在线监测模块。通信状态监测信息可从网络报文分析系统中获取信息和分析结果，采用iec61850标准，通过mms网将网络报文分析系统的在线监测相关信息接入在线监测模块，并通过snmp将交换机端口通信状态接入在线监测模块，一起作为通信状态监测的依据。直流绝缘监测装置、一次设备在线监测等辅助系统采用iec61850标准，通过mms网将状态监测相关信息上送至在线监测模块。智能变电站二次系统在线监测信息整合与展示如图2-5所示。图2-5 二次系统在线监测信息整合与展示3 二次系统状态评估体系二次设备的状态评价体系其核心是以故障诊断技术、在线监测技术为基础，充分利用各种智能化装置自检信息、外部监测回路，加强设备状态监控工作，建立科学的数学模型，强化管理和技术分析，综合统计分析各类设备运行状况，判定故障产生的部位、原因及发生概率并及时预报，科学确定设备的状态。3.1 二次系统状态评估系统架构二次系统状态评估系统的架构如图3-1所示。图3-1 二次系统状态评估系统架构示意图过程层的合并单元和智能终端等相关设备通过过程层网络以iec 61850 标准接入故障录波装置，实现过程层智能二次设备的状态采集，故障录波设备采用iec61850标准，通过mms网将状态监测信息上送至一体化监控系统在线监测模块；间隔层保护装置、测控装置采用iec61850标准，通过mms网将自检信息、外部回路的监测信息上送至一体化监控系统在线监测模块；通信状态监测信息可从网络报文分析系统中获取信息和分析结果，采用iec61850标准，通过mms网将网络报文分析系统的在线监测相关信息接入在线监测模块，并通过snmp将交换机端口通信状态接入在线监测模块，一起作为通信状态监测的依据；直流绝缘监测装置、一次设备在线监测等辅助系统采用iec61850标准，通过mms网将状态监测相关信息上送至在线监测模块。一体化监控系统在线监测模块将采集到的二次设备在线监测相关特征量进行整合，并将各设备状态信息统一建模。3.2 二次系统状态评估方法在评估某种设备状态时，可使用数理统计方法对它的过去资料及历史运行情况进行分析，从而对其未来状态的可能变化趋势作出可靠的判断。在二次系统状态评价体系中，可利用专家系统、人工神经网络、粗糙集理论、多智能体系统等多种分析方法，设计状态诊断模块，将智能变电站智能二次设备和二次回路的信息和实际统计信息相结合，分析智能二次设备的运行状况；通过多种预测算法，对预测智能设备的健康状况进行故障预警；对二次设备目前健康状况、剩余寿命及未来健康趋势作出综合评估，同时引入检修带来的影响等不确定因素对二次系统的影响，得到最佳的维护方案。健康状况分析基于二次设备的在线监测。二次设备的运行状态信息存入设备状态信息数据库，二次设备状态检修分析功能根据给定的准则参数，对设备的健康状况进行离线或者在线分析评估。并按多种方法进行故障预测，若发现潜在的异常设备，则及时向有关人员以手机短信或者email 等方式进行预警。系统可以按照多种预测模型，对于健康状况指标不佳的设备，也可以发出预警，并给出维护建议，尽可能地提早维护保养，最大限度地提高设备的稳定运行和利用率。同时依据二次设备的状态评估结果，结合不同配件的故障率，配件的费用，给出备件的数量，备件的更换时间。基本思想是将设备的故障进行分类，考虑各种可能发生故障的情况和判断故障的检测相关参数，包括建立故障诊断决策表、故障特征，从决策表中抽取出诊断规则，从而为电力设备提供诊断分析。智能故障诊断处理结合专家系统、人工神经网络、多智能体系统等多种诊断方法得到最佳的维护方案。多个不同的方案可以同时存入数据库，供随后有可能发生的同样性质的故障分析参考。系统可以呈现采集到的监测数据并对其进行诊断，可以实现设备健康图、趋势图等多种分析诊断方法。系统可以一目了然地观察到站内各二次设备的状态，同时系统实时对设备进行监测，一旦被监测设备的运行实时数据超过该设备的注意值或超过报警值，该设备应变色报警。目前，对一、二次设备主要采用简单的评分法进行状态的评估。主要根据设备运行工况、负荷数据、各类状态检测数据、缺陷信息、故障和事故信息、检修数据等综合状态信息，依据规程标准、运行经验、设备厂家技术指标等判据，对设备的状态信息进行量化评分，从而判断评估设备的实际状态。设备状态一般可以分为4种：1）a-正常状态，指设备的资料齐全，运行及各种试验数据正常，容许个别数据稍有偏差，但变化趋势稳定，没有运行安全隐患。2）b-可疑状态，指设备存在不明原因的缺陷或某些试验数据表明设备可能有异常，但仍有某些不确定因素。3）c-可靠性下降状态，指设备存在比较严重的缺陷，或试验结果分析存在问题，且已基本确定隐患部位及原因，同时确认该隐患在短期内不会发展成事故。4）d-危险状态，指设备存在严重缺陷，或根据试验数据、运行状况表明随时有发生事故的可能。要确定设备的状态就要有合适、科学的评估手段。常见的诊断方法可概括为综合法和比较法，包括下列内容：1）与设备历年（次）试验结果相比较。因为保护设备在投产后都进行过校验，与投产时数据、年校时数据、上次校验数据相比，如果有显著性的差异，则说明该装置可能有缺陷。2）与同类型、同厂家设备试验结果相互比较。因为就同一类型及同一厂家的设备而言，其装置结构相同，在相同的运行和气候条件下，其测试结果应大致相同。若两者悬殊很大，则说明该装置可能有缺陷。3）同一设备各相间的试验结果相互比较。因为同一设备，各相的运行情况应当基本一样，如果有一相试验结果与另两相比较差异明显，说明该相可能有缺陷。4）与检验规程规定的允许偏差范围相互比较。对有些试验项目，检验规程规定了允许的偏差范围，若测量偏差超过允许范围，应认真分析，查找原因，或结合其他试验项目来查找缺陷。5）不同试验项目结果的综合。只有综合多参数判别的结果，才能得到全面、准确的结论。故障和征兆之间不存在简单的一一对应关系，这造成了故障诊断的困难性。由于设备故障与征兆之间关系的复杂性和设备故障的复杂性，形成了设备故障诊断探索性的反复试验的特点。故障诊断过程是复杂的，采用的数学诊断方法又各有优缺点，研究故障诊断的方法就成为设备故障诊断技术这一学科的重点和难点。因此，不能采用单一的方法进行诊断，而应将多种方法结合起来，以期得到最正确、最接近事实的诊断结果，这也是今后诊断方法发展的方向。3.3 二次系统可靠性评估指标可靠性理论是以产品的寿命特征作为其主要研究对象，在解决可靠性问题中所用到的数学模型大体可分为两类：概率模型和统计模型。概率模型是指从系统的结构及部件的寿命分布、修理时间分布等等有关的信息出发，推断与系统寿命有关的可靠性数量指标，进一步讨论系统的最优设计、使用维修策略等；统计模型是指从观察数据出发，对部件或系统的寿命等进行估计、检验等。对二次系统的基本要求之一是可靠性，可靠性是指元件、设备或系统在预定时间内，在规定的条件下完成规定功能的能力。二次系统的可靠性包括两个方面：信赖性，即当保护区内故障时二次系统必须不拒动；安全性，即保护区外故障或无故障发生时二次系统应该不误动。二次系统属于可修复系统，深入分析其可靠性的特点是选取指标、建立模型、进行可靠性分析的前提。因为工作环境、自身状况的可变性，二次系统的可靠度、失效发生时间具有一定的随机性和概率性。二次系统可靠性涉及因素多，其建模、指标选取及计算具有难度。从广义上说，影响二次系统可靠性的因素不仅包括保护装置，还包括与其关系紧密的通讯通道、一次设备运行状况及人为因素等；保护的设计原理、配置方案、整定方式和电网实际运行方式也极大地影响保护的动作情况就保护装置而言，又涵盖复杂的软、硬件及其冗余逻辑等。其中，软件的可靠性很难根据物理要素进行预计，而主要取决于系统输入、系统的使用和软件设计等；硬件的可靠性则主要取决于其各个基本部件及电路设计的可靠性等。二次系统的失效可以分为误动失效和拒动失效，在制定可靠性指标时应综合考虑这两种失效情况，每种失效又可分为可被检测的和不可被检测的2类。我国现行的评价二次系统可靠性优劣指标是“二次系统正确动作率”，这种方法是用一定期限(例如一年)内被统计的二次系统装置的总动作次数和其中的正确动作次数来定义：正确动作率=(正确动作次数/总动作次数)x100“正确动作率”指标能宏观地反映二次系统的运行状况，如二次系统每年的变化趋势，也可以反映不同二次系统(例如220kv系统与500kv系统)之间的对比情况，但不能全面反映二次系统实际的运行状态和水平。首先，它不能正确反映信赖性指标；其次，保护正确动作的前提是发生区内故障，随着一次设备的可靠性增加，故障次数减少，将导致统计样本的减少，从而使这项指标失去统计的意义。根据可靠性数学理论，通常用来描述系统可靠性的指标有可靠度、失效率、可用度、平均无故障时间等：可靠度：在规定的条件下，在规定的时间内，产品完成规定功能的能力。失效率：工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。可用度：在规定的条件下，在规定的时间内，产品处于可执行规定功能状态的能力。平均无故障时间：产品平均正常运行多长时间才发生一次故障。这些指标从各个不同的角度反映系统的可靠性，对于不同的系统，结合实际情况采用的可靠性指标也不完全相同。迄今为止，二次系统可靠性研究主要针对二次系统可靠性评估指标及计算模方面展开，涉及系统可靠性的定性、定量评估，运行维护及可靠性与经济性的协调，继电保护隐性故障等单一方面的研究，缺乏系统的统筹考虑。在可靠性评估时，还要从失效机理出发，对硬件失效、保护原理、保护定值和电力系统运行方式等方面进行综合考量。因此，建立科学的、能够分别或综合定量反映二次系统各种失效模式的可靠性模型，有助于提高相关研究的准确性和可信度。另一方面，二次系统可靠性分析结果的有效性不仅取决于所用模型与实际情况的符合程度，还取决于模型中各参数的准确程度，需要足够大的样本空间作为保证。3.3.1拒动失效率被保护元件发生区内故障时二次系统不能正确动作，即为二次系统的拒动失效。被保护元件发生区内故障时，即使二次系统产生可能导致拒动的缺陷，也不会导致拒动事件的发生。因此，二次系统拒动次数受到一次设备故障次数的影响，拒动失效率低于一次设备故障率。二次系统产生可能会导致拒动的缺陷后，并不一定引起拒动事件。一些拒动缺陷可以通过在线监测、日常巡检等方法发现，另一些拒动缺陷要通过诊断性试验发现。如果拒动缺陷没有被及时发现，此时被保护元件发生故障，会导致二次系统拒动。在统计缺陷及拒动次数时，会受到统计对象的数量，即投入运行的二次系统装置数量影响。例如同一电压等级的某类保护，在a地投入10套，b地投入100套，一年内统计得到的保护拒动缺陷及拒动次数之和均为5次，但两地的保护可靠度未必相同。因此，二次系统的拒动失效指标可以表示为：拒动失效率=(拒动次数+拒动缺陷)/二次系统装置投运数式中拒动次数和拒动缺陷均为一个统计周期内得到的数值。3.3.2误动失效率被保护元件发生区外故障，或系统未发生任何故障时，二次系统错误动作，即为二次系统的误动失效。一些误动的发生只与二次系统及回路本身有关；另一些误动的发生则受到一次设备的影响。二次系统产生的某些缺陷，当受到一次设备的扰动时，可能会导致误动，此类缺陷属于误动缺陷。二次系统的误动失效指标可以表示为：误动失效率=(误动次数+误动缺陷)/二次系统装置投运数式中误动次数和误动缺陷均为一个统计周期内得到的数值。不同类型的运行缺陷可能导致的后果严重度也不同。某些缺陷可能直接导致二次系统误动，另一些缺陷受到一次设备扰动后才会导致误动，拒动缺陷则要在一次设备故障时才导致拒动。将二次系统的运行缺陷细化，可以得到保护各个环节的运行缺陷，由此可以得到各环节的拒动缺陷率和误动缺陷率。由于二次系统装置与相关二次回路任一部分失效，都将导致二次系统故障，因此可以按照串联系统计算整个二次系统的拒动失效率和误动失效率。对于双重化保护可以按照并联系统计算拒动失效率和误动失效率。3.3.3平均无故障时间平均无故障时间（）具体是指产品从一次故障到下一次故障的平均时间，是衡量一个产品的可靠性指标。由于二次系统的一些故障很难检测，通过统计得到的平均无故障时间要高于实际值，因此统计得到的可用度要高于实际值。检修周期的长短，能否及时发现故障，都会影响到可用度的结果。3.3.4可用度稳态可用度和平均无故障时间可以反映设备故障的频率以及修复时间的长短。通过检修可以延长设备的寿命，提高设备的可靠度，但是不一定能提高平均无故障时间，而频繁的检修也会降低设备的可用度。对于电子产品，可能会有较高的故障频率，但是多数故障通过复位、重启可以排除，由于修复时间较短，仍会有较高的可用度，但可以通过平均无故障时间反映出来。二次系统的不可用状态可以分为两类：一是二次系统产生缺陷后没有被发现，而一次设备处于正常状态，此时如果受到扰动二次系统可能导致误动，如果一次设备发生故障则会因为二次系统不可用而导致拒动；二是二次系统处于检修状态，此时保护不可用，但不会导致拒动和误动。一次设备和二次系统都有自己的可用度，如果系统中二次系统的可用度低于一次设备的可用度，则会导致一次设备可用、二次系统不可用的状况经常出现，二次系统会影响到一次设备的出力，降低整个电力系统的可用度。因此，二次系统的可用度应大于一次设备。智能变电站二次系统由继电保护装置、测控、智能终端等多个部件和环节构成，在分析整个二次系统的可靠性时，需要建立整个系统的可靠性模型，常见的可靠性数学模型有串联模型、并联模型等。串联模型：组成系统的所有单元中任何一个单元的故障都会导致整个系统故障的称为串联系统。串联系统是最常用和最简单的模型之一，其可靠性框图如图3-2所示。由于二次系统装置与二次回路任一部分失效，都将导致二次系统故障，因此二次系统可以采用串联模型进行可靠性计算。图3-2串联系统可靠性框架并联模型：组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的称为并联系统。并联系统是最简单的冗余系统，其可靠性框图如图3-3所示。对于双重化保护等系统可以采用并联模型计算。图3-3串联系统可靠性框架3.4 二次系统风险评估指标根据二次系统的特点，从运行的角度出发，借鉴故障模式与影响分析法。对二次系统存在的风险因素、故障的后果进行分析；从检修工作的角度出发，考虑到故障检测手段对风险的影响，将故障的可检度作为风险指标，结合发生度和严重度两个指标，以二次系统继电保护装置为例，对其可能引发故障的缺陷进行了风险评估。3.4.1二次系统结构状态检修工作是在对设备进行状态监测的基础上开展的。一次设备可以深入各个组成部分采用对应的测试仪器进行分析。智能变电站二次系统由智能设备和相应二次回路组成，包含大量微电子元件、高集成电路，其状态监测对象不是单一的元件，而是一个系统。对二次系统，通常可以分成以下5个部分：智能装置本体、通道部分、通讯部分、交流回路、直流控制回路，其中二次系统本体部分又分为以下6个模块：出口模块、电源模块、cpu模块、采样输入模块、开关量输入模块、人机界面等。3.4.2二次系统风险因素由于二次系统包含大量微电子元件、高集成电路，故障后通常以更换插件作为维修方法，因此，在运行中通常不对装置硬件问题进行具体分析，更强调二次系统外部环境的细分。按照二次系统运行中风险因素产生对象的不同，可以分为二次系统本身的不安全状态、操作人员的不安全行为、运行环境的不安全因素三个方面。二次系统本身可能出现的问题有：装置元器件损坏。如cpu模块芯片故障导致保护失效，跳闸出口模块故障导致拒动误动，信号出口模块故障导致误发信号，采样输入模块采样器件损坏导致采样数值异常引发拒动误动等。回路绝缘的损坏。如回路中接地引起开关跳闸，绝缘击穿造成的跳闸等。抗干扰性能差。操作干扰、冲击负荷干扰、变压器励磁涌流干扰、直流回路接地干扰、系统和设备故障干扰等非常普遍，晶体管保护、集成电路保护以及微机保护的抗干扰性能较差，可能导致一些逻辑元件误动作，甚至使出口元件动作跳闸。工作电源问题。如电源输出功率不足，稳压性能差，电源保护误动等。装置设计性能的问题。装置功能或特性存在缺陷，如变压器差动保护躲不过励磁涌流，转子接地保护的误动与拒动，保护跳闸出口继电器的接点不能断开跳闸电流等。操作人员可能产生的错误有：误碰、误操作、整定错误、接线错误等。运行环境如温度、湿度的影响，操作环境安全措施的采取等等。3.4.3二次系统故障后果二次系统故障的后果主要有误发信号、无法操作、拒动、误动等。按照对二次系统运行状况的影响，可以划分为以下三个等级。不影响保护正常运行。如二次系统对时不准；保护正确动作后装置信号异常；二次回路故障，不影响开关分合操作和保护跳闸等。影响保护正常运行，但尚不致立即造成保护误动或拒动。如二次系统装置液晶面板模糊或无显示影响运行监视；二次系统装置采样异常等。危及保护正常运行，可能立即造成二次系统误动或拒动，影响系统安全。如控制回路断线、直流接地、操作箱指示灯异常；采样公共电压回路故障；主保护功能投退压板、出口压板松脱或投切压板时压板两端电压异常等。通过有效地故障检测方法，及时发现安全隐患或故障，有助于及时采取相应的控制措施，从而预防故障的发生或减少故障造成的损失。二次系统的检测方法主要有在线监测、定时巡检等。3.4.4二次系统风险评估风险本身是一个复杂性的问题，包括了可能发生的危险或遭受到的损失及其发生的可能性大小。对二次系统而言，风险既包括设备自身面临的风险，也包括由于设备故障而引发的一次系统面临的风险。因此，在二次系统风险评估中，风险指标应当包括二次系统故障发生的可能性和造成后果的严重性两个方面，反映出二次系统对一次设备的影响：同时，考虑到有效的故障检测方法可以预防故障的发生或减少故障造成的损失