CN109802371B - 一种用于继电保护健康管理的集成系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于继电保护健康管理的集成系统及方法，包括，数据采集单元，数据采集单元用于采集设备信息；中央处理单元，用于接收和处理设备信息，并根据处理结果判断设备是否出现故障；报警单元，报警单元用于在中央处理单元检测到设备信息出现异常时报警；执行单元，执行单元用于在中央处理单元检测到设备信息出现异常时将故障设备从电力系统中切除；电源模块，电源模块用于系统内各用电设施的供电，该系统的检测更精准，能够准确的区分故障原因，避免浪费人力物力，同时能够根据各个设备发生故障的记录，确定其发展趋势和故障特性，有利于进行预防性维修，此外该系统能够对故障设备进行定位，方便工作人员快速定位和维修。
Description
技术领域
本发明涉及继电保护领域，具体为一种用于继电保护健康管理的集成系统及方法。
背景技术
继电保护是对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。继电保护是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施，因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件(发电机、变压器、输电线路等)，使之免遭损害，所以也称继电保护。继电保护的基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：电流增大、电压降低、电流与电压之间的相位角改变、测量阻抗发生变化。利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。
现有的用于继电保护健康管理的集成系统和方法通常包括采集单元，且采集单元与中央处理器连接，采集单元实时或定时采集设备的故障信息，当出现故障时，中央处理器进行报警，并主动将故障设备从电力系统中切除，避免故障恶化。
但是，现有的用于继电保护健康管理的集成系统及方法存在以下缺陷：
(1)继电保护系统在对电力系统中设备的故障信息进行检测时，不仅会在设备发生故障时报警，还会在保护装置本身发生故障、连接一次设备和保护装置的二次回路发生故障、通讯系统发生故障时报警，使得故障原因不明朗，影响继电保护的可靠性；
(2)在设备使用的不同时间段，其发生故障的概率也不同，现有的继电保护健康管理集成系统无法根据设备发生故障的记录，确定其发展趋势，从而不利于进行预防性维修，不利于保持电力系统的稳定性；
(3)电力系统中同时工作的设备有很多，当其中一个设备发生故障时，很难对故障设备进行定位，不利于工作人员快速定位维修，影响设备的使用。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种用于继电保护健康管理的集成系统及方法，该系统的检测更精准，能够准确的区分故障原因，避免浪费人力物力，有利于保证继电保护的可靠性，同时，能够根据各个设备发生故障的记录，确定其发展趋势和故障特性，有利于进行预防性维修，以确保电力系统的稳定性，此外，该系统能够对故障设备进行定位，方便工作人员快速定位维修，避免影响设备的使用，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于继电保护健康管理的集成系统，包括，
数据采集单元，所述数据采集单元用于采集设备信息，并将设备信息上传至中央处理单元；
中央处理单元，所述中央处理单元包括微处理器、存储器、定时器和计算器，用于接收和处理数据采集单元上传的设备信息，并根据处理结果判断设备是否出现故障，若出现故障，则通过报警单元报警，并通过执行单元将故障设备从电力系统中切除；
报警单元，所述报警单元用于在中央处理单元检测到设备信息出现异常时报警；
执行单元，所述执行单元包括与输入、输出接口芯片连接的开关量输入单元和开关量输出单元，且开关量输入单元和开关量输出单元均通过光电隔离器与中央处理单元连接，所述开关量输出单元与光电隔离器之间设有中间继电器，所述执行单元用于在中央处理单元检测到设备信息出现异常时将故障设备从电力系统中切除；
电源模块，所述电源模块用于系统内各用电设施的供电。
进一步地，所述数据采集单元包括电压采集模块和电流采集模块，且电压采集模块和电流采集模块分别用于采集设备上电压互感器和电流互感器的电压模拟信号、电流模拟信号，所述电压采集模块和电流采集模块均通过电量变换器连接有低通滤波器，且低通滤波器均通过模数转换模块与中央处理单元连接。
进一步地，所述中央处理单元连接有通讯单元，所述通讯单元包括与中央处理单元连接的外部通信接口和人机对话接口，所述外部通信接口连接有外部通信模块，所述人机对话接口连接有打印机和PC机。
进一步地，所述数据采集单元还包括二维码生成模块，且二维码生成模块用于生成与设备信息绑定的含设备位置信息的二维码，所述中央处理单元连接有二维码识别模块。
进一步地，所述中央处理单元连接有系统自检模块，且系统自检模块包括装置本体自检模块、二次回路自检模块和通讯自检模块。
另外，本发明还提供了一种用于继电保护健康管理的方法，包括如下步骤：
S100、收集设备历史故障统计数据，建立设备故障分布概率模型；
S200、确定故障报警时的故障来源，若故障来源并非设备，则对继电保护系统及其连接系统进行检修；
S300、若故障来源为设备，则对故障设备进行定位；
S400、确定故障设备所属阶段，制定维修计划。
进一步地，在步骤S100中，建立设备故障分布概率模型的具体步骤为：
S101、通过威布尔模型建立故障概率密度函数λ(t)以及累积故障强度函数m(t),其中，
λ(t)＝λβtβ-1，
式中，λ和β为模型参数，λ(t)为产品在单位时间内发生失效的概率，称为失效率，m(t)为λ(t)在[0，t]上的积分，表示累积故障强度函数；
S102、通过故障概率密度函数以及累积故障强度函数拟合设备故障率分布趋势；
S103、通过收集的设备历史故障数据，确定其发生一次故障平均所经过的时间t1，以及其观察区间内累积平均故障间隔时间t2；
S104、将t1和t2代入模型中，确定各个设备故障的三个阶段，即早期失效期、偶然失效期和磨损失效期的对应时间区间及故障趋势。
进一步地，在步骤S200中，确定故障来源的具体步骤为：
S201、继电保护系统对保护装置本体进行监视扫描，确定其电压电流输入回路、逆变电源、数据采样合理性、保护定值完整性、输入输出接点、数据通信环节、执行回路可靠性是否出现故障，若出现故障，则向系统发送异常信号，若无故障，则确定故障来源并非保护装置本体；
S202、继电保护系统分别对连接保护装置和一次设备的二次回路中的交流回路、直流回路、操作控制回路进行监测，若出现故障，则向系统发送异常信号，若无故障，则确定故障来源并非二次回路；
S203、继电保护系统分别对通讯系统中的保护通道和信息系统进行监测，若出现故障，则向系统发送异常信号，若无故障，则确定故障来源并非通讯系统；
S204、若故障来源不是保护装置本体、二次回路和通讯系统中的一个或几个，则判断故障来源为设备故障。
进一步地，在步骤S300中，对故障设备进行定位的方法为：在继电保护系统中安装二维码生成装置，当继电保护系统采集各个设备的信息时，二维码生成装置会对各个设备生成一个独立的二维码，并且各个二维码会与对应的采集信息绑定在一起，二维码中包含设备的位置信息，当设备发生故障时，通过扫描二维码便能获取故障设备的位置信息，实现对故障设备的快速定位。
进一步地，在步骤S400中，通过设备故障信息，确定设备处于早期失效期、偶然失效期和磨损失效期的具体阶段；
当设备处于早期失效期时，通过对设备进行参数检测和功能检验，以确保其快速渡过早期的高峰故障阶段；
当设备处于偶然失效期时，通过设备的故障趋势，对设备进行预防性维修，以延长其稳定阶段；
当设备处于磨损失效期时，通过故障分布概率模型估算其剩余寿命和维修成本，确定最后维修时间，当设备处于最后维修时间之前时，加快其监测频率，当设备到达最后维修时间，对设备进行更换。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的检测更精准，能够准确的区分故障原因是由于设备故障，还是保护装置本身发生故障，或是连接一次设备和保护装置的二次回路发生故障，通讯系统发生故障等，避免浪费人力物力，有利于保证继电保护的可靠性；
(2)本发明能够根据各个设备发生故障的记录，确定其发展趋势和故障特性，有利于进行预防性维修，以确保电力系统的稳定性；
(3)本发明能够对故障设备进行定位，方便工作人员快速定位维修，避免影响设备的使用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的流程结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种用于继电保护健康管理的集成系统，包括数据采集单元、中央处理单元、报警单元、执行单元和电源模块，电源模块用于系统内各用电设施的供电，其中，+5V供CPU等芯片电源，±15V供运算放大器及模数转换芯片电源，+24V供启动、跳闸、信号、告警继电器电源。
数据采集单元用于采集设备信息，并将设备信息上传至中央处理单元，数据采集单元包括电压采集模块和电流采集模块，且电压采集模块和电流采集模块分别用于采集设备上电压互感器和电流互感器的电压模拟信号、电流模拟信号，电压采集模块和电流采集模块均通过电量变换器连接有低通滤波器，且低通滤波器均通过模数转换模块与中央处理单元连接，使得采集的电压模拟信号、电流模拟信号能够转换为±5v或±IOV的直流信号，再经过模数转换模块转换为中央处理单元能够识别的数字信号。
中央处理单元包括微处理器、存储器、定时器和计算器，用于接收和处理数据采集单元上传的设备信息，并根据处理结果判断设备是否出现故障，若出现故障，则通过报警单元报警，并通过执行单元将故障设备从电力系统中切除，实现继电保护功能，同时，各个设备的故障记录会存储在存储器中，以便于查询并计算出设备的故障规律。
报警单元用于在中央处理单元检测到设备信息出现异常时报警，以便于工作人员察觉并做出相应处理。
执行单元包括与输入、输出接口芯片连接的开关量输入单元和开关量输出单元，且开关量输入单元和开关量输出单元均通过光电隔离器与中央处理单元连接，开关量输出单元与光电隔离器之间设有中间继电器，开关量是指非连续性信号的采集和输出，包括遥信采集和遥控输出，它有1和0两种状态，这是数字电路中的开关性质，而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开，一般开关量装置通过内部继电器实现开关量的输出，执行单元用于在中央处理单元检测到设备信息出现异常时将故障设备从电力系统中切除。
中央处理单元连接有通讯单元，通讯单元包括与中央处理单元连接的外部通信接口和人机对话接口，外部通信接口连接有外部通信模块，人机对话接口连接有打印机和PC机，通过通讯单元，能够实现对端保护的信息交换，或是将保护信息上传、接受远程信息查询和定值修改等功能。
数据采集单元还包括二维码生成模块，且二维码生成模块用于生成与设备信息绑定的含设备位置信息的二维码，中央处理单元连接有二维码识别模块，通过设置二维码生成模块，能够对故障设备进行定位，方便工作人员快速定位维修，避免影响设备的使用。
中央处理单元连接有系统自检模块，且系统自检模块包括装置本体自检模块、二次回路自检模块和通讯自检模块，装置本体自检模块、二次回路自检模块和通讯自检模块分别用于保护装置本体的监测，连接一次设备和保护装置的二次回路的监测，以及通讯系统的监测，避免当保护装置本体、连接一次设备和保护装置的二次回路以及通讯系统出现故障时，系统误认为是设备出现故障，影响检测的精准性，浪费人力物力。
另外，如图2所示，本发明还提供了一种用于继电保护健康管理的方法，包括如下步骤：
步骤S100、收集设备历史故障统计数据，建立设备故障分布概率模型，通过建立设备故障分布概率模型，能够确定设备故障发展趋势和故障特性，有利于进行预防性维修，以确保电力系统的稳定性。
电气设备的故障率基本服从典型的“浴盆曲线”模型，在某一使用时间以前，故障率呈下降趋势，称作早期失效期，早期失效期的故障主要是由于工艺缺陷、装配不当，质量检验不严格等厂商原因所引起的；在接下来一段使用时间内，故障率基本保持常数，称作偶然失效期，由于该段的故障率基本恒定，故可用指数分布表述该段的故障分布情况；再然后，设备进入老化阶段，故障率呈上升趋势，称作磨损失效期或老化失效期，当设备处于该段时，由于设备磨损、疲劳和老化等原因，设备的性能逐渐下降，故障发生的概率明显增大。
威布尔分布是瑞典物理学家Weibull教授提出的一个数学模型，在可靠性工程中被广泛应用，尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布形式，由于它可以很容易地推断出分布参数，被广泛应用于各种寿命试验的数据处理，因此可以用威布尔模型拟合故障分布概率模型。
在步骤S100中，建立设备故障分布概率模型的具体步骤为：
步骤S101、通过威布尔模型建立故障概率密度函数λ(t)以及累积故障强度函数m(t),其中，
λ(t)＝λβtβ-1，
式中，λ和β为模型参数，λ(t)为产品在单位时间内发生失效的概率，称为失效率，m(t)为λ(t)在[0，t]上的积分，表示累积故障强度函数；
步骤S102、通过故障概率密度函数以及累积故障强度函数拟合设备故障率分布趋势。
步骤S103、通过收集的设备历史故障数据，确定其发生一次故障平均所经过的时间t1，以及其观察区间内累积平均故障间隔时间t2。
步骤S104、将t1和t2代入模型中，确定各个设备故障的三个阶段，即早期失效期、偶然失效期和磨损失效期的对应时间区间及故障趋势。
步骤S200、确定故障报警时的故障来源，若故障来源并非设备，则对继电保护系统及其连接系统进行检修。
在步骤S200中，确定故障来源的具体步骤为：
步骤S201、继电保护系统对保护装置本体进行监视扫描，确定其电压电流输入回路、逆变电源、数据采样合理性、保护定值完整性、输入输出接点、数据通信环节、执行回路可靠性是否出现故障，若出现故障，则向系统发送异常信号，以便于工作人员针对保护装置本体进行检修，若无故障，则确定故障来源并非保护装置本体。
步骤S202、继电保护系统分别对连接保护装置和一次设备的二次回路中的交流回路、直流回路、操作控制回路进行监测，二次回路由交流回路和直流回路构成，是电力系统继电保护的重要组成部分，更由于其复杂、多点、分散的接线特征，二次回路的在线监测难度极大，故在微保护装置广泛应用的前提下，二次回路的故障成为影响保护系统正常工作的重要因素。
二次回路是保护装置与一次设备的重要连接纽带，其交流回路负责采集和反映一次设备的运行电流和电压，供保护装置判断当前一次设备是否发生故障；直流回路则负责保护装置的直流电源的供电以及实现保护系统的控制操作，故当二次回路出现接线错误、绝缘降低或者是接触不良等故障时则可能造成保护系统的误动或拒动故障。
在监测时，若发现二次回路出现故障，则向系统发送异常信号，以便于工作人员针对二次回路进行检修，若无故障，则确定故障来源并非二次回路。
步骤S203、继电保护系统分别对通讯系统中的保护通道和信息系统进行监测，通讯系统故障通常为调节器故障、通讯装置故障，以及电缆损坏等原因，若出现故障，则向系统发送异常信号，以便于工作人员针对通讯系统进行检修，若无故障，则确定故障来源并非通讯系统。
步骤S204、若故障来源不是保护装置本体、二次回路和通讯系统中的一个或几个，则判断故障来源为设备故障。
步骤S300、若故障来源为设备，则对故障设备进行定位。
在步骤S300中，对故障设备进行定位的方法为：在继电保护系统中安装二维码生成装置，当继电保护系统采集各个设备的信息时，二维码生成装置会对各个设备生成一个独立的二维码，并且各个二维码会与对应的采集信息绑定在一起，二维码中包含设备的位置信息，当设备发生故障时，通过扫描二维码便能获取故障设备的位置信息，实现对故障设备的快速定位，方便工作人员快速定位维修，避免影响设备的使用。
步骤S400、确定故障设备所属阶段，制定维修计划。
在步骤S400中，通过设备故障信息，确定设备处于早期失效期、偶然失效期和磨损失效期的具体阶段。当设备处于早期失效期时，通过对设备进行参数检测和功能检验，以确保其快速渡过早期的高峰故障阶段；当设备处于偶然失效期时，通过设备的故障趋势，对设备进行预防性维修，以延长其稳定阶段；当设备处于磨损失效期时，通过故障分布概率模型估算其剩余寿命和维修成本，确定最后维修时间，当设备处于最后维修时间之前时，加快其监测频率，当设备到达最后维修时间，对设备进行更换。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种用于继电保护健康管理的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S100、收集设备历史故障统计数据，建立设备故障分布概率模型；
S200、确定故障报警时的故障来源，若故障来源并非设备，则对继电保护系统及其连接系统进行检修；
S300、若故障来源为设备，则对故障设备进行定位；
S400、确定故障设备所属阶段，制定维修计划；
在步骤S400中，通过设备故障信息，确定设备处于早期失效期、偶然失效期和磨损失效期的具体阶段；
当设备处于早期失效期时，通过对设备进行参数检测和功能检验，以确保其快速渡过早期的高峰故障阶段；
当设备处于偶然失效期时，通过设备的故障趋势，对设备进行预防性维修，以延长其稳定阶段；
当设备处于磨损失效期时，通过故障分布概率模型估算其剩余寿命和维修成本，确定最后维修时间，当设备处于最后维修时间之前时，加快其监测频率，当设备到达最后维修时间，对设备进行更换。
2.根据权利要求1所述的一种用于继电保护健康管理的方法，其特征在于：在步骤S100中，建立设备故障分布概率模型的具体步骤为：
S101、通过威布尔模型建立故障概率密度函数λ(t)以及累积故障强度函数m(t),其中，
λ(t)＝λβtβ-1，
式中，λ和β为模型参数，λ(t)为产品在单位时间内发生失效的概率，称为失效率，m(t)为λ(t)在[0，t]上的积分，表示累积故障强度函数；
S102、通过故障概率密度函数以及累积故障强度函数拟合设备故障率分布趋势；
S103、通过收集的设备历史故障数据，确定其发生一次故障平均所经过的时间t1，以及其观察区间内累积平均故障间隔时间t2；
S104、将t1和t2代入模型中，确定各个设备故障的三个阶段，即早期失效期、偶然失效期和磨损失效期的对应时间区间及故障趋势。
3.根据权利要求1所述的一种用于继电保护健康管理的方法，其特征在于：在步骤S200中，确定故障来源的具体步骤为：
S201、继电保护系统对保护装置本体进行监视扫描，确定其电压电流输入回路、逆变电源、数据采样合理性、保护定值完整性、输入输出接点、数据通信环节、执行回路可靠性是否出现故障，若出现故障，则向系统发送异常信号，若无故障，则确定故障来源并非保护装置本体；
S202、继电保护系统分别对连接保护装置和一次设备的二次回路中的交流回路、直流回路、操作控制回路进行监测，若出现故障，则向系统发送异常信号，若无故障，则确定故障来源并非二次回路；
S203、继电保护系统分别对通讯系统中的保护通道和信息系统进行监测，若出现故障，则向系统发送异常信号，若无故障，则确定故障来源并非通讯系统；
S204、若故障来源不是保护装置本体、二次回路和通讯系统中的一个或几个，则判断故障来源为设备故障。
4.根据权利要求1所述的一种用于继电保护健康管理的方法，其特征在于：在步骤S300中，对故障设备进行定位的方法为：在继电保护系统中安装二维码生成装置，当继电保护系统采集各个设备的信息时，二维码生成装置会对各个设备生成一个独立的二维码，并且各个二维码会与对应的采集信息绑定在一起，二维码中包含设备的位置信息，当设备发生故障时，通过扫描二维码便能获取故障设备的位置信息，实现对故障设备的快速定位。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 315000 11 wealth center, North Bank of Jiangbei District, Zhejiang, Ningbo 4-1 Applicant after: NINGBO ELECTRIC POWER DESIGN INSTITUTE CO., LTD. Address before: 315000 Jiangbei District, Ningbo City, Zhejiang Province, 11 4-1 Buildings of Recorded Wealth Center Applicant before: NINGBO ELECTRIC POWER DESIGN INSTITUTE CO., LTD. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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