CN113777531A - 一种变电站操作回路监测与故障分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站操作回路监测与故障分析方法，应用于实现变电站内继电保护装置操作回路的实时监测与故障区域、故障类型智能判断，将整个操作回路分割成若干部分，并选取各部分重要接点电压作为实时监测信号，通过比较正常运行及故障不同状况时各部分两端电压实时监测数据后自动判断各部分接点是否正常动作、操作回路是否完整。通过对本发明技术方案的应用，继电保护专业工作人员根据装置实时监测数据及告警状态判断操作回路运行工况，同时装置给出的操作回路故障区域、故障类型逻辑判断结果，能够帮助检修人员快速定位故障位置，大大提高了操作回路控制回路断线缺陷处理效率，降低了停电时长，具有一定推广应用价值。

Description

一种变电站操作回路监测与故障分析方法

技术领域

本发明涉及变电站领域，具体涉及一种变电站操作回路监测与故障分析方法。

背景技术

操作回路由保护动作接点、继电器以及连接接点与继电器的电缆组成。操作回路完整性很大程度上由各种接点是否动作、控制电缆有无损坏决定。当电网设备如输电线路、变压器等发生短路故障时，继电保护装置采集短路电流并经逻辑判断后即出口跳闸。操作回路存在断线情况时，保护装置虽然动作仍无法跳开断路器隔离故障。因此，继电保护装置对操作回路完整性具有很大的依赖性，应保证操作回路实时完整性。为此，继电保护装置设置了专门的“控制回路断线”信号实时监测操作回路的完整性。但该监测回路只能监测整个回路，无法分析具体是哪一段或某一部分回路状况，无法实现故障定位。

若能探索研究新技术与新方法，开发实时监测操作回路各部分运行情况的装置，从而自动智能判断接点是否正确闭合、跳合闸回路是否完整、跳合闸电压是否正常、回路是否有接地等状态，这对于配合二次设备状态检修、保证操作回路正常状态、确保电力系统安全稳定运行具有重要意义。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明公开了一种变电站操作回路监测与故障分析方法，能够实时监测操作回路运行工况，且当操作回路出现故障时能够给出故障区域及故障类型，从而为提高检修工作质量与效率、降低电网设备停电时间提供决策支撑。

本发明按以下技术方案实现：

一种变电站操作回路监测与故障分析方法，应用于实现变电站内继电保护装置操作回路的实时监测与故障区域、故障类型智能判断，将整个操作回路分割成若干部分，并选取各部分重要接点电压作为实时监测信号，通过比较正常运行及故障不同状况时各部分两端电压实时监测数据后自动判断各部分接点是否正常动作、操作回路是否完整。

具体的方案：通过选取三个监测点将整个操作回路分成三个区域和一个保护动作接点；其中，区域1为操作正电源到监测装置之间，区域2为监测装置出口到操作箱出口之间，区域3为操作箱出口至操作负电源之间；监测装置采集监测点电压并进行逻辑判断，从而给出不同故障区域及故障类型结果，实现对操作回路的实时监测与故障状态告警。

具体的方案：所述监测装置主要由电压采集单元、处理器、电压变送器、电源模块组成；其中，所述电压变送器与监测点电压相连，用于将高压转换成低压，所述处理器通过电压采集单元与电压变送器相连，电压采集单元将电压变速器输入的模拟信号转换成数字信号传递给处理器。

优选的方案：所述电压变送器选用WS1521直流传感器进行操作回路电压的转换，将0-300V的直流电压转换成直流0-5V电压。

优选的方案：所述处理器采用Arduino控制板，Arduino控制板具有14个数字引脚，6个模拟输入引脚，监测点电压通过电压变换器后转化为0-5V之间、电流不大于40mA且可供Arduino输入的小电压；Arduino控制板取两个数字引脚分别采样开关位置和保护合闸命令，另取8个引脚作为8种状态点亮LED灯，对应8种故障状态。

具体的方案：监测装置将所有故障状态分为8种情况，即：正常状态、正接地、负接地、区域1故障、区域2故障、区域3故障、保护动作接点异常以及多种情况下的复杂故障。

具体的方案：监测装置按如下规则进行电压变换：

监测节点电压能够分为正电位、负电位、零电位三种情况；

最低电压不应低于额定电压的85％，最高电压不应高于额定电压的110％；

对采样正电规定为93.5V～121V，采样为负规定为-126.5V～-99V，零电位规定为-99V～93.5V，直流正极接地时电压规定为-220V～-126.5V，直流负极接地时电压规定为121V～220V。

具体的方案：监测装置按如下规则进行断路器为跳闸位置时的故障逻辑判断：

控制命令K为合闸节点的开入，K＝1表示保护发出合闸命令，K＝0表示非跳合闸的正常状态；

当断路器在跳闸位置且K＝1时，三个监测点电压都为+，说明合闸节点正常；否则只要监测点2电压非正，表示合闸节点有故障；

当断路器在跳闸位置且K＝0时，将所有可能情况进行统计分析，以全面反应操作回路不同区域的断线及接地故障；

状态3为监测点2非0，说明区域2故障，很大可能为二级管击穿，可以量到负电压；

状态4表示区域3内有断路的情况，正常情况下监测点3是负电，量到正电说明断路器机构内部有开路情况；

状态5为合闸回路在断路器分位时的正常状态；

状态6为复杂故障，可能为区域2和区域3同时发生断线；

状态7为区域1故障，即操作正电源到保护装置回路回路断线；

状态8为区域1故障；

状态9如果监测点1正电压抬高到121V以上，则为负接地；

状态10，如果监测点3负电压降低，低于-126.50V，则判为正接地；

其余状态为多点故障复杂状态。

具体的方案：监测装置按如下规则进行断路器为合闸位置时的故障逻辑判断：

断路器在合闸位置时，如合闸节点有开入，则说明节点或保护装置有故障；

状态2表示只要监测点2不是零电位，区域2有故障，很可能为二级管击穿的故障；

状态3一般为正常状态，如果正电压抬高则为负接地；

状态4表示断路器机构内部可能有故障；

状态5表示区域2有故障，很可能是TWJ监视回路的问题；

状态6说明区域1发生了断线的故障；

状态7可能为区域1、区域2同时故障，也有可能为正接地；

状态8监视节点1正电压抬高，为负接地；

状态9、状态10为多点故障复杂故障。

具体的方案：监测装置对断路器为跳闸回路的分析方法与断路器为合闸回路分析方法相同，实现对断路器全回路、全工况、全状态的监测。

本发明有益效果：

通过对本发明技术方案的应用，继电保护专业工作人员根据装置实时监测数据及告警状态判断操作回路运行工况，同时装置给出的操作回路故障区域、故障类型逻辑判断结果，能够帮助检修人员快速定位故障位置，大大提高了操作回路控制回路断线缺陷处理效率，降低了停电时长，具有独立应用性良好、可操作性强、不引入寄生回路等特点，具有一定推广应用价值。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

在附图中：

图1为典型操作回路原理图；

图2为监测节点选择及故障区域划分示意图；

图3为操作回路监测与故障分析装置原理图。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

断路器操作回路原理如图1所示。以合闸回路为例，ZHJ与SHJ分别是重合闸接点与手合接点，HBJ是合闸保持继电器接点。合闸时，保护发出合闸脉冲命令，ZHJ或SHJ短暂闭合，起动HBJ线圈，HBJ接点闭合持续给合闸线圈HQ供电，直到断路器合闸，断路器常闭接点QF1断开回路，合闸过程完成。以上任何一个环节发生问题，都会导致合闸失败，分闸回路同理。为监视操作回路完整性，目前采用HWJ与TWJ继电器并接入分合闸回路中，通过控制回路断线信号来反应操作回路出现的断线问题。

首先，上述方法并不能实现回路的全工况监测。如断路器在合位时发生合闸回路断线，装置不会报控制回路断线信号，是没有任何反应的。同理，在分位时发生跳闸回路断线也是一样。其次，对于a点之前的回路发生的任何故障，控制回路断线信号均无法反应，例如保护合闸接点不动作，保护到操作箱回路断线等。最后，在操作回路发生接地故障时，装置也无反应。在查找直流接地时，如果能够较准确的判断出操作回路的故障，可以大大减少对于控制回路的拉路，提高保护装置的可靠性。

本发明按逻辑功能将完整操作回路合理分割成若干部分，并选取各部分重要接点电压作为实时监测信号，如操作回路正电源，保护跳闸、保护重合闸接点两端电压，操作回路负电源等。通过比较正常运行及故障等不同状况时各部分两端电压实时监测数据后自动智能判断各部分接点是否正常动作、操作回路是否完整等情况，从而为提高检修工作质量与效率、降低电网设备停电时间提供决策支撑。

如图2所示，选择监测装置、操作箱及断路器机构两两之间的三个节点作为监测节点，即典型操作回路中1-21n的501、1-21n的524、1-21Q2D21三个点作为监测节点，从而将整个回路分为三个区域和一个保护动作节点；断路器控制回路在断路器合位、断路器分位及保护合闸瞬间，监测节点的电压是不一样的，通过三个监测点在不同状态下的电压，可以及时发现回路断线及接地的情况，并准确判断故障区域及类型。其中：区域1为操作正电源到监测装置之间，区域2为监测装置出口到操作箱出口之间，区域3为操作箱出口至操作负电源之间。

需要说明的是，监测装置将所有故障状态分为8种情况，即：正常状态、正接地、负接地、区域1故障、区域2故障、区域3故障、保护动作接点异常以及多种情况下的复杂故障。

具体的方案：监测装置主要由电压采集单元、处理器、电压变送器、电源模块组成；其中，所述电压变送器与监测点电压相连，用于将高压转换成低压，所述处理器通过电压采集单元与电压变送器相连，电压采集单元将电压变速器输入的模拟信号转换成数字信号传递给处理器。

优选的方案：电压变送器选用WS1521直流传感器进行操作回路电压的转换，将0-300V的直流电压转换成直流0-5V电压。

优选的方案：处理器采用Arduino控制板，Arduino控制板具有14个数字引脚，6个模拟输入引脚，监测点电压通过电压变换器后转化为0-5V之间、电流不大于40mA且可供Arduino输入的小电压；Arduino控制板取两个数字引脚分别采样开关位置和保护合闸命令，另取8个引脚作为8种状态点亮LED灯，对应8种故障状态。

本发明将监测节点电压接入监测装置，监测装置根据不同的电压状况能够分析并反馈回路的状态，从而实现对断路器控制回路的全回路、全工况、全状态监测。其原理如图3所示。

以操作回路电压220V为例，监测节点电压可以分为正电位、负电位、零电位三种情况。根据GB/T 50976-2014《继电保护及二次回路安装及验收规范》中对运行中电压的要求：最低电压不应低于额定电压的85％，最高电压不应高于额定电压的110％。对采样正电规定为93.5V～121V，采样为负规定为-126.5V～-99V，零电位规定为-99V～93.5V，直流正极接地时电压规定为-220V～-126.5V，直流负极接地时电压规定为121V～220V，其对应关系如表1所示。

表1采样电压值对应状态

以合闸回路为例，断路器在跳闸位置与合闸位置时的监测节点电压分别如表2和表3所示。

表2跳闸位置时监测节点电压

注：表中“/”表示该监测点处电压对逻辑判断结果无影响。

其中，控制命令K为合闸节点的开入，K＝1表示保护发出合闸命令，K＝0表示非跳合闸的正常状态。K＝1时，三个监测点电压都为+，说明合闸节点正常；否则只要监测点2电压非正，表示合闸节点有故障。

K＝0时，将所有可能情况进行统计分析，以全面反应操作回路不同区域的断线及接地故障。状态3为监测点2非0，说明区域2故障，很大可能为二级管击穿，可以量到负电压；状态4表示区域3内有断路的情况，正常情况下监测点3是负电，量到正电说明断路器机构内部有开路情况；状态5为合闸回路在断路器分位时的正常状态；状态6为复杂故障，可能为区域2和区域3同时发生断线；状态7为区域1故障，即操作正电源到保护装置回路回路断线；状态8为区域1故障；状态9如果监测点1正电压抬高到121V以上，则为负接地；状态10，如果监测点3负电压降低，低于-126.50V，则判为正接地；其余状态为多点故障等复杂状态。

表3合闸位置时监测节点电压

注：表中“/”表示该监测点处电压对逻辑判断结果无影响。

此时开关在合位，如合闸节点有开入，则说明节点或保护装置有故障；状态2表示只要监测点2不是零电位，区域2有故障，很可能为二级管击穿的故障；状态3一般为正常状态，如果正电压抬高则为负接地；状态4表示断路器机构内部可能有故障，状态5表示区域2有故障，很可能是TWJ监视回路的问题；状态6说明区域1发生了断线的故障；状态7可能为区域1、区域2同时故障，也有可能为正接地，需借助其他条件判断；状态8监视节点1正电压抬高，为负接地；状态9、状态10为多点故障等复杂故障。

需要说明的是，跳闸回路的分析方法与合闸回路分析方法同理，在此不做详述。由以上分析可知，该方法能够实现对断路器全回路、全工况、全状态的监测，且使用采集节点电压的方法，具有不改变原来回路、可靠性高且经济性好的特点和优势。

综上，通过对本发明技术方案的应用，继电保护专业工作人员根据装置实时监测数据及告警状态判断操作回路运行工况，同时装置给出的操作回路故障区域、故障类型逻辑判断结果，能够帮助检修人员快速定位故障位置，大大提高了操作回路控制回路断线缺陷处理效率，降低了停电时长，具有独立应用性良好、可操作性强、不引入寄生回路等特点，具有一定推广应用价值。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种变电站操作回路监测与故障分析方法，应用于实现变电站内继电保护装置操作回路的实时监测与故障区域、故障类型智能判断，其特征在于：

将整个操作回路分割成若干部分，并选取各部分重要接点电压作为实时监测信号，通过比较正常运行及故障不同状况时各部分两端电压实时监测数据后自动判断各部分接点是否正常动作、操作回路是否完整。

2.根据权利要求1所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

通过选取三个监测点将整个操作回路分成三个区域和一个保护动作接点；

其中，区域1为操作正电源到监测装置之间，区域2为监测装置出口到操作箱出口之间，区域3为操作箱出口至操作负电源之间；

监测装置采集监测点电压并进行逻辑判断，从而给出不同故障区域及故障类型结果，实现对操作回路的实时监测与故障状态告警。

3.根据权利要求1所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

所述监测装置主要由电压采集单元、处理器、电压变送器、电源模块组成；

其中，所述电压变送器与监测点电压相连，用于将高压转换成低压，所述处理器通过电压采集单元与电压变送器相连，电压采集单元将电压变速器输入的模拟信号转换成数字信号传递给处理器。

4.根据权利要求3所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

所述电压变送器选用WS1521直流传感器进行操作回路电压的转换，将0-300V的直流电压转换成直流0-5V电压。

5.根据权利要求3所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

所述处理器采用Arduino控制板，Arduino控制板具有14个数字引脚，6个模拟输入引脚，监测点电压通过电压变换器后转化为0-5V之间、电流不大于40mA且可供Arduino输入的小电压；

Arduino控制板取两个数字引脚分别采样开关位置和保护合闸命令，另取8个引脚作为8种状态点亮LED灯，对应8种故障状态。

6.根据权利要求1所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

监测装置将所有故障状态分为8种情况，即：正常状态、正接地、负接地、区域1故障、区域2故障、区域3故障、保护动作接点异常以及多种情况下的复杂故障。

7.根据权利要求1所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

监测装置按如下规则进行电压变换：

监测节点电压能够分为正电位、负电位、零电位三种情况；

最低电压不应低于额定电压的85%，最高电压不应高于额定电压的110%；

对采样正电规定为93.5V~121V，采样为负规定为-126.5V~-99V，零电位规定为-99V~93.5V，直流正极接地时电压规定为-220V~-126.5V，直流负极接地时电压规定为121V~220V。

8.根据权利要求1所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

监测装置按如下规则进行断路器为跳闸位置时的故障逻辑判断：

控制命令K为合闸节点的开入，K=1表示保护发出合闸命令，K=0表示非跳合闸的正常状态；

当断路器在跳闸位置且K=1时，三个监测点电压都为+，说明合闸节点正常；否则只要监测点2电压非正，表示合闸节点有故障；

当断路器在跳闸位置且K=0时，将所有可能情况进行统计分析，以全面反应操作回路不同区域的断线及接地故障；

状态3为监测点2非0，说明区域2故障，很大可能为二级管击穿，可以量到负电压；

状态4表示区域3内有断路的情况，正常情况下监测点3是负电，量到正电说明断路器机构内部有开路情况；

状态5为合闸回路在断路器分位时的正常状态；

状态6为复杂故障，可能为区域2和区域3同时发生断线；

状态7为区域1故障，即操作正电源到保护装置回路回路断线；

状态8为区域1故障；

状态9如果监测点1正电压抬高到121V以上，则为负接地；

状态10，如果监测点3负电压降低，低于-126.50V，则判为正接地；

其余状态为多点故障复杂状态。

9.根据权利要求1所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

监测装置按如下规则进行断路器为合闸位置时的故障逻辑判断：

断路器在合闸位置时，如合闸节点有开入，则说明节点或保护装置有故障；

状态2表示只要监测点2不是零电位，区域2有故障，很可能为二级管击穿的故障；

状态3一般为正常状态，如果正电压抬高则为负接地；

状态4表示断路器机构内部可能有故障；

状态5表示区域2有故障，很可能是TWJ监视回路的问题；

状态6说明区域1发生了断线的故障；

状态7可能为区域1、区域2同时故障，也有可能为正接地；

状态8监视节点1正电压抬高，为负接地；

状态9、状态10为多点故障复杂故障。

10.根据权利要求1所述的一种变电站操作回路监测与故障分析方法，其特征在于：

监测装置对断路器为跳闸回路的分析方法与断路器为合闸回路分析方法相同，实现对断路器全回路、全工况、全状态的监测。

Images