基于開關(guān)網(wǎng)絡的繼電保護二次回路狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

摘 要：為了預防電網(wǎng)事故，及時發(fā)現(xiàn)并處理繼電保護二次回路中的潛在故障，本文提出基于開關(guān)網(wǎng)絡的繼電保護二次回路狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究。采用分布式架構(gòu)，高精度傳感器全面采集電氣、信號等參數(shù)，優(yōu)化開關(guān)網(wǎng)絡配置，結(jié)合高性能時鐘驅(qū)動與冗余容錯機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定傳輸。通過濾波、智能分類等技術(shù)，實時檢測回路狀態(tài)并預警。試驗結(jié)果表明，研究技術(shù)能夠有效提高監(jiān)測靈敏度和故障識別速度，對電網(wǎng)安全具有重要意義和實際應用價值。

關(guān)鍵詞：開關(guān)網(wǎng)絡；繼電保護系統(tǒng)；二次回路狀態(tài)；實時監(jiān)測；故障預警

中圖分類號：TM 77 " 文獻標志碼：A

電力系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴大，繼電保護二次回路的狀態(tài)監(jiān)測變得十分關(guān)鍵。作為連接保護裝置與一次設備的橋梁，其穩(wěn)定性直接關(guān)系電網(wǎng)安全。耿曉娜等[1]主要通過構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測模型，對二次回路的運行狀態(tài)進行評估和預測，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，并采取相應的措施進行處理，實現(xiàn)了繼電保護二次回路的狀態(tài)監(jiān)測。龔思敏等[2]通過無線傳感器網(wǎng)絡實時采集二次回路的運行數(shù)據(jù)，并利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，實現(xiàn)了對二次回路狀態(tài)的全面監(jiān)測。盡管上述方法在繼電保護二次回路狀態(tài)監(jiān)測方面取得了一定進展，但監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析方法相對簡單，難以深入挖掘數(shù)據(jù)背后的潛在規(guī)律，從而限制了故障預測的準確性和及時性[3]。針對上述不足，本文提出基于開關(guān)網(wǎng)絡的繼電保護二次回路狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。充分利用開關(guān)網(wǎng)絡在電力系統(tǒng)中的廣泛應用和獨特優(yōu)勢，旨在通過構(gòu)建基于開關(guān)網(wǎng)絡的監(jiān)測網(wǎng)絡，實現(xiàn)對二次回路中各個節(jié)點和設備的全面、實時、精確監(jiān)測。

1 采集二次回路關(guān)鍵節(jié)點狀態(tài)參數(shù)

為了實時監(jiān)測繼電保護二次回路的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，本文對二次回路關(guān)鍵節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)采集技術(shù)進行深入研究。

本文采用分布式架構(gòu)，將高精度傳感器與數(shù)據(jù)采集單元靈活巧妙地部署在二次回路的關(guān)鍵位置，確保對二次回路狀態(tài)數(shù)據(jù)的全面覆蓋。本文采集技術(shù)設置的具體參數(shù)及采集組件部署情況見表1。

具體來說，在采集過程中，本文采集技術(shù)聚焦于電氣參數(shù)、信號狀態(tài)及設備狀態(tài)。針對電氣參數(shù)，通過高精度電流傳感器和電壓傳感器在二次回路關(guān)鍵節(jié)點實時監(jiān)測電流與電壓，深入分析回路負載，及時發(fā)現(xiàn)短路、過載等隱患[4]。針對信號狀態(tài)監(jiān)測，利用光纖模塊組件精準捕捉合閘、跳閘等控制信號以及指示燈、光字牌等狀態(tài)指示信號，確?？刂七壿嫙o誤，為運維人員提供清晰、直觀的運行狀態(tài)信息。針對設備狀態(tài)參數(shù)，通過光電傳感器和溫度傳感器密切關(guān)注斷路器、隔離開關(guān)的分合閘狀態(tài)及關(guān)鍵設備溫度，預防設備過熱引發(fā)的安全事故[5]。

本文特別考慮信號傳輸時延及光纖通信參數(shù)的監(jiān)測，在采集技術(shù)中引入高集成度的光纖模塊組件，這些組件集成了溫度和光強傳感器，并經(jīng)過深度優(yōu)化，以匹配繼電保護二次回路的特性，從而精確測量激光功率、光口溫度等關(guān)鍵參數(shù)，能夠提高采集數(shù)據(jù)的準確性和實時性。通過上述技術(shù)采集的繼電保護二次回路狀態(tài)參數(shù)為后續(xù)的狀態(tài)識別打下堅實的數(shù)據(jù)基礎。

2 利用開關(guān)網(wǎng)絡傳輸關(guān)鍵節(jié)點狀態(tài)參數(shù)

在本文基于開關(guān)網(wǎng)絡的繼電保護二次回路狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中，核心聚焦于利用開關(guān)網(wǎng)絡高效、安全地傳輸關(guān)鍵節(jié)點狀態(tài)參數(shù)，以確保參數(shù)信息能夠迅速、準確地送到數(shù)據(jù)處理中心并進行分析處理。

傳輸模塊以開關(guān)網(wǎng)絡為核心架構(gòu)，借助光纖線路作為傳輸媒介，將各個數(shù)據(jù)采集點緊密有序地串聯(lián)起來。并采用先進的通信協(xié)議與加密技術(shù)，抵御數(shù)據(jù)傳輸過程中的篡改與竊取風險。針對提高數(shù)據(jù)傳輸性能的需求，本文深入研究開關(guān)網(wǎng)絡的配置與優(yōu)化方法，實施詳盡的開關(guān)網(wǎng)絡配置與優(yōu)化策略。通過運用精細的網(wǎng)絡拓撲設計與負載均衡技術(shù)，即使面對高負載的傳輸環(huán)境時，傳輸模塊也能保持高速、穩(wěn)定的運行狀態(tài)，確保關(guān)鍵節(jié)點狀態(tài)參數(shù)的實時傳遞[6]。開關(guān)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

針對信號參數(shù)完整性要求極高的特殊線路，本文特別選用IDT49FCT3805APY等高性能時鐘驅(qū)動器，并結(jié)合精確的匹配電阻配置與靈活的交流耦合方式，確保信號質(zhì)量的顯著提高與傳輸過程的穩(wěn)定可靠。

為了降低傳輸功耗并提高長距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性，本文引入開關(guān)網(wǎng)絡管理技術(shù)。通過精確控制開關(guān)狀態(tài)及優(yōu)化選擇數(shù)據(jù)傳輸路徑，能夠有效降低傳輸過程中的能源消耗[7]。針對遠距離傳輸可能引發(fā)的延遲問題，本文采用分段式交換開關(guān)矩陣設計。該設計將長距離傳輸路徑劃分為多個短距離段，并結(jié)合局部總線技術(shù)，能夠降低信號在傳輸過程中的衰減與延遲現(xiàn)象，進一步增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。分段式交換開關(guān)矩陣示意圖如圖2所示。

為了進一步增強傳輸?shù)目煽啃?，本文在開關(guān)網(wǎng)絡模塊中融入冗余路徑的容錯機制。具體來說，通過構(gòu)建2個交叉開關(guān)形成的雙重保障路徑，傳輸模塊能夠在單一路徑發(fā)生故障時，迅速切換至備用路徑，確保關(guān)鍵節(jié)點狀態(tài)參數(shù)的不間斷傳輸[8]。

3 實時檢測繼電保護二次回路狀態(tài)

為了確保繼電保護系統(tǒng)能夠迅速、準確地響應電力系統(tǒng)中的故障或異常情況，本文通過實時檢測繼電保護二次回路的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并預防潛在的運行風險，保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。對二次回路關(guān)鍵節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進行精細化處理，引入濾波算法，對輸入的二次回路狀態(tài)信號進行變換，剔除無用頻率分量，同時增強特定頻率范圍內(nèi)的有用信息，提高信號質(zhì)量，為后續(xù)的分析工作奠定堅實的基礎。濾波處理過程如公式（1）所示。

（1）

式中：x（t-n）為采集的繼電保護二次回路狀態(tài)原始信號；n為經(jīng)過濾波后的信號數(shù)量；h（n）為濾波器的系數(shù)；N為濾波器的階數(shù)。

通過公式（1）能夠改善信號的信噪比，提高數(shù)據(jù)處理的精確性和效率。

采用智能分類技術(shù)，將捕獲的二次回路狀態(tài)信息精準劃分為不同文件類別，并通過主成分分析提取回路中異常信號的特征向量，如公式（2）所示。

f=WTy （2）

式中：y為經(jīng)過濾波處理后的二次回路狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)向量；W為PCA的變換矩陣。

為了進一步提高故障識別的精度與效率，本文采用高斯混合模型來描述電流和電壓參數(shù)的聯(lián)合分布。針對電流參數(shù)I和電壓參數(shù)V，其聯(lián)合概率密度函數(shù)如公式（3）所示。

（3）

式中：μk為第k個高斯分量在其多維空間中的中心位置；γ為高斯分量在其多維空間中的數(shù)控；πk為從整個繼電保護二次回路狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)集中選擇第k個高斯分量作為數(shù)據(jù)生成來源的概率[9]。

當解析電流參數(shù)時，使用滑動窗口平均法來計算電流的平均水平，如公式（4）所示。

（4）

式中：C為窗口大?。籌（t）為窗口內(nèi)各時間點的電流值；t0為窗口起始時間。

在智能比對環(huán)節(jié)，將實時采集分析的電流參數(shù)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中預設的參數(shù)范圍閾值Ir進行比對。一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)值超出合理范圍，立即判定為異常狀態(tài)，并激活警告功能，通過操控指揮界面上的醒目紅色圖標直觀展示異常文件詳情，迅速吸引管理人員注意，實現(xiàn)故障的即時預警與處理[10]。這一整套機制能夠提高二次回路故障響應速度，確保監(jiān)測過程的全面性和及時性。

4 試驗

4.1 試驗準備

為了驗證本文技術(shù)的可行性，在試驗準備階段，本文設計并搭建一個全面的試驗環(huán)境。旨在模擬實際電力系統(tǒng)中繼電保護二次回路的運行狀態(tài)，并通過精確的測量和監(jiān)測設備來評估所提方法的有效性和準確性。試驗環(huán)境主要組件及其關(guān)鍵參數(shù)的詳細介紹見表2。

在進行試驗前，必須確保所有監(jiān)測設備均經(jīng)過嚴格校準，并具備高靈敏度和低誤報率，以捕捉并準確記錄回路中的任何細微變化。在試驗過程中，將安全操作作為首要原則，工作人員務必穿戴好絕緣防護裝備，與帶電區(qū)域保持安全界限，同時嚴格遵循既定操作規(guī)范。針對潛在的高電壓、大電流作業(yè)環(huán)境，必須采取雙重絕緣、隔離等措施，確保人身安全。

4.2 試驗結(jié)果及分析

為了驗證本文方法的優(yōu)越性，設計并實施一系列對比試驗。試驗特別選取2種具有代表性的對比方法作為參照：對比方法1是文獻[1]智能變電站繼電保護二次回路的運行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，對比方法2是文獻[2]智能變電站繼電保護二次回路的運行狀態(tài)監(jiān)測分析技術(shù)。試驗選取7個典型場景，涵蓋變電站運行過程中可能遇到的各種復雜工況。系統(tǒng)地記錄3種方法在不同場景下的監(jiān)測靈敏度，對比試驗表格見表3。

根據(jù)表3的試驗結(jié)果可以看出，本文方法在各個試驗場景下均具有明顯的性能優(yōu)勢，其監(jiān)測靈敏度顯著超越對比方法。具體來看，在高溫高濕、強電磁干擾等極端環(huán)境下，本文方法不僅保持了高穩(wěn)定性，還顯著提高了監(jiān)測精度，充分證明本文方法在惡劣環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和可靠性。特別是在負載突變和長時間連續(xù)運行等關(guān)鍵測試場景中，本文方法以極高的監(jiān)測靈敏度，準確捕捉了系統(tǒng)狀態(tài)的細微變化，充分證明本文方法在快速響應和持續(xù)監(jiān)測方面的能力。在模擬回路老化和極端電壓波動等場景中，較高的監(jiān)測靈敏度說明本文方法能夠有效降低因設備老化或電壓不穩(wěn)定而導致的故障風險。針對部分元件故障的場景下，本文方法的高靈敏度監(jiān)測為及時發(fā)現(xiàn)并處理故障提供了有力支持，進一步保障了變電站的整體運行安全。綜上所述，本文方法不僅在各個試驗場景下均具有較高的監(jiān)測性能，而且能夠更準確地捕捉系統(tǒng)狀態(tài)變化，從而確保迅速且高效地應對各類復雜工況。

5 結(jié)語

本文深入探索了以開關(guān)網(wǎng)絡為核心的數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)測框架的構(gòu)建，成功實現(xiàn)了對繼電保護二次回路狀態(tài)的全方位、實時性、高精度監(jiān)測，提高了電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。該技術(shù)通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸與處理機制，從根本上解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方法中普遍存在的監(jiān)測精度受限、實時響應滯后以及系統(tǒng)架構(gòu)復雜等問題。在未來的研究中，需要通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和應用實踐，不斷優(yōu)化和完善該技術(shù)體系。

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