广东电网有限责任公司东莞供电局
摘要：为提高变电站运维人员对GIS设备刀闸状态判断准确性，本文在详细分析GIS刀闸操作场景和分合风险的基础上，讨论了当前GIS刀闸风险通用防护措施，进一步的针对当前防护措施的缺陷，提出基于自动化测量的GIS刀闸分合故障智能诊断技术。文章具体阐述了GIS刀闸分合故障智能诊断体系架构，同时建立适应于多类GIS操作场景的刀闸状态判定逻辑与方法，设计符合实际与应用要求的刀闸分合故障智能诊断流程。文章提出的基于自动化量测的GIS刀闸分合故障智能诊断技术，突破了当前GIS刀闸风险防护措施在可靠性和防护范围上的缺陷，为变电站运维人员正常操作刀闸和避免安全事故提供重要参考依据，有效避免因刀闸分合不到位而导致的安全运行风险。
关键词：GIS刀闸，自动化测量，分合故障，智能诊断
0引言
随着智能电网的逐步发展，组合电器设备（GIS）以其结构紧凑、维护量小以及不受外界环境条件影响等优点大量应用于城市电网建设[1]。GIS刀闸作为变电站使用最多的设备，主要承担隔离电压、换接线路以及可靠接地等工作的重要设备，其迅速、完全和可靠的分合是供电与运行安全的重要保障。
然而，随着GIS逐步替代传统敞开式设备，其全封闭的设计方法给运行维护人员带来难以直接观测设备状态和分合结果的障碍[2-4]，运维人员仅依据辅助接点的返回和传动机构间接判断刀闸位置，无法确保刀闸是否分合到位[5-7]。因此为进一步提高设备运维水平，减少由于刀闸分合不到位造成的事故，有必要研究基于可观测电气量的刀闸开合位置状态诊断方法，以辅助运维人员操作决策。
本文首先在详细分析GIS刀闸分合风险及故障类型的基础上，研究了当前GIS刀闸风险防护的通用做法，着重分析了通用防护措施的缺陷与风险；进一步，本文提出基于自动化量测的GIS刀闸分合故障智能诊断方法，从体系架构、诊断逻辑和应用效益三方面进行了具体阐述，并结合相关案例与应用场景进行详细说明。文章提出基于自动化量测的GIS刀闸分合故障智能诊断在通用刀闸分合风险防护措施的基础上进行GIS刀闸分合状态判定，方法具备准确、可靠、快速和辨识度高等优势，为变电站运维人员故障诊断和避免安全事故提供了重要参考依据。
1 GIS刀闸风险分析
随着GIS刀闸的逐步推广，GIS在直观性差、缺陷率高等问题也逐渐突显[8]。南方电网公司2010年出台的《GIS设备典型缺陷及故障分析》报告指出，全年由于GIS设备引发的事故共有两起，两起事件均由GIS不完全分合闸或非全相分合闸引起。造成GIS事故频发的原因大多可归纳为安装工艺不严和元件质量缺陷两种，其中GIS设备故障中又以开关元件故障最为常见，其故障率达到30%。
为进一步研究GIS刀闸风险和建立与之对应的诊断和预防措施，需要对变电站中需要GIS刀闸开合操作的场景进行归纳，如表1所示，列出变电站中GIS刀闸所有操作场景，并对各类操作场景进行的简要的风险分析。
表1 GIS刀闸操作操作场景与风险分析
母线PT刀闸操作导致母线电压显示不正常串补刀闸操作导致线路功率极限降低引发安稳问题
如表1所示，变电站各类操作场景中存在大量GIS开合动作，为保障变电站各类调度控制与运维检修工作能够安全可靠实施，需要对各操作场景中GIS刀闸不完全或非全相分合闸所造成风险的外部特征进行分析，并针对各类操作场景建立与之对应的故障诊断逻辑。
2通用GIS刀闸分合风险防护措施
2.1通用GIS刀闸分合风险防护措施
为提高运行人员对隔离刀闸和接地刀闸开合闸位置的辨识能力，降低由GIS刀闸机构缺陷和误操作带来的风险，电网公司制定了包括一次方面检查判断与二次方面检查判断相结合的GIS刀闸位置状态诊断方法。如表2所示列出GIS刀闸位置诊断的检查对象与对应诊断方法。
表1 GIS刀闸位置诊断方法
2.2通用措施缺陷分析
当前电网公司对GIS刀闸位置诊断建立一整套检查方法和规程，然而电网运行过程中仍然存在由于GIS开合闸不到位而引发事故，究其原因一方面在于GIS设备制造工艺、安装工艺难以达到要求，另一方面则在于GIS刀闸运维和故障诊断方法存在范围上、效率上的缺陷，其具体体现在：
1）一次方面检查中GIS刀闸位置判定依赖于运维人员现场确认，其在故障判断速度上存在不足，难以迅速发现并解除GIS刀闸故障；
2）由于GIS设备封闭设计，运维人员在进行一次方面检查时难以直观检查开关触头是否完全分合，其通过传动机构和位置指示牌等间接观测方式，容易受到观察角度、设备制造工艺和灵敏性等因素的干扰；
3）二次方面检查由报文分析或监控系统对GIS刀闸位置进行判断，这种方式一方面依赖于刀闸辅助触点的正确信号返回，另一方面依赖遥测信号的有效传递，二次方面对GIS刀闸开合风险防范依旧存在不可靠因素。
针对当前GIS刀闸风险防护通用措施在可靠性、速动性上的缺陷[9-10]，本文建立一种基于自动化量测的GIS刀闸分合故障智能诊断方法，通过分析一次电气量信息辅助判断GIS刀闸开合状态，为变电站运维人员提供重要分析和参考依据。
3基于自动化量测的GIS刀闸分合故障智能诊断
3.1GIS刀闸分合故障智能诊断体系架构
目前，变电站运行人员在监控后台以遥控方式操作一次设备，后台根据装置返校命令是否成功和一次设备状态遥信的变化判断遥控是否成功。但正如第一节背景所述，后台采集的一次设备状态遥信不一定能真实反映设备的当前运行状态。因此本文设计了GIS刀闸分合故障智能诊断系统，该系统在现有判断条件的基础上增加了辅助判断条件，以一次设备状态遥信作为主判据，母联功率，电流，电压等测量信息在倒闸操作前后的变化量作为辅助判据进一步判断GIS倒闸是否分合到位。遥控成功后，由状态遥信的变化启动辅助判据的逻辑判断，若辅助判据结果显示设备分合不到位，后台给出告警提示。根据现场运行经验及数据采集与监视控制系统的自身特点，GIS刀闸分合故障的智能诊断系统体系架构可以被设计为下图所示结构。
图1 GIS刀闸分合故障智能诊断架构图
其中信息采集系统中的采集信息是SCADA采集来的现场实时数据，为刀闸开合故障诊断系统提供诊断所需的必要信息；数据输入系统根据刀闸装设地点，和刀闸开合的场景，输入故障诊断所需的基本逻辑判定信息和阀值；故障诊断系统根据预设逻辑条件和现场数据，实时监控刀闸状态并随时传输信息至显示系统；显示系统根据故障诊断系统传来的信息实时显示刀闸状态，使操作人员随时了解刀闸的状态信息，以便进行下一步操作。
3.2 GIS刀闸分合故障智能诊断逻辑
在倒闸操作前，需要根据SCADA系统的采集信息预判此时是否能够进行倒闸操作，其操作条件为：
GIS刀闸分合故障智能诊断的初始化条件是从SCADA返回的所需诊断的刀闸信号处于合位，然后才能启动诊断系统，该诊断系统的诊断逻辑可以分为功率诊断逻辑，电流诊断逻辑和电压诊断逻辑，下面以220kV线路热倒母线操作为例，分别介绍功率诊断判据和电流诊断判据，电压诊断逻辑与电流诊断逻辑类似，不再赘述。
（1）功率诊断逻辑
功率诊断逻辑通过分析SCADA传输来得母线功率信息来判断刀闸是否合闸到位，为消除倒闸操作过程中，暂态变化过程对判据准确性的影响，智能诊断时应丢弃刀闸位置变化前后2秒的测量数据，文中描述运算数据都为丢弃这段时间的数据。功率诊断逻辑的流程图如图1所示。
图2 线路热倒母功率诊断逻辑
首先通过遥测信号判断刀闸是否符合公式（1）条件，如果符合，即预判条件满足，则检测遥测信号中刀闸状态信号是否处于合位，如果处于合位，即启动条件满足，则启动功率判据逻辑，此时读取存储器中合闸前5秒母联功率平均值，判断其是否大于2倍的零漂功率，如果判定为否，说明两母线在母联和双跨间没有穿越功率，此种极端情况只能人工参与诊断。判定结果为是则进行下一步判定，假定刀闸未合的情况下计算目标母线连接间隔功率算数和，该功率大于给定的零漂功率定值，则判断刀闸倒闸过程中的部分刀闸已经合闸到位，此时需要读取存储器刀闸操作前后一段时间的母联电流数据，进一步判定各相刀闸是否合闸到位，以A相为例，其判据为：
t0为刀闸位置变化时刻，若果满足该判据，则说明A相刀闸合闸成功，否则判定A相合闸不到位，B相、C相刀闸合位判断方法与A相相同，在此不再赘述。
（2）电流诊断逻辑
电流诊断逻辑的判断依据是刀闸在合、分操作前后，母联开关电流会发生变化，通过检测这一特征来对刀闸的状态进行判断。电流诊断逻辑的流程图如下图所示。
其中t0为操作时刻，另外由于电流的变化不确定是负荷变化引起的还是刀闸操作引起的，需要现场测试的时候进行进一步地论证，所以此方案会存在误报警可能，但不会存在漏报情况。
3.3GIS刀闸分合故障智能诊断应用与效益
GIS刀闸分合故障智能诊断的应用需要在监控后台新增加一个模块，该模块独立于现有的应用程序，同时与数据采集系统，输入系统，显示系统有数据接口。该模块的正常运行需要根据现场运行实际对不同的应用场景进行建模，配置不同应用场景的辅助判据启动条件，选定判定逻辑，根据实际情况整定判定阀值，这些信息通过输入系统输入去。该模块的运行以启动条件触发对各种应用场景的辅助逻辑判断，实时监测判定执行情况，将辅助判据的判定结果传输到显示系统，给运行人员以智能告警提示。
在监控后台安装GIS刀闸分合故障智能诊断模块可以避免由于刀闸分合不到位，运行人员进行下一步操作带来的重大事故，通过对刀闸分合状态的二次确认，能够真实地反映设备当前的运行状态，给电网的安全稳定可靠运行带来了更大的保证。
4总结
本文在分析和归纳GIS刀闸风险的基础上详细研究了当前GIS刀闸分合风险防护措施，并指出当前风险防护措施在可靠性和防护效率上的不足，针对GIS刀闸风险防范现状，本文提出基于自动化测量的GIS刀闸分合故障智能诊断技术，通过一次电气量信息采集配合GIS故障诊断逻辑，来辅助诊断GIS开关状态，为变电站运维人员正常操作刀闸和避免安全事故提供重要参考依据，有效避免因刀闸分合不到位而导致的安全运行风险。
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作者简介：
钟志明（1973-），男，广东河源人。高级工程师，从事变电站自动化运维及技术研究。
徐文辉（1980-），男，广东东莞人。工程师，从事变电站自动化运维及技术研究。
论文作者:钟志明,徐文辉
论文发表刊物:《电力技术》2016年第10期
论文发表时间:2017/1/10
标签：分合论文; 操作论文; 故障论文; 判据论文; 逻辑论文; 变电站论文; 智能论文; 《电力技术》2016年第10期论文;