繼電保護二次系統狀態在線監測

趙志新 楊漪俊 王桂龍

（1、浙江杭州電力局，浙江 杭州312025；2、上海思源弘瑞自動化有限公司，上海201108）

本文針對國內電力系統繼電保護在線監測技術發展現狀，提出建立基于IEC61850標準的保護狀態監視環境，與原來的繼電保護二次系統構成閉環監測系統，以推進保護狀態檢修技術發展，并探索常規變電站數字化改造安全、可靠過渡方案。

在線監測；IEC61850；閉環監測；數字化

引言

隨著電網容量的增加，繼電保護設備也在相應增加，由于國內電力系統繼電保護是開放性系統，以往定期傳動校驗的做法已越來越不適應形勢的發展。在線監測是實現狀態檢修的基礎，本文針對浙江省杭州220kV鳳川變科研試點的技術成果，深入探討數字化繼電保護的狀態在線監測技術。

1 數字化在線監測技術簡介

1.1 現狀分析

目前，國內對于電力系統二次回路的正確性檢查是采用傳動試驗方法實現的，該方法存在的主要問題：

1)無法監視裝置的交流輸入回路和裝置的數據采集回路；2)無法監視跳閘出口壓板狀態；3)無法監視常規操作箱的狀態。

1.2 解決方案

該方案是在原有的繼電保護二次系統的基礎上增加狀態監測控制裝置（綜合測控）、全站數字錄波裝置、數字式采集單元（合并單元），把傳統操作箱更換為智能操作箱，與原來的繼電保護二次系統構成閉環監測系統，采用光纜和交換機實現信息傳輸，信息傳輸基于IEC61850標準[1]。

狀態監測裝置一方面通過合并單元直接在PT/CT端子箱采集交流信號和開關量信號，另一方面通過保護裝置通信口采集信號和相關報告。利用PLC功能完成各種邏輯診斷，通過狀態監測總控制器記錄和分析結果的正確性，及時發現保護交流回路、控制回路的異常情況，并通過后臺計算機接入保護故障信息系統遠傳到保護管理部門[2]。如圖1所示。

圖1 保護狀態在線監測原理圖

2 數字化在線監測構成與特點

2.1 基本構成

通過合并單元對模擬量的就地采集，規約轉換器對保護裝置接收模擬量和相關報告的轉換收集，以及智能操作箱對狀態量的采集等等，獲取在線監測所需的數據信息，信息模型與傳輸基于IEC61850標準[3]，經過交換機的匯聚整理后提供給綜合測控和網絡故障錄波分析記錄，再傳輸到后臺，由在線監測可視化系統進行邏輯判斷、全局分析。

2.1.1 數據信息采集

1)模擬量的就地采集

利用合并單元就地安裝于PT/CT端子箱旁，同步采集保護裝置的電流電壓輸入量，并按IEC61850-9-2格式上送給綜合測控。就地安裝確保能監測保護裝置交流輸入回路的狀態，其它裝置集中組屏。

為考慮安全因素，采用鉗型測量裝置采集交流電流信號，確保無損接入，這種采集器與電力系統無直接的電氣上聯接，安全可靠；交流電壓信號采用并接方式接入，并在合并單元的接收端安裝速斷熔絲。

2)模擬量的轉換收集

規約轉換器通過保護裝置通信口收集交流采樣信號，并在內部轉換成IEC61850標準信號，上送給監測分析系統，完成監測保護裝置交流回路的狀態。

3)狀態量采集

智能操作箱代替傳統常規操作箱，接收相應保護裝置和測控裝置的開入/開出狀態量，在完成傳統常規操作箱功能的同時監測保護二次回路，并采用GOOSE方式將變位信號送給綜合測控，通過對監測運行信息的分析比較，以監測保護控制回路的狀態。

智能操作箱對保護裝置的信息采集所有連接全部采用空接點接入，它只獲取信號，這種連接方式不對保護裝置產生任何干擾，安全可靠。項目前期可采用智能操作箱與傳統常規操作箱并列運行，各自二次回路完全獨立，實現逐步安全可靠過渡。

4)其他信息采集

規約轉換器在采集保護裝置交流采樣信號的同時，通過保護的通信口采集相關報告與錄波文件，以便為后期的數據處理提供比對依據。

2.1.2 數據信息匯聚和處理

對采集的數據信息要求唯一、同步、共享、標準。

交換機除了數據匯聚和信息交換功能外，還支持IEC61588時鐘同步功能，供綜合測控裝置同步采樣使用，確保綜合測控裝置與合并單元采樣同步。

綜合測控完成數據收集、處理、傳輸等功能，與監測分析系統采用IEC61850-8-1進行通信。

網絡和故障錄波實現網絡報文記錄、故障電流電壓記錄和分析功能。

2.1.3 狀態監測可視化

通過狀態監測可視化軟件對采集數據分析處理，完成各種邏輯判斷，并且記錄和分析結果的正確性。

1)狀態監測可視化系統實現六角圖顯示和狀態顯示等功能；

2)實現保護元件PLC邏輯圖的可視化；

3)對輸入/輸出回路在線監測裝置的開入/開出狀態量以及繼電器接點的狀態檢修告警。

2.2 系統結構

以一個220kV線路間隔為例，具體工程實施結構如圖2。

圖2 保護狀態在線監測系統工程結構圖

2.3 主要特點

（1）合并單元采集就地化

就地化的安裝使現場施工極為方便，直接安裝到PT/CT的端子箱，采用鉗型采集器無損接入，通過采集裝置測量交流電流信號并轉換成光信號接入合并單元，保證數據采集的可靠性。這樣對裝置的抗干擾性、運行可靠性提出了很高的要求。

合并單元必須具有的特性：

1)滿足環境條件要求的可靠硬件，高等級元器件，裝置運行環境溫度零下40度到零上70度；2)防水、防塵、抗振動設計；3)具有優異的抗干擾性能，安裝于開關場時運行穩定；4)無整定值、固件或維護端口的硬件裝置；5)通過標準化的借口消除過程的可變性；6)當外界同步脈沖丟失時，利用內部同步時鐘仍可繼續工作。

（2）智能操作箱代替傳統操作箱

利用數字化技術實現操作箱的各種功能，兼容傳統操作箱；操作回路結構簡單，使用軟件完成防跳繼電器功能，實現出口繼電器接點和出口壓板的在線監測、狀態檢修以及數據遠傳功能。

（3）狀態監測可視化軟件的先進性

用戶或服務工程師可通過監測狀態可視化軟件進行配置，以滿足監測狀態可視化的實際需求。首先應該能夠對邏輯通道和通道組的屬性進行配置，其中包括模擬通道的比例系數，開出的保持屬性等；支持基本的運算和邏輯比較功能外，提供簡單邏輯組態功能；能進行通道映射，將物理通道與邏輯通道進行映射關聯，提高裝置的硬件無關性；能進行功能集定義和功能集投退，可以根據需要退出部分實際現場不用的功能；能進行參數、定值管理以及定值映射，能夠根據現場實際設置參數，提煉用戶定值；能夠收集顯示裝置運行時工程PLC邏輯圖[4]的狀態信息；能夠導入變電站系統配置描述文件SCD（Substation Configuration Description）[5]，自動配置裝置的通訊參數，GOOSE、SOE等信息；

3 數字化在線監測分析與展望

3.1 實用性分析

在不影響原有繼電保護二次系統安全、可靠運行的基礎上，通過信號的多點采集，與原有設備形成閉環監測系統，運用多種監測、邏輯判斷手段，解決了傳統保護二次回路狀態監測難以實現的技術難題。

1)有效監視裝置的交流輸入回路和裝置的數據采集回路。利用IEC61850標準建立全變電站光纖數字采集和錄波系統與傳統保護裝置進行閉環分析，實現傳統保護裝置交流輸入回路狀態監視

2)有效監視出口壓板狀態。用CPU邏輯功能實現控制操作全過程的方案，使操作回路的結構只需用簡單的開關量輸入和開關量輸出即可實現，取消了硬件結構上的防跳繼電器，大大簡化了操作回路的邏輯接線，減輕了現場工作人員的工作量，同時為保護實現狀態檢修提供了重要的應用基礎。

3)有效監視操作回路狀態。在線監測控制回路斷線狀態，從圖中可知，利用對裝置（IN2）輸入信號的在線監測，實現了電氣二次回路斷路器機構箱輔助接點（LD）狀態的在線監測。

4)智能組件評估間隔內設備各板件的運行狀態。使用智能操作箱更換傳統常規操作箱，在完成傳統常規操作箱功能的同時監測保護二次回路，通過對監測運行信息的分析比較，判斷保護二次回路和操作箱回路是否正常運行。

5)綜合測控、網絡和故障錄波裝置、后臺可視化系統全局分析、判斷。后臺分析系統，根據綜合測控、網絡和故障錄波裝置提供的全站信息，利用一定的判據，分析被監測間隔保護裝置自身的可靠性，分析判斷保護交流回路、控制回路的異常情況，并接入保護故障信息系統上送到保護管理部門。

3.2 先進性分析與展望

目前，國內各網省公司都進行了數字化變電站試點，全國已建成一定數量的數字化變電站，未來，在智能電網建設的大背景下，數字化變電站快速發展與分階段實現是必然趨勢[6]。已建數字化變電站對IEC61850標準的應用程度和技術水平各不相同，有的僅在變電站層應用層的，也有在過程層試點的，還有結合電子式互感器應用的。

數字化變電站應當做到數字采集數字化、過程層設備智能化、數據模型標準化、信息交互網絡化、設備檢修狀態化、設備操作智能化[7]。

數字化在線監測系統，對數據信息的建模完全基于IEC61850標準，傳輸采用標準以太網接口，支持IEC61850-9-2、GOOSE、IEEE1588、MMS標準規范[8]，具備互操作能力。目前的實現形式是，原有的保護裝置/保護回路不變；就地化安裝合并單元；用智能操作箱代替常規操作箱，在此基礎上可設想進行有步驟的逐級過渡演變：智能操作箱同樣就地化處理→數字化的保護/測控一體化裝置與原有保護并列運行→完全取代原有保護二次系統。當前的在線監測可視化后臺系統獨立配置，以后的逐級演變中就變成集成在線監測功能的數字化監控系統。如果按這種方式對傳統變電站數字化進行改造，從閉環監測原有保護與回路，到增加保護功能并列運行，再到完整功能替換，平穩過渡，提高了保護可靠性，也是一種切實可行的改造方案。

4結束語。本文深入探討了數字化在線監測在傳統變電站中的應用，分析了如何實現常規變電站無法實現的監測功能，對實現手段、實現標準以及具體的功能要求都做出了詳細說明，并展望這種變電站應用新技術的未來發展，確定其在未來智能電網建設、改造中的特殊意義。

[1]高翔. 數字化變電站應用展望.華東電力，2006年8月.

[2]韓禎祥. 電力系統分析.浙江大學出版社，2002年.

[3]徐寧，朱永利等.基于IEC61850的變電站自動化對象建模.電力自動化設備，Vol.26，NO. 3，2006.

[4]高翔，劉韶俊.繼電保護狀態檢修及實施探討.繼電器，Vol.33，NO.20，2005.

[5]C.Hoga and G.Wong.EC61850∶Open Communication in Practice in Substation-s，IEEE，2004.

[6]孫一民，李延新等.分階段實現數字化變電站系統的工程方案.電力系統自動化，2007.

[7]高翔，張沛超.數字化變電站的主要特征和關鍵技術.電網技術，2006年8月.

[8]John Burger,Charles Sufana,Mark Adam iak, etc.Application Considerations of IEC61850/UCA 2 for Substation Ethernet Local Area Network Communication for Protection and Control.IEEE PSRC H6 Special Report,2005,May.