智能變電站繼電保護在線監測系統設計與應用

文繼鋒，盛海華，周　強，姜健寧，熊　蕙，潘武略

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.浙江省電力公司，浙江杭州310007）

電網技術

智能變電站繼電保護在線監測系統設計與應用

文繼鋒1，盛海華2，周強1，姜健寧2，熊蕙1，潘武略2

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.浙江省電力公司，浙江杭州310007）

隨著計算機技術和通信技術的發展，繼電保護在線監測相關研究已經取得進展，可避免當前人工定期檢驗所帶來的過剩維修的問題。提出了智能變電站繼電保護及相關設備的在線監測系統級解決方案，定義了保護設備狀態監測信息和傳輸方式，設計了智能變電站繼電保護二次回路的物理鏈路和邏輯鏈路的在線監測方案。該方案在投運的新一代智能變電站進行了繼電保護在線監測系統的工程化應用，實現了智能變電站繼電保護裝置以及二次回路在線監測，提高了智能變電站繼電保護的運維水平。

智能變電站；繼電保護；二次回路；在線監測

近年來，智能變電站的工程應用為繼電保護系統的狀態檢修和智能診斷提供了良好的基礎條件，將變電站中傳統的不可在線檢測的二次電纜變成為了可在線檢測的光纖網絡，同時繼電保護設備的智能化程度不斷提高，對裝置關鍵信息的監視能力越來越強，為智能變電站繼電保護系統在線監測和狀態檢修提供了良好基礎。文獻［1］提出通過獲取設備狀態信息、采用遠程傳動技術、以省級電網為單位廣泛收集保護裝置的家族性缺陷信息等要素構建檢修體系結構。文獻［2，3］研究了智能變電站網絡通信診斷的方案，針對報文的通信特征進行網絡報文的合法性判斷和故障定位分析。文獻［4］基于系統配置描述（SCD）文件，導出虛端子信息，進行虛回路靜態分析檢測。文獻［5］分析了智能站組網方案，文獻［6］設計了交換機在線監測系統，文獻［7］重點研究了單一設備狀態檢修如何過渡到面向客戶的系統狀態檢修。上述文獻未詳細涉及如何利用相關設備進行信息交互校驗和提供系統級設備在線監測整體方案方面內容。針對智能變電站繼電保護及相關設備的在線監測提出了系統級的解決方案，并在新一代智能變電站中實現了繼電保護在線監測系統。

1　繼電保護及相關設備狀態監測

傳統變電站繼電保護裝置只能發出“正常”或“異常”的狀態信息，與之對應的檢修模式是故障檢修或定期檢修，智能變電站繼電保護及相關設備支持可連續監測關鍵模擬量的狀態信息，并支持以通信的方式輸出這些信息，狀態信息監測子系統通過接收并緩存狀態信息，識別并分析狀態信息的長期變化規律，并結合裝置損壞時的模擬量的狀態特征，能夠實現基于這些狀態信息的繼電保護狀態檢修。

1.1狀態監測信息

為實現智能變電站繼電保護相關設備的狀態監測數據的綜合利用，需要把相關設備的在線監測信息傳輸到計算機，以實現狀態監測數據分析?？捎糜谥悄茏冸娬纠^電保護狀態檢修監測的信息包括：

（1）電源信息，電源電平輸出。

（2）溫度信息，運行設備的內部工作溫度、裝置過程層光纖接口的溫度。

（3）光強信息，裝置過程層光纖接口的發送光強、裝置過程層光纖接口的接收光強。

（4）統計信息，實際運行無故障時間、裝置采樣值（SV）統計信息、裝置面向通用對象的變電站事件（GOOSE）統計信息等。

（5）自檢信息，裝置硬件和回路自檢信息等。

合并單元和智能終端可以輸出如下信息用于狀態監測：

（1）溫度信息，運行設備的內部工作溫度、裝置過程層光纖接口的溫度。

（2）光強信息，裝置過程層光纖接口的發送光強、裝置過程層光纖接口的接收光強等。

1.2狀態監測信息傳輸方式

實際工程應用中，由于合并單元和智能終端是劃分到過程層網絡，數據分析后臺是劃分到站控層網絡，故其在線監測信息不能直接上傳。可采用如下2種典型方式來實現相關數據的上傳。

（1）通過測控裝置轉發數據。如圖1所示，在線監測信息通過GOOSE、SV網絡配置（SMV）報文發送給測控裝置，測控裝置接收到報文后，將數據通過制造報文規范（MMS）報文上送給監測系統。

（2）通過網絡分析儀直接轉發數據。如圖2所示，網絡分析儀可捕獲過程層在線監測信息報文，進行報文解析后，再通過MMS報文發送端口轉發數據。

實際應用中可綜合采用上述2種方式。狀態檢修需要的信息都是在設備運行過程中形成。對信息突變概率較少的狀態信息，可以采用周期略長、相對緩慢的方式傳輸數據，例如全站繼電保護設備每2 h報送1次狀態信息。而當變化量超過5%或分析狀態有改變時，則實時報送1次。

圖2　過程層設備信息獲取方式2

1.3狀態檢修監測應用實例

狀態監測信息61850建模采用以下方式：在S1訪問點下建立在線監測（MONT）邏輯設備，用邏輯節點類（lnClass）為溫度監視邏輯節點（STMP）描述溫度信息，用lnClass為電源監視邏輯節點（SVLT）描述電源電壓信息，用lnClass為光強監視邏輯節點（SITY）描述光強信息，相關信息均添加到在線監視數據集（dsMONT）集中。

以裝置內部溫度為例，用STMP建模，其關鍵的數據對象類型（DO）有：Tmp對應當前裝置溫度，Wrn對應溫度達到報警狀態，Alm對應溫度故障狀態，Trip對應溫度達到閉鎖跳閘狀態。裝置本身設置有溫度上限和溫度下限門檻，當溫度越限時，裝置將發出對應的報警信息。同時繼電保護在線監測系統可以獲取裝置內部和外部的溫度數據，進行裝置的溫升判斷，當裝置溫升超過門檻時，也可以發出報警信息，提前發現裝置內部硬件故障導致的溫度異常變化，為裝置檢修提供觸發判據。

以過程層接收光強為例：首先為過程層接收光強設置上下限定值，光強越限時裝置可以發出對應的告警信號。如圖3所示，考慮到通信設備老化光強不斷下降的特性（圖形簡化為線性模型，實際應用中可以根據已知曲線模擬），可以在繼電保護在線監測系統中長期緩存裝置的接收光纖數據，并分析其下降的趨勢特性，在獲得充足統計數據的基礎上，可以預測光纖接收模塊的損壞，提前安排設備檢修。

圖3　接收光強監測原理

2　繼電保護二次回路在線監測

智能變電站通過光纖的數字傳輸方式替代了傳統變電站的電纜模擬量傳輸方式，可以通過正常運行情況下的通信數據交互來校驗通信鏈路的物理通斷和邏輯正確性，改變了以往電纜通信方式必須通過定檢的方式進行校驗。

智能變電站的二次回路在線監測包括物理鏈路通信狀態和邏輯鏈路通信狀態2種不同層次的內容。

2.1物理鏈路通信在線監測

為了實現物理鏈路通信在線監測，需要明確智能變電站過程層設備的物理鏈路拓撲信息。無論采用組網通信方式，還是點對點通信方式，智能變電站繼電保護系統的過程層通信方式都可以等效為圖4所示。

圖4　通信等效模型

光纖通信的鏈路包括發送方光纖接口、點對點光纖、接收方光纖接口環節（其中發送方和接收方對應的設備，如保護裝置、合并單元、智能終端和交換機）。

從設備損壞可能導致光纖網口通信異常的角度來劃分過程層設備光纖網口構成，包括以下3個層次。

（1）整個裝置。當裝置電源出現異常時，將導致裝置所有的光纖網絡口通信出現異常。

（2）接口插件。當裝置光纖接口插件出現異常時，將導致插件所有的光纖網絡口通信出現異常。

（3）光纖接口。當裝置單個光纖接口出現異常時，將導致該光纖接口通信出現異常。

光纖鏈路狀態監視原理：如圖5所示，光纖通信的監視功能是在接收方完成的，在光纖鏈路異常時，接收方將無法正常的接收數據，從而判斷出光纖鏈路發生了異常，但是接收方實際上無法直接判斷是鏈路的那個參與環節出現了問題，即無法定位到是發送方光纖接口、通信鏈路或者是接收方光纖接口發送了異常。

圖5　通信鏈路監視示意

為了方便地實現光纖鏈路狀態監視，接收設備發出的鏈路異常報警需要有明確的物理概念，一般采用針對發送設備的原則來定義。

實際應用過程中，過程層設備的光纖通信異常可能是插件異常或者是裝置異常造成的，從而在設備異常過程中，整個變電站將有很多設備產生對應的鏈路異常信號，二次回路在線監測的一個主要功能就是綜合全站的鏈路異常的告警信息以及過程層通信拓撲結構，統計故障發生概率，來定位哪個環節出現了故障。

在線監測系統后臺實時接收到過程層設備的光纖鏈路異常信息，分析所有鏈路異常信息的發送端口和接收端口是否相同，并按照如下規則進行過程層鏈路異常定位。

（1）當所有的光纖鏈路異常對應的發送端口（包括前向追溯的交換機交換端口）相同，則表明該數據發送端口、其對應的點對點光纖或接收端口出現了異常。例如，系統通信拓撲結構如圖6所示，數據接收方1…N都發出了針對數據發送方的光纖鏈路出錯，通過路由表追溯，就可以定位出錯最大概率的環節是數據發送方和交換機之間的最小通信單元（包括發送、傳輸和接收環節）出現了異常（黑色粗體線條r）。

圖6　鏈路故障定位示意圖

（2）當所有的光纖鏈路異常對應的發送插件（包括前向追溯的交換機模塊）相同，則表明該數據發送插件出現了異常。

（3）當所有的光纖鏈路異常對應的發送裝置（包括前向追溯的交換機）相同，則表明該數據發送設備出現了異常。

（4）如果是部分鏈路、端口發出異常信息，則采取如下步驟進行排查定位：

①對過程層物理網絡抽象建模，可以歸納出如下兩類集合：插件端口集合（SLOT_PORTS）、裝置的端口集合（DEVICE_PORTS）；

②分析GOOSE斷鏈、SV斷鏈的告警事件，解析告警事件，找到事件所屬的信息組播地址（MAC）、應用標識（APPID）、源端口PORT、目標端口PORT，得到異常的路徑集合和端口集合，統計集合中路徑、端口出現的次數，計算某個端口、路徑出現故障的概率，將故障概率最高的端口歸到集合PORTS。

③如果PORTS==SLOT_PORTS，則插件故障概率最高。如果PORTS==DEVICE_PORTS則裝置出現的故障概率最高，否則交換機對應的端口故障概率最高，還需通過簡單網絡管理協議（SNMP）定位是交換機的哪個光纖網口故障或是交換機故障。

④運行人員根據分析出的故障發生概率的大小依次對相應的設備進行排查。

2.2邏輯鏈路通信在線監測

智能變電站中，二次回路的整個生效過程是：先形成SCD文件，再導出裝置可識別的配置文件，然后裝置解析配置文件，并發送和接收對應報文，解析數據。配置文件的循環冗余校驗（CRC）機制能確保下載到裝置的配置文件和SCD文件的一致性，但無法保證裝置解析配置文件的正確性，所以除了物理鏈路通信在線監測外，智能變電站過程層通信網絡還需要進行網絡通信內容有效性的在線監測，用來確保實際工程裝置生效的過程層通信配置和SCD的集成配置完全一致。

按照IEC 61850標準要求，過程層GOOSE和SV在數據交換過程中，不僅交換通信數據，還交換配置數據，這為邏輯鏈路通信的在線監測創造了條件。過程層裝置間通過GOOSE、SV報文交互的應用信息可以用（MAC，APPID）來唯一標識，交互關系在SCD文件中進行詳細描述，SCD文件中定義了如下信息：

（1）發送端GOOSE、SV報告控制塊，以及報告控制塊對應的數據集（DataSet）。

（2）接收端Inputs關聯了發送端數據詳細信息。

（3）GOOSE、SV發送時對應的MAC、APPID等信息。

通過上述3組信息，在線監測系統在導入SCD文件后，讀取GOOSE網絡配置（GSE）、SMV、DataSet以及功能約束數據屬性（FCDA）內容，構建FCDA與GSE、SMV的關聯關系，并檢索通信（Communication）節點，構建GSE、SMV對應的網絡配置信息，檢索GOOSE輸入（GOIN）、SV輸入（SVIN）為前綴的LN中的Inputs信息，得到發送者的FCDA以及接收者的插件、端口信息，可以構建過程層收發裝置拓撲結構以及信息虛回路表。

目前主要廠家裝置對GOOSE和SV配置均可進行在線校對，當發現發送配置和接收配置不匹配時能發出告警信號。在此基礎上再驗證發送的配置和SCD集成配置是否一致，就可以在邏輯上驗證智能站相關裝置的發送配置、接收配置與SCD集成配置的一致性，邏輯鏈路在線監測結構如圖7所示。

圖7　邏輯鏈路在線監測示意圖

在圖7中，SCD工具將SCD文件中的GOOSE、SV配置信息形成配置文本，下載到裝置。裝置讀取配置文本，發送相關數據集內容。在線監測系統通過網絡分析儀周期抓包，獲取過程層GOOSE和SV報文，可重構出配置內容，分析報文中的SCD相關配置信息，與SCD文件中的對應配置信息進行對比，發現異常時發出告警信號。

GOOSE報文校驗內容如表1所示，包括控制塊的通用信息和通信參數兩大類，共5個信息項。SV報文校驗內容如表2所示，包括3個信息項。

表1　GOOSE報文校驗內容

表2　SV報文校驗內容

3　工程應用

在2013年度投運的220 kV北京未來城和110 kV武漢未來城新一代智能變電站中，投運了南瑞繼保研發的智能變電站繼電保護在線監測系統，該系統架構如圖8所示。狀態監測系統的實施流程為：

（1）通過配置工具導入SCD文件，將光強、溫度等在線監測信息提取錄入數據庫，建立保護狀態監測模型。

（2）通過畫圖工具，在畫面上繪制展示保護裝置的在線監測信息；配置監測信息的上下限值，當監測信息越限時進行越限告警。

（3）和裝置建立MMS連接，實時接收智能站相關裝置的在線監測數據。

（4）裝置側的遙信量、遙測量以MMS報告采用實時上送方式，條件觸發產生的裝置在線監測相關數據錄波文件（簡稱狀態信息文件）通過MMS文件傳輸服務方式。

（5）后臺通過解析SCD/CID文件，并抓取網絡報文，進行狀態對比分析。

（6）數據告警和查詢分析：遙信量變化可告警；遙測量可進行越限報警入庫，并支持歷史查詢和展示歷史庫中的趨勢曲線；狀態信息文件則通過專用工具進行特征提取和的狀態分析。

圖8　智能變電站繼電保護狀態監測系統

4　結束語

智能變電站繼電保護狀態檢修研究項目的開展，可最大限度地提高電力設備的利用率，減少設備停電時間；降低誤碰、誤接線、誤整定事故的概率，提高變電站保護系統的運行可靠性，保證電網的可靠運行；對降低檢修過程中人、財、物的浪費，提高企業經濟效益也具有重要意義。文中提出了智能變電站繼電保護狀態檢修監測的關鍵信息，給出了狀態數據的最佳傳輸方式，闡述了繼電保護二次回路物理鏈路和邏輯鏈路的在線監測原理和實施方式，并介紹了實際工程應用的監測流程，有利于智能變電站繼電保護在線監測的推廣應用。后續工作是，在智能變電站繼電保護在線監測系統的基礎上，結合傳統變電站的繼電保護評價規程中的評價要求，研究如何進一步提升智能變電站繼電保護狀態檢修的水平。

［1］韓平，趙勇.繼電保護狀態檢修的實用化嘗試［J］.電力系統保護與控制，2010，38（19）：92-95.

［2］許偉國，張亮.數字化變電站網絡通信在線故障診斷系統的設計與應用［J］.電力自動化設備，2010，30（6）：121-124.

［3］許偉國，張亮.智能變電站網絡通信狀態監測與故障分析［J］.浙江電力，2012（4）：8-10.

［4］劉彬，林俊.數字化變電站虛回路智能檢測軟件開發與應用［J］.廣西電力，2011，34（2）：5-7.

［5］樊陳，倪益民.智能變電站過程層組網方案分析［J］.電力系統自動化，2011，35（18）：67-71.

［6］徐勇，陸玉軍，張雷.智能變電站網絡交換機在線監測設計與實現［J］.江蘇電機工程，2014，33（2）：52-55.

［7］湯宗亮，衡思坤，韋海榮.電網設備系統檢修策略［J］.江蘇電機工程，2014，33（3）：53-55.

Design and Application of Relay Protection On-line Monitoring System in the Intelligent Substation

WEN Jifeng1，SHENG Haihua2，ZHOU Qiang1，JIANG Jianning2，XIONG Hui1，PAN Wulue2
（1.Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China）

With the development of computer and communication technology，investigation of on-line monitoring for relay protection system has made important progress，and could solve the over-maintenance problem caused by the traditional time-based maintenance approach.The paper promotes system-level solutions for on-line monitoring of relay protection system and related device in the intelligent substation，defines state-detecting information of protecting device and corresponding transmission mode，and designs on-line monitoring scheme for physical link and logic link of secondary circuit in relay protection system.Finally，engineering application of on-line monitoring for relay protection system in the intelligent substation shows that the solution can accomplish on-line monitoring on relay protection device and secondary circuit，which effectively increases the reliability of relay protection system.

intelligent substation；relay protection；secondary circuit；on-line monitoring

TM76

A

1009-0665（2015）01-0021-04

2014-08-22；

2014-10-14

文繼鋒（1978），男，江西萍鄉人，高級工程師，從事電力系統繼電保護、嵌入式平臺軟件研發和管理工作；

盛海華（1967），男，浙江嘉興人，高級工程師，從事繼電保護運行管理工作；

周強（1979），男，湖北武穴人，工程師，從事嵌入式平臺軟件研發工作；

姜健寧（1955），男，山東濰坊人，高級工程師，從事繼電保護運行管理工作；

熊蕙（1977），女，湖北武漢人，工程師，從事嵌入式平臺工具軟件研發工作；

潘武略（1981），男，山東煙臺人，工程師，從事繼電保護運行管理工作。