基于網絡報文分析裝置的繼電保護設備狀態監測技術

劉海濤（國網寧夏電力公司電力科學研究院，銀川　750002）

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基于網絡報文分析裝置的繼電保護設備狀態監測技術

劉海濤
（國網寧夏電力公司電力科學研究院，銀川750002）

摘要智能變電站繼電保護設備實現了采樣數字化、信息共享化、控制網絡化的特征，因而具備開展機電保護設備狀態信息監測的可能。為了更加便捷更加智能的完成對繼電保護狀態的監測，分析和總結了實現狀態監測需要考慮的問題及采用基于網絡報文分析裝置的監測方法的優缺點，提出了基于智能變電站網絡報文分析裝置的繼電保護狀態監測的實現方法，介紹了目前網絡報文記錄分析裝置能夠監測的信息，論證了該方法的可行性。

關鍵詞：智能變電站；繼電保護；狀態監測；網絡報文分析

The Affection of Generator Protection by the Electric Braking of Hydro-generator

Liu Haitao
（State Grid Electric Power Research Institute of Ningxia Electric Power Company， Yinchuan710032）

Abstract Relay protection equipment of smart substation achieves the characteristics of sampling digital， information sharing， control network， and thus have the potential to carry out the monitoring of the status of mechanical and electrical equipment. In order to completing the relay protection status monitoring more conveniently and more intelligently， the problem what need to be considered to realize condition monitoring the advantages and disadvantages of device monitoring method based on network packet analysis are summarized. It is proposed how to realize condition monitoring of the relay protection in smart substation based on network packet analysis and what information need to be monitored. Finally， the feasibility of the method is demonstrated.

Keywords：smart substation; relay protection; condition monitoring; network packet analysis

1　繼電保護狀態監測現狀

相比較于變電站高壓設備狀態監測技術，繼電保護設備在20世紀80年代已經實現了微機化，微機繼電保護自身可以實現對各重要元件的狀態自檢，部分自檢結果可以輸出至人機界面顯示。從而，理論上可以實現對繼電保護裝置逆變電源、A/D轉換系統、采樣數據合理性、保護定值完整性、保護的輸入輸出、動作情況及相應的二次回路、開入開出出接點、保護數據通訊環節、控制回路斷線等的監視[1]。21世紀初期，國內掀起了繼電保護狀態監測及狀態檢修的研究熱潮。然而，一方面繼電保護廠家所關注的設備狀態技術特征不統一，狀態信息無法共享并被有效利用，另一方面，繼電保護狀態監測信息的傳輸需要建立獨立的網絡，運行狀態、二次回路狀態、動作情況、缺陷等大量信息還需要人工錄入，繼電保護還未完全實現自動化的狀態監測[1-2]。

隨著電網規模的逐漸增大，電網自動化水平也在不斷提高，對變電站高壓設備進行測量、控制、調節、計量等功能的二次設備也因IEC 61850標準體系的建立和實施而實現了數字化采樣和網絡化控制。數字化的繼電保護設備可以通過智能終端采集開關動作、二次回路、戶外柜等的狀態信息，合并單元采集采樣回路和互感器的狀態，繼電保護自身通過統一的通信協議與其他設備共享自身的狀態信息等。在智能變電站中，利用網絡報文分析裝置采集全站GOOSE、SV、MMS報文等的優勢，實現對繼電保護的狀態監測將成為可能。

2　智能變電站繼電保護狀態監測的可行性分析

在國家電網公司企業標準《Q/GDW383—2009智能變電站技術導則》中對智能變電站網絡報文記錄和分析做出了明確要求，即“可配置獨立的網絡報文記錄分析系統，實現對全站各種網絡報文的實時監視、捕捉、存儲、分析和統計功能。網絡報文記錄分析系統宜具備變電站網絡通信狀態的在線監視和狀態評估功能。”[3]因而，網絡報文分析裝置具備了監測和分析接入GOOSE、SV、MMS網的所有報文功能的功能，它的出現為智能變電站二次設備狀態信息實時監測提供了信息承載和應用的平臺。

智能變電站中繼電保護設備具備采集二次設備及自身狀態信息的功能。數字化的繼電保護裝置能夠實時的對裝置硬件和軟件進行狀態自檢，并對自檢信息進行分析，輸出至人機界面顯示。IEC 61850標準體系的建立，為數字化繼電保護裝置自檢信息的共享和高級應用提供了可能。如圖1所示為繼電保護原理及信息流示意圖。圖中描述的裝置各類狀態信息目前是以設備制造廠家的特殊協議或通信方式傳輸給人機界面顯示。而這些狀態信息以IEC 61850標準傳輸給其他IED設備或交換機是完全可行的。

圖1　繼電保護裝置原理及其信息流

2.1智能變電站繼電保護設備狀態監測的全面應用需要考慮的問題

1）準確有效的繼電保護狀態信息。為了實現對繼電保護狀態信息的監測，首先要保證繼電保護設備發出的自檢信息、運行情況、采樣值信息等的準確性，可以通過被采集的狀態信息與全站其他設備、回路、系統的報文進行校驗，以增加對信息準確性的判斷；其次，智能變電站繼電保護設備的狀態信息的實時性必須得以保證，所以必須保證網絡報文分析裝置與被監測裝置的同步對時，從而保證數據的有效性。

2）針對智能變電站繼電保護狀態信息監測，需要開發能夠完全支持網絡報文分析裝置信息采集的新型繼電保護設備，建立相應的IEC 61850模型。新型的繼電保護設備能夠全面統一的開放其自檢信息，并以標準的格式傳輸給網絡報文分析裝置。

3）開發智能變電站繼電保護設備狀態信息監測系統。該系統實時運行于網絡報文分析裝置，可采集設備狀態信息，并能與其他動作、告警等報文進行對比分析，以變電站整站的角度完成對繼電保護設備的監測與綜合分析，從而進一步支撐一體化監控系統和調控系統。

2.2基于網絡報文分析裝置的繼電保護狀態監測技術的優缺點分析

采用基于網絡報文分析裝置的繼電保護狀態監測技術，有以下幾個方面的優點：①可以減少因狀態監測信息傳輸所需要的通信網絡；②可以優化智能變電站全站共享的信息，使已經共享的信息能夠得到最大化的利用；③可以大量減少人工錄入數據信息，實現更加自動化在線監測技術；④可以借助于已經在電網實時運行的網絡報文分析裝置直接將繼電保護狀態監測信息網絡建立在變電Ⅰ區運行，不僅可以減少因考慮二次系統安全防護而帶來的潛在問題，還可在后期更便捷的利用狀態監測信息對變電站監控系統、調度控制系統進行充分的數據支撐。但缺點是，網絡報文記錄分析裝置暫時無法實時、自動獲取到到繼電保護設備的家族性缺陷、誤動拒動信息、裝置老化程度等狀態信息，如果要將這一類信息納入監測范圍，仍然需要人工錄入。

3　智能變電站繼電保護設備狀態信息監測的實現方案

由于智能變電站繼電保護裝置具有在線自檢功能和通信功能，同時網絡報文分析裝置能夠用于監視和分析各裝置的IEC 61850報文，這兩個方面為繼電保護裝置的狀態監測提供了基礎條件。智能變電站繼電保護設備的狀態信息監測技術的實施需要從狀態信息源和建立狀態信息采集平臺兩個方面去研究。

3.1繼電保護狀態信息模型

智能變電站的數字式繼電保護裝置由于將數字采樣功能下放至合并單元裝置來實現，保護跳合閘命令由智能終端來執行，數字式繼電保護裝置只需以光纖通信方式訂閱其他裝置的GOOSE、SV信息，發布邏輯運算后的開出結果、動作信息、告警信息等。而這些以標準化的通信方式傳輸的光數字信息更加容易被監測。而監測這些狀態信息量，首先要在基于IEC 61850標準體系的設備建模時，建立對應的狀態信息監測邏輯節點。例如智能終端裝置具有二次回路狀態、端口光功率和通信狀態、斷路器氣壓油壓狀態及以直流量描述的戶外柜溫濕度等信息的邏輯節點模型，如圖2所示。

圖2　智能終端狀態信息邏輯節點

3.2繼電保護設備狀態信息監測的內容

繼電保護設備的狀態監測信息主要有采樣值、開入開出狀態、裝置運行狀態幾個方面，圖3列出了繼電保護狀態信息監測的具體內容。另外，對于繼電保護設備元器件老化程度、繼電器運行狀態、軟件邏輯運算狀態、配置錯誤等信息的監測目前還無有效監測方法[4-5]。

圖3　繼電保護設備狀態信息監測內容

3.3網絡報文分析裝置對狀態信息的監測和應用

網絡報文分析裝置在采集到繼電保護設備的上述狀態信息后，可實時進行分析和監視并將監測數據存儲以便離線分析。目前，在運的智能變電站網絡報文分析裝置已經能夠完成變電站采樣值狀態、開關量狀態、端口狀態、戶外柜溫濕度信息、裝置告警等信息的監測并進行簡單的分析。以下圖4、圖5、圖6為例，利用網絡報文記錄分析裝置監測合并單元采樣值數據離散特性狀態、母線保護跳閘狀態、時鐘對時精度統計。

圖4　合并單元采樣值數據離散性監測統計

圖5　母線保護跳閘狀態實時監測

圖6　PTP時鐘對時精度分析與統計

4　預期結果

通過網絡報文記錄分析裝置的實時監測與分析，能夠將智能變電站中虛擬的、無法直觀解析的報文信息人性化的展示出來，為智能變電站運行、檢修提供直接技術參考。結合目前對通信狀態、網絡狀態、GOOSE和SV狀態的分析，基于網絡報文記錄分析裝置實現的狀態監測技術在進一步采集完善的設備動作情況、網絡狀態、設備運行狀況的情況下將實現對繼電保護狀態更高可視化、更智能的預警分析。主要體現在：

1）通信和邏輯計算可視化。通過對繼電保護各種通信、開入開出狀態的監測，將實現智能變電站繼電保護類設備與各裝置通信的人性化展示以及保護邏輯的可視化展示。

2）智能告警深度應用。根據網絡報文記錄分析裝置采集到的各個設備狀態信息，利用大數據綜合分析，實現繼電保護設備各類跳閘動作、異常、告警信息的分類和關聯性分析及其預警。

3）繼電保護設備狀態檢修。最終，在實現了對繼電保護設備健康狀態的監視和分析之后，根據其健康狀態及運行特征，合理的安排繼電保護設備狀態檢修。

5　結論

1）采用基于網絡報文分析裝置來實現對繼電保護狀態監測在技術上具有可行性。

2）目前網絡報文記錄分析裝置已經能夠實現對全站繼電保護通信狀態、采樣值狀態、開關量狀態、光口強度及光纖衰耗、同步對時精度及對時狀態等的監測，這些已經監測到的數據將進一步服務繼電保護狀態監測與預警分析。

3）未來，隨著繼電保護等設備的自檢信息進一步規范和開放，將更進一步推動繼電保護設備狀態監測技術的發展，基于網絡報文記錄分析裝置的狀態監測將具有更加廣闊的應用空間。

參考文獻

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劉海濤（1987-），男，大學，助理工程師，研究方向為智能變電站關鍵技術的研究。

作者簡介