智能化變電站繼電保護狀態評估機制研究

顧喬根，呂　航，楊國生，王文煥，程　驍，李妍霏

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.中國電力科學研究院，北京100192）

智能化變電站繼電保護狀態評估機制研究

顧喬根1，呂航1，楊國生2，王文煥2，程驍1，李妍霏2

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.中國電力科學研究院，北京100192）

數字式繼電保護的信息化技術使保護設備本身具有很強的自檢功能，同時掃除了二次回路特征量的采集障礙。從繼電保護裝置和二次回路兩方面研究了智能站繼電保護狀態評估問題，對保護裝置的各項狀態信息進行歸納、評分，從量化管理的角度給出檢修意見。還從邏輯鏈路和物理鏈路兩方面討論了二次回路在線監測的技術。結合兩方面內容，從實際應用出發探討了智能站繼電保護狀態檢修實施方案。

智能變電站；繼電保護；狀態評估；在線監測

狀態檢修以設備在線狀態為依據，根據設備自身的需要進行檢修，是智能化變電站的一個重要內容和目標。狀態評估機制的合理建立是貫穿整個狀態檢修維護策略的核心內容。如何科學合理地建立二次繼電保護設備健康評價機制，也是繼電保護狀態檢修的難點［1-3］。文獻［4］指出交、直流回路、控制回路等外回路的監測手段還比較缺乏，威脅保護動作的正確性，同時需進一步研究狀態信息的分類與分析。文獻［5］著重分析了裝置壽命的影響機理，提出了延長使用壽命的對策。應該指出，繼電保護的狀態檢修應包括但不限于設備本身的狀態，還應考慮保護邏輯正確性及相關回路的正確性。從實際工程應用出發，設計智能站繼電保護設備和二次回路的狀態評估方法和評估體系，就智能站繼電保護的狀態評估技術進行探討。

1　智能變電站繼電保護的狀態信息

智能變電站繼電保護設備其強大的“自檢”能力為狀態檢修技術提供了良好的基礎。同時，由于二次設備之間的信息以數字信號的形式傳輸，具備完善的自動閉鎖及告警機制，變電站內所有與保護相關的信息均在實時監測之下。因此，智能變電站可以對保護運行進行實時、全面的監測［6-10］。保護設備自身狀態信息主要應考慮：設備運行環境、絕緣狀況、裝置硬件狀態信息等。研究表明嚴酷的設備運行環境將加速裝置元器件老化，增加故障率。過高的溫度和濕度將劣化器件電氣性能，導致設備功能失效。文中狀態評估機制考慮包括設備運行的環境溫濕度、裝置內部工作溫度（包括過程層光口溫度、光強）、工作電壓及包括屏內接線的保護裝置絕緣情況。工作電壓包括直流逆變電源狀態、中央處理器/數字信號處理器（CPU/DSP）電源狀態。

除個體設備自身狀態外，評估繼電保護性能還應環比考慮生產廠家批次產品的無故障時間、正確動作率等內容。這是因為狀態評估的作用不僅限于發現被監測設備本身已出現的缺陷，同時對可能出現的風險進行預警。文中狀態評估機制從設備自身統計、同型號統計、同批次統計三方面綜合考慮保護設備性能。

智能變電站繼電保護狀態評估的另一重要任務為電氣二次回路的狀態監測。除了監測合并單元和智能終端的裝置狀態信息外，還應涵蓋基于IEC 61850協議的光纖通信鏈路狀態和基于智能站配置文本的邏輯鏈路狀態［11，12］監測兩部分內容。

2　繼電保護裝置狀態評估

基于智能變電站的以上特點，結合傳統變電站保護裝置的評價標準，繼電保護狀態評估以量化的方式進行。根據評價內容的重要性分配分值，滿分為100分。分值分配情況見表1。

表1智能變電站繼電保護裝置狀態量評價

繼電保護設備正常運行中，這些狀態信息一般不會產生太大突變量，可以采用時間間隔較大的模式相對緩慢地輸出數據。全站二次設備每2 h報送1次狀態信息，變化量超過5%或分析狀態有改變時主動報送1次。對于家族性無故障時間、正確動作率等不具備狀態信息在線上送條件的參量，可采用離線統計置數方式錄入并參與狀態評估計算。結合上述數據特征，從在線數據、離線數據兩方面綜合分析。

3　繼電保護狀態信息的在線數據分析

3.1在線數據的獲取

基于以太網的在線信息傳輸具有良好的實時性、準確性。變電站智能化之后，豐富了繼電保護的狀態信息來源。如新一代智能站繼電保護裝置的在線監測功能提供實時、準確的裝置各項數據，包括：裝置CPU/ DSP電源狀態、內部工作溫度、過程層光口工作溫度、過程層光口的發送光強和接收光強等；變電站絕緣監測系統覆蓋到二次設備時，可以實時獲取設備絕緣情況；基于紅外測溫等技術的環境監測等。

在變電站無人值守的趨勢下，實現狀態信息的遠方監控是今后的必然發展方向。

3.2在線信息的狀態分析

3.2.1裝置信息

表2給出了典型保護裝置的狀態量限值。裝置狀態評估除了以總得分作為評判依據外，出現單項狀態不合格情況就應引起注意并安排檢修。

不同種類狀態數據服從的分布函數是多樣的，但實際運行數據只需多個連續監測周期在合理區間內即可，因此可簡化狀態評分為圖1所示的梯形曲線。

圖1裝置狀態信息評分曲線

3.2.2運行環境評估

溫度與濕度評分是多個連續監測周期內，按監測周期占總監測時間的比重作為權值計算，最終取溫度、濕度得分的最小值作為運行環境評估的得分。環境濕度的評價，按照GB/T2423要求，分2個循環共24 h做環境檢測，要求相對濕度不大于95%（如圖2所示）。

3.2.3通道運行情況

通道運行情況主要監視高頻收信通道異常情況以及裝置自身原因引起的通信中斷或對時異常、光纖通道的丟包率及誤碼率等，如圖3所示。

4　離線數據的統計分析與輔助決策

對于繼電保護狀態檢修而言，廣泛收集系統內各廠家的系列保護裝置運行信息并建立缺陷信息庫，在監測平臺內數據共享的基礎上以離線數據的形式納入狀態檢修評估體系，將大大拓寬狀態檢修的應用范圍。同時，歷史監測數據的離線統計分析進一步提升了在線檢修的監測深度。這些內容也是在線檢修區別于傳統檢修方式的重要特征之一。

圖2一種典型環境濕度的評分曲線

圖3一種典型通道運行情況的評分

4.1典型離線數據的統計分析

無故障運行時間是評估繼電保護裝置壽命的重要指標。在正常條件下，裝置無故障時間及家族性無故障時間應與廠家提供數據接近。圖4給出了一種典型的無故障時間分析曲線，預計無缺陷時間倍數=實際無故障時間/預計無故障時間。

傳統的正確動作率統計方法以一定期限內被統計設備總動作次數和其中正確動作次數來定義：

RCO=（正確動作次數/總動作次數）×100% （1）

這種統計方式存在一定的局限性。例如，若此次統計周期內沒有發生過區內故障，甚至是保護裝置在本統計周期經受了多次區外故障的沖擊而未誤動。對于這類情況，RCO就難以準確反映保護裝置的真實性能。因此，合理的統計方式應該兼有裝置抗區內拒動和抗區外誤動兩方面內容。文中調整評估保護裝置的正確動作率定義為：

RCO=（動作行為正確數/區內外總故障數）×100%（2）

特別的，如本評價周期內被監測裝置出現誤動或者拒動，則本次評估單裝置正確動作率RCO得分取0。

4.2缺陷信息庫與歷史數據挖掘

缺陷信息庫是建立在對設備狀態長期跟蹤記錄基礎上的。建立缺陷信息庫后，可以方便電力企業對缺陷的定量統計分析，從而為設備的狀態評估、家族性缺陷定義、設備選型和技術改造提供事實依據。

另一方面，當缺陷發生時，通過對歷史監測數據的技術分析，并類比缺陷庫內的相關記錄，可以有效幫助消缺人員快速定位缺陷。例如，當發現批次性硬件問題時，將此批次性問題錄入缺陷信息庫可為電力企業安排檢修計劃提供參考。

4.3保護裝置狀態分類

根據智能變電站保護裝置的狀態評價量，計算出智能變電站保護裝置的狀態信息評價得分，根據各部件的評價結果按量化分值的大小分為“良好狀態”、“正常狀態”、“注意狀態”、“異常狀態”和“嚴重異常狀態”5個狀態。分值與檢修方案見表3。

圖4家族性無故障時間的評分曲線

5　智能變電站二次回路狀態評估的技術路線

5.1物理鏈路的故障定位

智能站光纖鏈路的通道監視，一般由接收端智能電子設備（IED）完成。對于組網和點對點2種基本通信方式，都可以將通信等效為圖5。

表3繼電保護裝置狀態評分與檢修建議

圖5通信鏈路的一般等效

當智能站二次回路發生故障時，站內將有很多設備產生大量的告警報文。對于某一接收設備的告警報文分析故障來源是困難的，因為通信傳輸的過程常常涉及多個環節：裝置、板卡、光纖、交換機等。二次回路的狀態監測可以綜合全站的鏈路情況，根據過程層通信拓撲結構來評估各環節的故障概率，從而形成故障定位。

通過配置建立基于各設備光纖鏈路物理端口的全站過程層網絡拓撲，以及各設備斷鏈異常信息與數據鏈路間的對應關系。二次物理回路在線監測系統運行過程中，通過解析告警事件，得到事件所屬的信息組播源地址（MAC）、應用標識（APPID）以及路由表、虛端子拉線等拓撲信息，還得到異常的路徑集合和端口集合，并按照如下推理進行故障定位。

（1）異常端口集合中，所有異常信息指向同一端口時，則表明該數據發送端口、數據傳輸光纖或接收端口（包括交換機端口和裝置端口）出現了異常。

（2）接受方設備的所有異常信息指向同一發送設備或此發送設備的所有接受方均告警，則表明該數據發送設備出現了異常。

（3）當僅部分端口和路徑異常時，可以根據統計路徑集合和端口集合中異常個體出現的次數，排除保護設備或合并單元、智能終端出現異常的可能，并結合簡單網絡管理協議（SNMP），定位交換機的故障點（如光模塊、光纖故障）。

根據推理得出的故障點概率大小，就可以對故障進行依次排查并檢修。

目前，為實現二次回路物理鏈路在線監測功能，需配置全站過程層網絡拓撲及各設備斷鏈異常信息與數據鏈路間的對應關系，整體配置工作量較大。建議通過交換機模型化并納入變電站配置描述（SCD）的配置管理，以自動建立全站過程層網絡拓撲關系；通過完善設備模型規范建立設備站控層斷鏈異常信息與過程層數據鏈路間的對應關系，這些工作將大大減少配置工作量，提高二次物理鏈路在線監測功能的實用化水平。

5.2邏輯鏈路的狀態分析

常規的電氣二次回路是由若干繼電器和連接各個設備的電纜組成，點多、分散，要通過在線監測繼電器觸點的狀況、回路接線的正確性等很難，也不經濟。

智能站虛擬二次回路主要以虛端子表、裝置邏輯聯系圖形式的體現?；芈泛w的信息包括：采樣值（SV）輸入和輸出定義、通用面向對象的變電站事件（GOOSE）輸入和輸出定義、網絡地址分配等。依據IEC 61850標準，過程層GOOSE和SV報文不僅傳輸通信數據，還包括配置數據，這兩方面信息掃除了二次回路狀態特征量的采集盲區，使邏輯鏈路通信的在線監測成為可能。

過程層裝置間通過GOOSE、SV報文交互的應用信息可以用MAC地址、APPID來唯一標識，過程層裝置間的交互關系通過SCD配置文件詳細描述。SCD配置文本的信息包括：發送端GOOSE、SV控制塊及其對應的數據集；GOOSE、SV發送塊對應的MAC地址、APPID；接收端與發送端的虛回路連接情況。

對于保護裝置而言，實例化配置文本CID記錄了裝置的虛回路連接信息。檢索GOOSE輸入（GOIN）、SV輸入 （SVIN）為前綴的LN中的Input信息，提取iedName、ldInst、lnClass、lnInst、doName、daName、prefix等元素，可以構建過程層收發裝置的拓撲結構以及信息虛回路表。

二次回路的邏輯鏈路監測，通過過程層網絡周期地讀取GOOSE和SV報文，重構報文中的虛回路配置信息，并與SCD配置信息進行一致性比較，發現異常時發出告警。如圖6所示，二次回路的邏輯鏈路監測，為智能變電站二次回路構建流程補充了重要一環，實現了智能站二次回路配置信息的邏輯驗證。

圖6邏輯鏈路在線監測示意

6　結束語

數字式保護的實現技術使保護設備本身具有很強的自檢功能。因此，作為裝置本身的監測和診斷已具備實現的可能，保護裝置檢修決策的確定具有可靠的依據；同時智能站在線監測提供了二次回路狀態診斷的技術路徑。進一步地，在建立行業內保護狀態數據的標準化模型方面、以及缺陷信息庫的層次結構規范化等方面還有許多工作要做，同時需要研究智能站繼電保護設備狀態檢修的經濟性分析，進一步提高檢修效率及質量。

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Research on Status Assessment Technology of Relay Protection in Smart Substation

GU Qiaogen1，LYU Hang1，YANG Guosheng2，WANG Wenhuan2，CHEN Xiao1，YANG Yanfei2
（1.Nanjing NARI-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

Information technology of digital relay protection makes protective devices themselves strong functions of self-checking.At the same time，it helps to remove obstacles in regards to collecting characteristic quantity of secondary circuit.In this paper，status assessment of relay protection in smart substation is discussed in two respects:protection device and secondary circuit.Then，status information of protection device is ranked and generalized.Thus，suggestions to maintenance are provided in terms of quantitative management.In addition，this paper discusses online monitoring technology of secondary circuit from the standpoint of logical and physical links，which are joint together for practical use.In the end，specific implementation related to status maintenance of relay protection in smart substation is subsequently explored.

smart substation；relay protection；status assessment；online monitoring

TM76

B

1009-0665（2016）01-0080-04

2015-09-02；

2015-10-15

顧喬根（1986），男，江蘇南通人，工程師，從事電力系統繼電保護研究工作；

呂航（1971），男，江蘇金壇人，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護研究工作；

楊國生（1977），男，甘肅蘭州人，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護研究工作；

王文煥（1984），男，山東菏澤人，工程師，從事電力系統繼電保護研究工作；

程驍（1978），男，河南安陽人，工程師，從事電力系統繼電保護研究及科技管理工作；

李妍霏（1988），女，山東萊蕪人，助理工程師，從事電力系統繼電保護研究工作。