在智能變電站條件下繼電保護及監控系統研究

楊鳳敏

【摘 要】本文分析了智能變電站條件下繼電保護與監控系統的特點及必須解決的幾個關鍵問題，介紹了智能變電站的網絡通信系統、可靠性措施和構建流程，展望了智能變電站保護與監控系統未來的發展趨勢。

【關鍵詞】智能變電站；繼電保護；監控系統

一、引言

在智能變電站條件下，作為變電站重要組成部分的繼電保護與監控系統，其結構和實現方式也發生了歷史性的變革[1]。本文對智能變電站條件下繼電保護與監控系統的結構特點、要解決的關鍵技術及智能變電站的網絡通信系統、可靠性措施、構建流程等進行了綜述，展望了智能變電站的保護與監控系統未來發展方向。

二、智能變電站保護與監控的結構特點

（一）智能變電站繼電保護的結構特點

常規變電站在保護裝置里實現電流電壓、開關狀態的采集及跳閘信號的出口，跳合閘回路由位于間隔層的操作箱、敷設于電纜溝的二次電纜和位于開關場的斷路器控制箱共同構成。智能變電站將信號采集功能和跳合閘回路都集中到智能化的一次設備里實現，保護裝置則通過光纖通信獲取信息、發出跳令[2]。

（二）智能變電站監控系統的結構特點

常規變電站通過二次電纜實現一次、二次設備間的聯系，智能變電站則通過光纖通信實現過程層智能化一次設備和間隔層二次設備間的聯系。

三、智能變電站保護與監控系統需的幾個關鍵問題

（一）不同廠家設備的互聯、互操作、互替換問題

由于所有的保護、監控功能都借助于網絡通信來實現，因此，通過網絡共享的全站信息都必須標準化，使不同廠家提供的設備間能夠實現互聯、互操作和互替換。IEC61850 標準為上述要求的實現提供了技術保障，它不僅在通信層面解決了不同廠家設備間的互聯、互操作、互替換問題，而且還對智能變電站的建設和設備研發提出了完整的技術規范。因此，IEC 61850標準是智能變電站技術的基礎，也是智能變電站建設的指導性文件[3]。

（二）智能組件與保護、測控裝置之間的高速通信同步問題

微機保護裝置在動作時，首先向出口繼電器控制電路發跳閘脈沖，經過3～5ms延時后出口繼電器閉合，跳閘命令出口。把保護裝置的出口環節移至智能終端后，保護裝置的跳令必須保證在1ms內安全可靠地送達智能終端。另外，微機保護裝置對開關狀態也是0.833ms采樣一次并即采即用，這也就意味著保護裝置內部開關量的刷新周期為0.833ms。把保護裝置的狀態量采樣環節移至智能終端后，要保證開關設備的任何狀態變位也必須在0.833ms內可靠送達保護裝置[4]。

（三）智能組件的可靠性問題

由于智能組件要安裝在一次設備附近，高頻電磁干擾非常嚴重，工作環境比較惡劣，高低溫落差很大，空氣中的濕度變化也很大，這些因素都會影響到智能組件的穩定、可靠運行。因此，在設計智能組件時必須把其能長期在惡劣環境下穩定可靠工作作為一項重要指標來考慮。

四、智能變電站繼電保護與監控的可靠性措施

（一）高效、可靠的GOOSE信息發送機制

IEC61850采用發布/訂閱機制向接收設備分發GOOSE信息報文，為了實現GOOSE報文的實時傳輸，該機制設計了報文帶優先級標簽的無連接模式，并繞開了以太網的TCP層和IP層直接通過數據鏈路層和物理層進行數據收發。網絡交換機收到帶優先級標簽的報文時，將優先轉發以縮短轉發延時。無連接模式可以省去來回確認的麻煩以提高發送效率，一幀報文放到網上所有訂閱者都能收到。支持IEEE802.1P協議的第二層交換機能夠實現高優先級報文優先傳遞的功能。

為了保證GOOSE 信息發送的可靠性。當一個事件發生時，GOOSE立即用廣播方式發送一遍該信息，之后以時間間隔T1將該信息連續發送兩遍，以后再以時間間隔T2發第三遍，以時間間隔T3發第四遍，如此一直持續下去。當時間間隔Ti≥T0 時就改用穩定的時間間隔T0進行持續循環發送，直到下次事件的發生。時間間隔Ti =2i×S，S=1ms（可根據需要調整），T0通常設定為5s（可根據需要調整）。以間隔T0 發送的報文相當于GOOSE發送方的心跳報文，當接收方持續在2T0的時間間隔內沒有收到心跳報文時，就發GOOSE中斷告警信號。為了區分不同的事件，GOOSE 報文還設置了狀態號（stnum）和順序號（sqnum）兩個參數，當新的事件發生時，狀態號自動加1、順序號自動清零，之后狀態號保持不變，每重發一次順序號自動加1。Stnum和sqnum 分別占4個字節，最大值為 4294967295， 計滿后自動從0開始。

（二）開關狀態變位時接收端的安全確認機制

為了使接收端能夠安全可靠地確認開關狀態的變位，IEC61850 標準為 GOOSE 數據設計了單幀接收和雙幀接收兩種機制，對于重要的GOOSE 信息（如跳閘命令）可采用雙幀接收機制以確保可靠性。在智能變電站系統中，智能終端通常使用雙幀接收機制，在新的事件發生后要收到兩幀GOOSE 數據相同的報文才更新數據，保護和測控裝置通常使用單幀接收機制， 只要收到變位報文就立刻更新數據。

（三）繼電保護應對設備檢修的安全性措施

為了便于設備檢修，構成智能變電站繼電保護系統的繼電保護裝置、合并單元、智能終端都設有置檢修壓板，當設備檢修時，只要置檢修壓板置 1，裝置發出的SV或GOOSE報文中就帶有測試（test）標志， 接收端通過報文的test 標志就可以判斷出發送端已處于置檢修狀態。為了保證檢修的設備不影響正常狀態設備的運行，提高設備檢修的靈活性和可靠性，接收方在處理SV或GOOSE 數據時要根據收、發雙方的運行狀態分類進行處理，當發送方和接收方置檢修狀態一致時，接收方對收到的SV 或GOOSE 數據可以進行正常處理， 當發送方和接收方置檢修狀態不一致時， 接收方對收到的SV或GOOSE 數據只作事件記錄和狀態顯示等另類處理。

（四）SV網和GOOSE網的數據過濾措施

在智能變電站繼電保護實施方案中， 跨間隔信號一般都采用SV網或GOOSE 網進行傳輸。由于SV報文和GOOSE報文都是采取發布/訂閱機制傳送的，因此如果對網絡交換機不作相應處理的話，發送方只要發出SV或GOOSE報文，交換機就會在網上廣播該報文，網上所有設備不管它是否需要都能收到，這給不需要該報文的設備增加了沉重的數據接收和處理負擔，嚴重時甚至會引起網卡緩沖區溢出， 丟失有用報文，必須采取過濾措施，讓交換機只向需要該報文的設備轉發。網絡交換機的VLAN隔離和多播過濾就是為滿足上述需求而設計的，通過這兩項措施可以有效防止SV報文或GOOSE 報文的泛濫，減輕網絡負擔，從根本上解決無用的SV或GOOSE報文對IED應用程序的影響。

五、智能變電站繼電保護與監控系統未來發展

傳統的繼電保護都是面向間隔進行設計和配置的，每個間隔都要配置一套或多套主后備保護，信息的獲取和處理都各自為政，不僅造成了設備的大量重復投資，而且還大大提高了設備的后期運行維護費用。智能變電站實現了全站信息的數字化和信息共享的標準化，為站域保護控制系統的應用提供了基礎性支持。智能變電站技術的推廣應用給變電站二次系統的安裝、調試、維護帶來了很大的方便，很多以前必須在現場做的工作都可以改在制造廠內完成，標準配送式智能變電站將是未來的發展方向。

【參考文獻】

[1]王麗華，江濤，盛曉紅，等.基于IEC61850標準的保護功能建模分析[J]. 電力系統自動化， 2007，31（2）：55-59.

[2]范建忠，馬千里.GOOSE通信與應用[J]. 電力系統自動化，2007，31（19）：85-90.