基于智能錄波器的二次系統在線監測技術在500 kV智能變電站的應用實例分析

陳 滔

（廣東電網有限責任公司韶關供電局，廣東 韶關 512006）

近年來，廣東地區智能變電站的建設和發展進入加速期，二次設備、二次回路及信息傳輸向集成化、網絡化及虛擬化全面轉型，由此也給二次系統的運維帶來了顯著變化[1]。其中500 kV 智能變電站設備量大且復雜、運維難度高，二次系統的健康運行直接關系到電網穩定，對二次運維人員來說是不小的挑戰，因此必須借助智能錄波器中的二次系統在線監測技術，建立完整的監視、預警和分析鏈條，為維護和檢修提供支撐，及時消除異常和隱患。

目前運維人員對智能錄波器二次系統在線監測技術的認識，多停留在變電站投運前的調試階段，原因之一是智能錄波器的應用剛起步，缺少在運行站點的實際應用樣本。本文通過對500 kV丹霞站的數個應用實例進行分析，研究其在500 kV智能變電站二次系統的日常運維、異常分析及隱患消除等方面的作用，并對不足之處提出改進思路，探討其在提高智能運維水平和檢修效率方向的應用前景。

1 智能錄波器網絡結構

智能錄波器由管理單元和采集單元組成。采集單元具備模擬量記錄、開關量接入、GOOSE報文采集、數據處理、錄波存儲等功能，布置于過程層網絡中，與管理單元通過專用網絡進行信息交互，將從一次設備及過程層網絡中所采集的原始數據通過MMS 機制上送至管理單元[2]。管理單元是智能錄波器高級應用的集成裝置，由錄波文件分析、網絡報文分析、二次系統在線監測、智能運維等功能模塊組成，其中二次系統在線監測功能包含二次設備狀態在線監視、二次虛回路在線監視、故障診斷定位、監視預警等功能[3]。管理單元部署于站控層網絡，對下通過站控層公用網絡與保護測控等二次設備進行信息交互，對上通過調度數據網或專線網絡與調度端遠程運維主站通信。

圖1 智能錄波器網絡結構

在傳統錄波器的基礎上，智能錄波器增加了對一次系統的運行狀態及二次系統的故障錄波信息、自檢及告警信息、保護動作信息、網絡實時流量、GOOSE鏈路狀態信息等數據的采集，實現二次系統的在線監測，通過對大量數據的篩選優化和綜合分析，能夠及時發現異常和隱患、定位故障點，并上送至調度端進行可視化展示，以便迅速啟動處置流程[4-5]。

2 二次設備故障診斷定位應用實例

500 kV 丹霞變電站在正常運行過程中，智能錄波器監測到公用測控接收220 kV游溪乙線、220 kV丹櫻乙線、220 kV丹董甲線等間隔主二智能終端B2網GOOSE斷鏈告警間歇性發出，經幾ms至幾十ms不等后復歸。查看智能錄波器報告，發現斷鏈均集中在220 kV的三臺公用測控與220 kV線路的主二智能終端之間。220 kV公用測控裝置、220 kV線路主二智能終端、220 kV GOOSE B2 網過程層交換機的廠家、型號、版本如表1所示。

表1 異常相關設備廠家、型號及版本

該站GOOSE 傳輸采用組網模式，公用測控與智能終端分別接入間隔交換機后再經由中心交換機進行信息交互，所有交換機均采用靜態組播方式對GOOSE報文流量進行管控。三臺公用測控均連接于過程層220 kV GOOSE B2 網的1 號間隔交換機，220 kV線路主二智能終端分別連接于2～4號間隔交換機。其中1 號交換機組播地址條目數為81 條，其余交換機條目數12～22不等。通過智能錄波器二次系統可視化模塊，查看相關設備之間的虛、實回路連接關系，以#1公用測控裝置為例，公用測控、智能終端、過程層交換機三者的網絡拓撲與連接關系如圖2所示。

圖2 裝置間網絡拓撲與連接關系

智能錄波器根據以上設備的光纖接口監測信息，以及鏈路異常告警信息進行綜合分析，公用測控除訂閱智能終端的4 個數據集外，還同時訂閱了保護裝置的1個數據集，智能終端4個數據集對應的控制塊均發生過斷鏈，而保護裝置數據集對應的控制塊未發生過斷鏈，可排除是公用測控裝置問題；其他訂閱智能終端數據集的裝置，也未發生過斷鏈，排除智能終端及智能終端所連接交換機問題；經由中心交換機轉發的其他裝置也未發生過斷鏈，排除中心交換機問題；最終將故障點定位在公用測控裝置所連接的B2網1號間隔交換機，智能終端傳輸至公用測控的報文經該交換機后出現了丟包現象。

運維人員對可能存在異常的交換機的配置進行核查，發現流控及傳輸配置中，GOOSE限速值設成了2048 kbit/s，而按照過程交換機規范，單路GOOSE 控制塊的默認控制閾值應為2 Mbit/s，即該參數值應設為2000 kbit/s，由此判斷斷鏈現象與此參數設置錯誤有關[6]。繼續對交換機進行測試，最終得出結論為該型號交換機流控功能存在家族性缺陷，當交換機配置的GOOSE 組播地址條目數超過28 條時，且流控功能的GOOSE 限速值配置為非1000 kbit/s 整數倍時，由于交換機緩存空間分配機制不當，存在概率性觸發流控丟包。

智能變電站二次設備間存在大量SV、GOOSE報文交互，依靠運維人員來完成大量報文的排查，不僅效率低，而且準確性也無法保證，對于某些較為復雜的故障或者偶發性無規律的故障，通過人工排查定位故障點更加困難[7]。此案例中的GOOSE斷鏈異常現象持續時間短，故障點較隱蔽且對二次系統可能產生較大影響，若發生在保護連接的交換機則存在保護拒動風險。利用智能錄波器的二次設備故障診斷功能，迅速定位故障點，成功消除了500 kV變電站保護拒動的隱患。

3 二次設備狀態監測應用實例

2021年12月，500 kV丹霞變電站智能錄波器向調度二次運維主站上送異常報告，發現存在異常設備，異常等級為嚴重需檢修。查看報告詳細內容為，5023、5033、5053 斷路器B 套保護及智能終端接收母線保護B 套GOOSE 斷鏈告警；500 kV 2M 母線B套保護發“裝置報警”“裝置閉鎖”“DSP2出錯”等異常信號；異常告警信號持續約80 s 后復歸。母線保護詳細告警信息如表2所示。

表2 母線保護告警信息

通過智能錄波器二次系統可視化模塊，查看相關設備之間的虛端子訂閱關系如圖3所示。由圖3可知，斷路器保護及智能終端均訂閱了母線保護的同一個數據集，若母線保護發生故障導致通信程序關閉，訂閱端均會報GOOSE 斷鏈，且訂閱端其他鏈路未發生斷鏈，初步判斷為母線保護發生了異常，后自動重啟恢復正常運行。查看站控層監控信息，也印證了這一推測。

圖3 母線保護相關設備的虛端子訂閱關系

二次運維主站收到異常后第一時間聯系站端運維人員進行檢查。500 kV 2M母線B套保護的廠家、信號及版本如表3 所示。現場運維人員協同保護廠家調取了裝置的異常記錄，從報文記錄分析，確認裝置2 號槽DSP 插件在執行數據調用時檢測到發生內存軟錯誤，導致DSP芯片的EDC功能生效，進而觸發了裝置的自動重啟機制，裝置自動重啟后恢復正常運行。保護廠家確認裝置采取了完善的保護+啟動的跳閘出口方式，且裝置發生此類異常時能主動閉鎖，不會引起裝置誤動[8]。

表3 500 kV母線保護廠家、型號及版本

此次內存軟錯誤異常為PCS-915C-DG-N型500kV母線保護在運行中首次被捕獲，為保護裝置的軟硬件底層研究提供了寶貴的樣本。

在傳統變電站中，二次設備的運行狀態監視主要依靠站端自動化系統進行，采集量主要是硬接點及部分軟報文，能夠提供的信息量有限，且調度員須面對整個地區的大量一二次設備信號，容易對二次設備短時告警后自動復歸的信號造成忽視[9]。智能錄波器的二次設備狀態監測功能可以對二次設備的自檢、運行狀態、告警、對時狀態等信息進行實時監視，實現對裝置運行工況、網絡連接狀態、實時流量及負荷等信息的實時采集和統計，發現異常后及時上送至二次運維主站，能更有針對性地發現二次設備隱患，避免影響保護正確動作[10]。

4 監視預警應用實例

500 kV 丹霞站500 kV 線路在啟動送電過程中，500 kV丹庫甲線及500 kV曲丹甲線間隔主一集成輔A 保護頻繁向二次運維主站上送雙套監測不一致告警。雙套監測不一致告警由智能錄波器的監視預警模塊進行判定，對采集單元及雙套保護采集的模擬量三者之間進行同源比對，以電流模擬量采樣為例，按照規范設定相角告警值的異常須關注閾值為3°，嚴重須檢修閾值為8°。智能錄波器同源比對邏輯如圖4所示。

圖4 電流采樣同源比對邏輯

查看報告發現500 kV丹庫甲線及500 kV曲丹甲線線路主一集成輔A 保護B 相電流采樣角度與主二保護差值在8°左右，與采集單元差值在6°左右，如表4 所示，已超過了告警閾值，程序判斷雙套保護穩態同源比對結果不一致，每10 s 給主站發一次雙套監測不一致告警。

表4 500 kV線路保護同源比對結果

500 kV曲丹甲線線路主一集成輔A保護、500 kV丹庫甲線線路主一集成輔A 保護均為PSL-603UA5-DG-N 型，如表5 所示，二次額定電流為1A。經核實，保護用的電流變換器為滿足大過載電流和有非周期分量的暫態過載電流，對于二次額定電流為1 A的電流變換器，一次匝數一般配置為5 匝，但為了防止1 A 電流變換器注入電流增大而使鐵芯飽和，會適當減少一次匝數，以此提高暫態性能。該版本保護額定電流1 A 電流變換器一次匝數按3 匝配置，可較大程度提高電流變換器的暫態特性，但安匝數減小時角差會相對增大，小電流的情況下較為明顯，并非裝置采樣出現異常。當電力系統發生故障時，短路電流較大，電流角度誤差較小，不會對保護元件判別產生影響[11]。

表5 500 kV線路集成輔助保護廠家、型號及版本

智能錄波器的監視預警功能可以通過捕捉二次設備的細微變化，如裝置溫度、裝置電源電壓、過程層端口發送/接收光強、模擬量和開關量等，根據同源數據比對、變化趨勢、突變監測等進行故障預警，預警值可自定義且能通過可視化的方式展示并提示異常信息，提醒現場運維人員進行檢查[12]。對于500 kV變電站來說，處理二次設備故障時影響面較大，而通過預警信息在設備未真正發生故障時提前部署，運維人員有充分的時間做好應對準備，將影響面降至最低。

5 結束語

本文通過500 kV 智能變電站的3 個應用實例，對智能錄波器二次系統在線監測技術進行了簡單介紹和分析，明確了其在智能變電站運維檢修中發揮的巨大作用，為運維人員提供了更為具象的認識。另一方面，透過這些案例也看到現階段二次系統在線監測技術仍存在一些功能亟待完善，在信息的分層分類顯示、與一次設備的深度融合、輔助制定二次設備運維策略等方面仍有很大的提升空間[13]。為此，未來仍需要各條戰線的二次工作者通過大量的工程實踐進行研究和優化，以形成適應智能技術發展及符合運維需求的二次系統在線監測技方法。