繼電保護(hù)二次系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測

趙志新 楊漪俊 王桂龍

（1、浙江杭州電力局，浙江 杭州312025；2、上海思源弘瑞自動(dòng)化有限公司，上海201108）

本文針對(duì)國內(nèi)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出建立基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)狀態(tài)監(jiān)視環(huán)境，與原來的繼電保護(hù)二次系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)，以推進(jìn)保護(hù)狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)展，并探索常規(guī)變電站數(shù)字化改造安全、可靠過渡方案。

在線監(jiān)測；IEC61850；閉環(huán)監(jiān)測；數(shù)字化

引言

隨著電網(wǎng)容量的增加，繼電保護(hù)設(shè)備也在相應(yīng)增加，由于國內(nèi)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是開放性系統(tǒng)，以往定期傳動(dòng)校驗(yàn)的做法已越來越不適應(yīng)形勢的發(fā)展。在線監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)，本文針對(duì)浙江省杭州220kV鳳川變科研試點(diǎn)的技術(shù)成果，深入探討數(shù)字化繼電保護(hù)的狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)。

1 數(shù)字化在線監(jiān)測技術(shù)簡介

1.1 現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)對(duì)于電力系統(tǒng)二次回路的正確性檢查是采用傳動(dòng)試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)的，該方法存在的主要問題：

1)無法監(jiān)視裝置的交流輸入回路和裝置的數(shù)據(jù)采集回路；2)無法監(jiān)視跳閘出口壓板狀態(tài)；3)無法監(jiān)視常規(guī)操作箱的狀態(tài)。

1.2 解決方案

該方案是在原有的繼電保護(hù)二次系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加狀態(tài)監(jiān)測控制裝置（綜合測控）、全站數(shù)字錄波裝置、數(shù)字式采集單元（合并單元），把傳統(tǒng)操作箱更換為智能操作箱，與原來的繼電保護(hù)二次系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)，采用光纜和交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，信息傳輸基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)[1]。

狀態(tài)監(jiān)測裝置一方面通過合并單元直接在PT/CT端子箱采集交流信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)，另一方面通過保護(hù)裝置通信口采集信號(hào)和相關(guān)報(bào)告。利用PLC功能完成各種邏輯診斷，通過狀態(tài)監(jiān)測總控制器記錄和分析結(jié)果的正確性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)保護(hù)交流回路、控制回路的異常情況，并通過后臺(tái)計(jì)算機(jī)接入保護(hù)故障信息系統(tǒng)遠(yuǎn)傳到保護(hù)管理部門[2]。如圖1所示。

圖1 保護(hù)狀態(tài)在線監(jiān)測原理圖

2 數(shù)字化在線監(jiān)測構(gòu)成與特點(diǎn)

2.1 基本構(gòu)成

通過合并單元對(duì)模擬量的就地采集，規(guī)約轉(zhuǎn)換器對(duì)保護(hù)裝置接收模擬量和相關(guān)報(bào)告的轉(zhuǎn)換收集，以及智能操作箱對(duì)狀態(tài)量的采集等等，獲取在線監(jiān)測所需的數(shù)據(jù)信息，信息模型與傳輸基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)[3]，經(jīng)過交換機(jī)的匯聚整理后提供給綜合測控和網(wǎng)絡(luò)故障錄波分析記錄，再傳輸?shù)胶笈_(tái)，由在線監(jiān)測可視化系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷、全局分析。

2.1.1 數(shù)據(jù)信息采集

1)模擬量的就地采集

利用合并單元就地安裝于PT/CT端子箱旁，同步采集保護(hù)裝置的電流電壓輸入量，并按IEC61850-9-2格式上送給綜合測控。就地安裝確保能監(jiān)測保護(hù)裝置交流輸入回路的狀態(tài)，其它裝置集中組屏。

為考慮安全因素，采用鉗型測量裝置采集交流電流信號(hào)，確保無損接入，這種采集器與電力系統(tǒng)無直接的電氣上聯(lián)接，安全可靠；交流電壓信號(hào)采用并接方式接入，并在合并單元的接收端安裝速斷熔絲。

2)模擬量的轉(zhuǎn)換收集

規(guī)約轉(zhuǎn)換器通過保護(hù)裝置通信口收集交流采樣信號(hào)，并在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成IEC61850標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，上送給監(jiān)測分析系統(tǒng)，完成監(jiān)測保護(hù)裝置交流回路的狀態(tài)。

3)狀態(tài)量采集

智能操作箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)常規(guī)操作箱，接收相應(yīng)保護(hù)裝置和測控裝置的開入/開出狀態(tài)量，在完成傳統(tǒng)常規(guī)操作箱功能的同時(shí)監(jiān)測保護(hù)二次回路，并采用GOOSE方式將變位信號(hào)送給綜合測控，通過對(duì)監(jiān)測運(yùn)行信息的分析比較，以監(jiān)測保護(hù)控制回路的狀態(tài)。

智能操作箱對(duì)保護(hù)裝置的信息采集所有連接全部采用空接點(diǎn)接入，它只獲取信號(hào)，這種連接方式不對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生任何干擾，安全可靠。項(xiàng)目前期可采用智能操作箱與傳統(tǒng)常規(guī)操作箱并列運(yùn)行，各自二次回路完全獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)逐步安全可靠過渡。

4)其他信息采集

規(guī)約轉(zhuǎn)換器在采集保護(hù)裝置交流采樣信號(hào)的同時(shí)，通過保護(hù)的通信口采集相關(guān)報(bào)告與錄波文件，以便為后期的數(shù)據(jù)處理提供比對(duì)依據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)信息匯聚和處理

對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息要求唯一、同步、共享、標(biāo)準(zhǔn)。

交換機(jī)除了數(shù)據(jù)匯聚和信息交換功能外，還支持IEC61588時(shí)鐘同步功能，供綜合測控裝置同步采樣使用，確保綜合測控裝置與合并單元采樣同步。

綜合測控完成數(shù)據(jù)收集、處理、傳輸?shù)裙δ?，與監(jiān)測分析系統(tǒng)采用IEC61850-8-1進(jìn)行通信。

網(wǎng)絡(luò)和故障錄波實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄、故障電流電壓記錄和分析功能。

2.1.3 狀態(tài)監(jiān)測可視化

通過狀態(tài)監(jiān)測可視化軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理，完成各種邏輯判斷，并且記錄和分析結(jié)果的正確性。

1)狀態(tài)監(jiān)測可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)六角圖顯示和狀態(tài)顯示等功能；

2)實(shí)現(xiàn)保護(hù)元件PLC邏輯圖的可視化；

3)對(duì)輸入/輸出回路在線監(jiān)測裝置的開入/開出狀態(tài)量以及繼電器接點(diǎn)的狀態(tài)檢修告警。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以一個(gè)220kV線路間隔為例，具體工程實(shí)施結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 保護(hù)狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)圖

2.3 主要特點(diǎn)

（1）合并單元采集就地化

就地化的安裝使現(xiàn)場施工極為方便，直接安裝到PT/CT的端子箱，采用鉗型采集器無損接入，通過采集裝置測量交流電流信號(hào)并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)接入合并單元，保證數(shù)據(jù)采集的可靠性。這樣對(duì)裝置的抗干擾性、運(yùn)行可靠性提出了很高的要求。

合并單元必須具有的特性：

1)滿足環(huán)境條件要求的可靠硬件，高等級(jí)元器件，裝置運(yùn)行環(huán)境溫度零下40度到零上70度；2)防水、防塵、抗振動(dòng)設(shè)計(jì)；3)具有優(yōu)異的抗干擾性能，安裝于開關(guān)場時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定；4)無整定值、固件或維護(hù)端口的硬件裝置；5)通過標(biāo)準(zhǔn)化的借口消除過程的可變性；6)當(dāng)外界同步脈沖丟失時(shí)，利用內(nèi)部同步時(shí)鐘仍可繼續(xù)工作。

（2）智能操作箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)操作箱

利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作箱的各種功能，兼容傳統(tǒng)操作箱；操作回路結(jié)構(gòu)簡單，使用軟件完成防跳繼電器功能，實(shí)現(xiàn)出口繼電器接點(diǎn)和出口壓板的在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。

（3）狀態(tài)監(jiān)測可視化軟件的先進(jìn)性

用戶或服務(wù)工程師可通過監(jiān)測狀態(tài)可視化軟件進(jìn)行配置，以滿足監(jiān)測狀態(tài)可視化的實(shí)際需求。首先應(yīng)該能夠?qū)壿嬐ǖ篮屯ǖ澜M的屬性進(jìn)行配置，其中包括模擬通道的比例系數(shù)，開出的保持屬性等；支持基本的運(yùn)算和邏輯比較功能外，提供簡單邏輯組態(tài)功能；能進(jìn)行通道映射，將物理通道與邏輯通道進(jìn)行映射關(guān)聯(lián)，提高裝置的硬件無關(guān)性；能進(jìn)行功能集定義和功能集投退，可以根據(jù)需要退出部分實(shí)際現(xiàn)場不用的功能；能進(jìn)行參數(shù)、定值管理以及定值映射，能夠根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)置參數(shù)，提煉用戶定值；能夠收集顯示裝置運(yùn)行時(shí)工程PLC邏輯圖[4]的狀態(tài)信息；能夠?qū)胱冸娬鞠到y(tǒng)配置描述文件SCD（Substation Configuration Description）[5]，自動(dòng)配置裝置的通訊參數(shù)，GOOSE、SOE等信息；

3 數(shù)字化在線監(jiān)測分析與展望

3.1 實(shí)用性分析

在不影響原有繼電保護(hù)二次系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過信號(hào)的多點(diǎn)采集，與原有設(shè)備形成閉環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)，運(yùn)用多種監(jiān)測、邏輯判斷手段，解決了傳統(tǒng)保護(hù)二次回路狀態(tài)監(jiān)測難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難題。

1)有效監(jiān)視裝置的交流輸入回路和裝置的數(shù)據(jù)采集回路。利用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立全變電站光纖數(shù)字采集和錄波系統(tǒng)與傳統(tǒng)保護(hù)裝置進(jìn)行閉環(huán)分析，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)保護(hù)裝置交流輸入回路狀態(tài)監(jiān)視

2)有效監(jiān)視出口壓板狀態(tài)。用CPU邏輯功能實(shí)現(xiàn)控制操作全過程的方案，使操作回路的結(jié)構(gòu)只需用簡單的開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出即可實(shí)現(xiàn)，取消了硬件結(jié)構(gòu)上的防跳繼電器，大大簡化了操作回路的邏輯接線，減輕了現(xiàn)場工作人員的工作量，同時(shí)為保護(hù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供了重要的應(yīng)用基礎(chǔ)。

3)有效監(jiān)視操作回路狀態(tài)。在線監(jiān)測控制回路斷線狀態(tài)，從圖中可知，利用對(duì)裝置（IN2）輸入信號(hào)的在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了電氣二次回路斷路器機(jī)構(gòu)箱輔助接點(diǎn)（LD）狀態(tài)的在線監(jiān)測。

4)智能組件評(píng)估間隔內(nèi)設(shè)備各板件的運(yùn)行狀態(tài)。使用智能操作箱更換傳統(tǒng)常規(guī)操作箱，在完成傳統(tǒng)常規(guī)操作箱功能的同時(shí)監(jiān)測保護(hù)二次回路，通過對(duì)監(jiān)測運(yùn)行信息的分析比較，判斷保護(hù)二次回路和操作箱回路是否正常運(yùn)行。

5)綜合測控、網(wǎng)絡(luò)和故障錄波裝置、后臺(tái)可視化系統(tǒng)全局分析、判斷。后臺(tái)分析系統(tǒng)，根據(jù)綜合測控、網(wǎng)絡(luò)和故障錄波裝置提供的全站信息，利用一定的判據(jù)，分析被監(jiān)測間隔保護(hù)裝置自身的可靠性，分析判斷保護(hù)交流回路、控制回路的異常情況，并接入保護(hù)故障信息系統(tǒng)上送到保護(hù)管理部門。

3.2 先進(jìn)性分析與展望

目前，國內(nèi)各網(wǎng)省公司都進(jìn)行了數(shù)字化變電站試點(diǎn)，全國已建成一定數(shù)量的數(shù)字化變電站，未來，在智能電網(wǎng)建設(shè)的大背景下，數(shù)字化變電站快速發(fā)展與分階段實(shí)現(xiàn)是必然趨勢[6]。已建數(shù)字化變電站對(duì)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程度和技術(shù)水平各不相同，有的僅在變電站層應(yīng)用層的，也有在過程層試點(diǎn)的，還有結(jié)合電子式互感器應(yīng)用的。

數(shù)字化變電站應(yīng)當(dāng)做到數(shù)字采集數(shù)字化、過程層設(shè)備智能化、數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)化、信息交互網(wǎng)絡(luò)化、設(shè)備檢修狀態(tài)化、設(shè)備操作智能化[7]。

數(shù)字化在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)信息的建模完全基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，支持IEC61850-9-2、GOOSE、IEEE1588、MMS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[8]，具備互操作能力。目前的實(shí)現(xiàn)形式是，原有的保護(hù)裝置/保護(hù)回路不變；就地化安裝合并單元；用智能操作箱代替常規(guī)操作箱，在此基礎(chǔ)上可設(shè)想進(jìn)行有步驟的逐級(jí)過渡演變：智能操作箱同樣就地化處理→數(shù)字化的保護(hù)/測控一體化裝置與原有保護(hù)并列運(yùn)行→完全取代原有保護(hù)二次系統(tǒng)。當(dāng)前的在線監(jiān)測可視化后臺(tái)系統(tǒng)獨(dú)立配置，以后的逐級(jí)演變中就變成集成在線監(jiān)測功能的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。如果按這種方式對(duì)傳統(tǒng)變電站數(shù)字化進(jìn)行改造，從閉環(huán)監(jiān)測原有保護(hù)與回路，到增加保護(hù)功能并列運(yùn)行，再到完整功能替換，平穩(wěn)過渡，提高了保護(hù)可靠性，也是一種切實(shí)可行的改造方案。

4結(jié)束語。本文深入探討了數(shù)字化在線監(jiān)測在傳統(tǒng)變電站中的應(yīng)用，分析了如何實(shí)現(xiàn)常規(guī)變電站無法實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)手段、實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)以及具體的功能要求都做出了詳細(xì)說明，并展望這種變電站應(yīng)用新技術(shù)的未來發(fā)展，確定其在未來智能電網(wǎng)建設(shè)、改造中的特殊意義。

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