基于網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置的繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

劉海濤（國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川　750002）

?

基于網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置的繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

劉海濤
（國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川750002）

摘要智能變電站繼電保護設(shè)備實現(xiàn)了采樣數(shù)字化、信息共享化、控制網(wǎng)絡(luò)化的特征，因而具備開展機電保護設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測的可能。為了更加便捷更加智能的完成對繼電保護狀態(tài)的監(jiān)測，分析和總結(jié)了實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測需要考慮的問題及采用基于網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置的監(jiān)測方法的優(yōu)缺點，提出了基于智能變電站網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置的繼電保護狀態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)方法，介紹了目前網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置能夠監(jiān)測的信息，論證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：智能變電站；繼電保護；狀態(tài)監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)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(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀

相比較于變電站高壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，繼電保護設(shè)備在20世紀(jì)80年代已經(jīng)實現(xiàn)了微機化，微機繼電保護自身可以實現(xiàn)對各重要元件的狀態(tài)自檢，部分自檢結(jié)果可以輸出至人機界面顯示。從而，理論上可以實現(xiàn)對繼電保護裝置逆變電源、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、采樣數(shù)據(jù)合理性、保護定值完整性、保護的輸入輸出、動作情況及相應(yīng)的二次回路、開入開出出接點、保護數(shù)據(jù)通訊環(huán)節(jié)、控制回路斷線等的監(jiān)視[1]。21世紀(jì)初期，國內(nèi)掀起了繼電保護狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修的研究熱潮。然而，一方面繼電保護廠家所關(guān)注的設(shè)備狀態(tài)技術(shù)特征不統(tǒng)一，狀態(tài)信息無法共享并被有效利用，另一方面，繼電保護狀態(tài)監(jiān)測信息的傳輸需要建立獨立的網(wǎng)絡(luò)，運行狀態(tài)、二次回路狀態(tài)、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(xiàn)自動化的狀態(tài)監(jiān)測[1-2]。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，電網(wǎng)自動化水平也在不斷提高，對變電站高壓設(shè)備進行測量、控制、調(diào)節(jié)、計量等功能的二次設(shè)備也因IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和實施而實現(xiàn)了數(shù)字化采樣和網(wǎng)絡(luò)化控制。數(shù)字化的繼電保護設(shè)備可以通過智能終端采集開關(guān)動作、二次回路、戶外柜等的狀態(tài)信息，合并單元采集采樣回路和互感器的狀態(tài)，繼電保護自身通過統(tǒng)一的通信協(xié)議與其他設(shè)備共享自身的狀態(tài)信息等。在智能變電站中，利用網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置采集全站GOOSE、SV、MMS報文等的優(yōu)勢，實現(xiàn)對繼電保護的狀態(tài)監(jiān)測將成為可能。

2　智能變電站繼電保護狀態(tài)監(jiān)測的可行性分析

在國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q/GDW383—2009智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》中對智能變電站網(wǎng)絡(luò)報文記錄和分析做出了明確要求，即“可配置獨立的網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對全站各種網(wǎng)絡(luò)報文的實時監(jiān)視、捕捉、存儲、分析和統(tǒng)計功能。網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析系統(tǒng)宜具備變電站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)的在線監(jiān)視和狀態(tài)評估功能。”[3]因而，網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置具備了監(jiān)測和分析接入GOOSE、SV、MMS網(wǎng)的所有報文功能的功能，它的出現(xiàn)為智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)信息實時監(jiān)測提供了信息承載和應(yīng)用的平臺。

智能變電站中繼電保護設(shè)備具備采集二次設(shè)備及自身狀態(tài)信息的功能。數(shù)字化的繼電保護裝置能夠?qū)崟r的對裝置硬件和軟件進行狀態(tài)自檢，并對自檢信息進行分析，輸出至人機界面顯示。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，為數(shù)字化繼電保護裝置自檢信息的共享和高級應(yīng)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(tài)信息目前是以設(shè)備制造廠家的特殊協(xié)議或通信方式傳輸給人機界面顯示。而這些狀態(tài)信息以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)傳輸給其他IED設(shè)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(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的全面應(yīng)用需要考慮的問題

1）準(zhǔn)確有效的繼電保護狀態(tài)信息。為了實現(xiàn)對繼電保護狀態(tài)信息的監(jiān)測，首先要保證繼電保護設(shè)備發(fā)出的自檢信息、運行情況、采樣值信息等的準(zhǔn)確性，可以通過被采集的狀態(tài)信息與全站其他設(shè)備、回路、系統(tǒng)的報文進行校驗，以增加對信息準(zhǔn)確性的判斷；其次，智能變電站繼電保護設(shè)備的狀態(tài)信息的實時性必須得以保證，所以必須保證網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置與被監(jiān)測裝置的同步對時，從而保證數(shù)據(jù)的有效性。

2）針對智能變電站繼電保護狀態(tài)信息監(jiān)測，需要開發(fā)能夠完全支持網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置信息采集的新型繼電保護設(shè)備，建立相應(yīng)的IEC 61850模型。新型的繼電保護設(shè)備能夠全面統(tǒng)一的開放其自檢信息，并以標(biāo)準(zhǔn)的格式傳輸給網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置。

3）開發(fā)智能變電站繼電保護設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時運行于網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置，可采集設(shè)備狀態(tài)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(shè)備的監(jiān)測與綜合分析，從而進一步支撐一體化監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)控系統(tǒng)。

2.2基于網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置的繼電保護狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點分析

采用基于網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置的繼電保護狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，有以下幾個方面的優(yōu)點：①可以減少因狀態(tài)監(jiān)測信息傳輸所需要的通信網(wǎng)絡(luò)；②可以優(yōu)化智能變電站全站共享的信息，使已經(jīng)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(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)更加自動化在線監(jiān)測技術(shù)；④可以借助于已經(jīng)在電網(wǎng)實時運行的網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置直接將繼電保護狀態(tài)監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)建立在變電Ⅰ區(qū)運行，不僅可以減少因考慮二次系統(tǒng)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(tài)監(jiān)測信息對變電站監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度控制系統(tǒng)進行充分的數(shù)據(jù)支撐。但缺點是，網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的家族性缺陷、誤動拒動信息、裝置老化程度等狀態(tài)信息，如果要將這一類信息納入監(jiān)測范圍，仍然需要人工錄入。

3　智能變電站繼電保護設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測的實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)報文分析裝置能夠用于監(jiān)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(tài)監(jiān)測提供了基礎(chǔ)條件。智能變電站繼電保護設(shè)備的狀態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)的實施需要從狀態(tài)信息源和建立狀態(tài)信息采集平臺兩個方面去研究。

3.1繼電保護狀態(tài)信息模型

智能變電站的數(shù)字式繼電保護裝置由于將數(shù)字采樣功能下放至合并單元裝置來實現(xiàn)，保護跳合閘命令由智能終端來執(zhí)行，數(shù)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(fā)布邏輯運算后的開出結(jié)果、動作信息、告警信息等。而這些以標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式傳輸?shù)墓鈹?shù)字信息更加容易被監(jiān)測。而監(jiān)測這些狀態(tài)信息量，首先要在基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)備建模時，建立對應(yīng)的狀態(tài)信息監(jiān)測邏輯節(jié)點。例如智能終端裝置具有二次回路狀態(tài)、端口光功率和通信狀態(tài)、斷路器氣壓油壓狀態(tài)及以直流量描述的戶外柜溫濕度等信息的邏輯節(jié)點模型，如圖2所示。

圖2　智能終端狀態(tài)信息邏輯節(jié)點

3.2繼電保護設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測的內(nèi)容

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

圖3　繼電保護設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測內(nèi)容

3.3網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置對狀態(tài)信息的監(jiān)測和應(yīng)用

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

圖4　合并單元采樣值數(shù)據(jù)離散性監(jiān)測統(tǒng)計

圖5　母線保護跳閘狀態(tài)實時監(jiān)測

圖6　PTP時鐘對時精度分析與統(tǒng)計

4　預(yù)期結(jié)果

通過網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置的實時監(jiān)測與分析，能夠?qū)⒅悄茏冸娬局刑摂M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(shù)參考。結(jié)合目前對通信狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、GOOSE和SV狀態(tài)的分析，基于網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置實現(xiàn)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在進一步采集完善的設(shè)備動作情況、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、設(shè)備運行狀況的情況下將實現(xiàn)對繼電保護狀態(tài)更高可視化、更智能的預(yù)警分析。主要體現(xiàn)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(tài)的監(jiān)測，將實現(xiàn)智能變電站繼電保護類設(shè)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(yīng)用。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置采集到的各個設(shè)備狀態(tài)信息，利用大數(shù)據(jù)綜合分析，實現(xiàn)繼電保護設(shè)備各類跳閘動作、異常、告警信息的分類和關(guān)聯(lián)性分析及其預(yù)警。

3）繼電保護設(shè)備狀態(tài)檢修。最終，在實現(xiàn)了對繼電保護設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)視和分析之后，根據(jù)其健康狀態(tài)及運行特征，合理的安排繼電保護設(shè)備狀態(tài)檢修。

5　結(jié)論

1）采用基于網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置來實現(xiàn)對繼電保護狀態(tài)監(jiān)測在技術(shù)上具有可行性。

2）目前網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對全站繼電保護通信狀態(tài)、采樣值狀態(tài)、開關(guān)量狀態(tài)、光口強度及光纖衰耗、同步對時精度及對時狀態(tài)等的監(jiān)測，這些已經(jīng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)將進一步服務(wù)繼電保護狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警分析。

3）未來，隨著繼電保護等設(shè)備的自檢信息進一步規(guī)范和開放，將更進一步推動繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置的狀態(tài)監(jiān)測將具有更加廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻

[1]韓平， 趙勇， 李曉朋， 等. 繼電保護狀態(tài)檢修的實用化嘗試[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2010， 38（19）: 92-95， 117.

[2]劉娟， 鞠登峰， 王勇， 等. 變電站設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 電力建設(shè)， 2012， 33（6）: 6-10.

[3]智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S]. 2009.

[4]葉遠波， 孫月琴， 黃太貴. 繼電保護狀態(tài)檢修在現(xiàn)代電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J]. 華東電力， 2011， 39（8）: 1275-1278.

[5]張曉華， 劉躍新， 劉永欣， 等. 智能變電站二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 電工文摘， 2011（4）: 68-72.

[6]劉海濤， 黃鳴宇， 趙旭陽. 智能變電站合并單元時間性能測試問題的研究[J]. 華東電力， 2013， 41（1）: 119-121.

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

作者簡介