智能變電站繼電保護(hù)在線運(yùn)維系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)

篤 峻，葉 翔，葛立青，楊 貴，周奕帆

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

變電站繼電保護(hù)設(shè)備對(duì)保障電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起著決定性作用。在智能變電站技術(shù)條件下，繼電保護(hù)設(shè)備大量采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)，使得傳統(tǒng)的依賴人工定檢的運(yùn)維方式更加復(fù)雜和困難，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修已成為發(fā)展趨勢(shì)。借助智能設(shè)備及運(yùn)維系統(tǒng)自身的狀態(tài)采集及評(píng)估能力，為繼電保護(hù)運(yùn)維人員提供檢修決策的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)按設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行檢修，能夠準(zhǔn)確定位故障，縮短停電檢修時(shí)間，提高供電可靠性。

近年來(lái)，智能變電站的應(yīng)用和推廣為實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與檢修創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。繼電保護(hù)設(shè)備的智能化程度不斷提高，對(duì)其自身狀態(tài)及性能數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)視能力越來(lái)越強(qiáng)；全站遵循IEC61850規(guī)范進(jìn)行建模和通信，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析和處理更加方便和快捷；變電站過(guò)程層組網(wǎng)取代了傳統(tǒng)的二次電纜連接，對(duì)二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。關(guān)于繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)維問(wèn)題的研究已有很多。文獻(xiàn)［1］從繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)的角度來(lái)討論繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的對(duì)象和內(nèi)容。文獻(xiàn)［2］通過(guò)研究繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法和預(yù)警機(jī)制給出了繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)［3］則通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算繼電保護(hù)各狀態(tài)的概率來(lái)評(píng)估狀態(tài)檢修的可靠性對(duì)繼電保護(hù)可用性的影響。但專(zhuān)門(mén)針對(duì)智能變電站技術(shù)條件下繼電保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與檢修進(jìn)行論述的文獻(xiàn)較少，特別是從工程應(yīng)用的角度，全面考慮繼電保護(hù)設(shè)備相關(guān)的各技術(shù)環(huán)節(jié)，綜合論述建模通信、系統(tǒng)架構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)的文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有。

本文針對(duì)新的技術(shù)條件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的智能變電站繼電保護(hù)在線運(yùn)維系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱運(yùn)維系統(tǒng)），主要實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和檢修功能。監(jiān)測(cè)功能分為對(duì)繼電保護(hù)及相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及對(duì)繼電保護(hù)二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。智能變電站采用光纖組網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二次接線，不可見(jiàn)的抽象的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文及軟信號(hào)令運(yùn)維人員難以適應(yīng)。運(yùn)維系統(tǒng)必須能夠?yàn)槎位芈诽峁┬蜗蟮膱D形化展示，對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的通信故障提供定位及告警，輔助運(yùn)維人員進(jìn)行故障的排查。另外，繼電保護(hù)設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化后帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是增加了檢修的復(fù)雜性和不確定性，傳統(tǒng)的依靠投退檢修壓板來(lái)確保設(shè)備投入與退出的方法，在網(wǎng)絡(luò)通信條件下不再適用。運(yùn)維系統(tǒng)必須能夠?yàn)檐浻矇喊宓呐渲眉盃顟B(tài)提供形象的圖形化展示，并通過(guò)控制運(yùn)行態(tài)與檢修態(tài)之間的切換輔助運(yùn)維人員完成檢修操作。通過(guò)上述的運(yùn)維系統(tǒng)，運(yùn)維人員能夠全面掌握繼電保護(hù)設(shè)備及二次回路的運(yùn)行工況，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常、網(wǎng)絡(luò)故障、配置錯(cuò)誤等問(wèn)題，并能輔助運(yùn)維人員進(jìn)行檢修操作。

1 繼電保護(hù)及相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)變電站的繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)主要上送3類(lèi)信息：裝置告警信息、保護(hù)動(dòng)作信息及保護(hù)狀態(tài)信息。其中裝置告警信息可以初步反映繼電保護(hù)設(shè)備本身的一些運(yùn)行工況，包括設(shè)備工作環(huán)境自檢、設(shè)備硬件運(yùn)行工況、設(shè)備軟件運(yùn)行工況、通信狀況（包括設(shè)備內(nèi)部通信狀況和設(shè)備間的通信狀況）、外部回路自檢等。但是傳統(tǒng)的裝置告警信息只能反映設(shè)備“正常”或“異?！钡臓顟B(tài)量信息，無(wú)法辨識(shí)設(shè)備狀態(tài)的變化過(guò)程并起到預(yù)警作用。所以要求繼電保護(hù)設(shè)備能夠支持連續(xù)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵的模擬量信息，并能通過(guò)通信方式向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出這些模擬量。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)長(zhǎng)期記錄這些模擬量，可發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的變化規(guī)律，并結(jié)合設(shè)備損壞時(shí)的狀態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)基于這些狀態(tài)信息的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與檢修。目前，在國(guó)家電網(wǎng)頒布的《IEC61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已明確定義了3個(gè)用于監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)的模擬量，包括溫度監(jiān)測(cè)、通道光強(qiáng)監(jiān)測(cè)和電源電壓監(jiān)測(cè)，并按照IEC61850規(guī)范對(duì)這些設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行了建模。下面以通道光強(qiáng)監(jiān)測(cè)為例，介紹實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法。

首先，采用擴(kuò)充的邏輯節(jié)點(diǎn)SCLI對(duì)通道光強(qiáng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行IEC61850建模，見(jiàn)表1。

表1 邏輯節(jié)點(diǎn)SCLI的屬性Table 1 Attributes of LN SCLI

運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)與繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行IEC61850通信，可以在線采集到裝置通道光強(qiáng)的數(shù)值LigIntes，在線監(jiān)測(cè)到裝置通道光強(qiáng)越限的告警信號(hào)Alm和預(yù)警信號(hào)Wrn、在線設(shè)置裝置通道光強(qiáng)的告警定值LigAlmSpt和預(yù)警定值LigWrnSpt。通過(guò)以上通道光強(qiáng)監(jiān)測(cè)的IEC61850模型，運(yùn)維系統(tǒng)可以建立起通道光強(qiáng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，見(jiàn)圖1。

圖1 光強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型Fig.1 Status monitoring model of light intensity

如圖1所示，通道光強(qiáng)一般會(huì)隨著設(shè)備的老化不斷下降（圖1已簡(jiǎn)化為線性模型，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)廠家提供的曲線模擬［4］）。運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)采集通道光強(qiáng)的當(dāng)前值LigIntes及預(yù)先設(shè)置的告警定值LigAlmSpt計(jì)算出光強(qiáng)裕度：

并可以折算成通道光強(qiáng)能正常工作的剩余時(shí)間，從而預(yù)測(cè)出通道損壞的大致時(shí)間點(diǎn)，提前安排通道檢修。

另外，運(yùn)維系統(tǒng)跨接變電站的站控層和過(guò)程層，除了可以采集到上述繼電保護(hù)設(shè)備通過(guò)制造報(bào)文規(guī)范（MMS）報(bào)文直接上送的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息外，還可以采集到部署在過(guò)程層的合并單元和智能終端通過(guò)面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）、采樣值（SV）報(bào)文上送的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息。這樣運(yùn)維系統(tǒng)基本可以覆蓋對(duì)繼電保護(hù)相關(guān)的所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息的采集和監(jiān)測(cè)。

2 繼電保護(hù)二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

智能變電站的繼電保護(hù)二次回路采用光纖組網(wǎng)代替了傳統(tǒng)變電站的電纜連接，采用數(shù)字信號(hào)傳輸代替了傳統(tǒng)變電站的模擬信號(hào)傳輸。繼電保護(hù)二次回路采用光纖組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在于，可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)的交互來(lái)對(duì)通信鏈路的狀態(tài)及通信內(nèi)容的正確性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和校驗(yàn)。這使得對(duì)繼電保護(hù)二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)成為可能，改變了以往傳統(tǒng)變電站必須對(duì)電纜通信進(jìn)行定檢的運(yùn)維方式［5］。繼電保護(hù)二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括物理鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)和邏輯鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.1 物理鏈路狀態(tài)建模

物理鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)（最重要的是過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，也包括站控層及間隔層網(wǎng)絡(luò)）各個(gè)通信環(huán)節(jié)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估。要實(shí)現(xiàn)物理鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)，首先要能清晰地描述物理鏈路狀態(tài)的模型［6］。物理鏈路上涉及很多設(shè)備對(duì)象，如保護(hù)裝置、合并單元、智能終端、交換機(jī)等，設(shè)備對(duì)象之間的通信又經(jīng)過(guò)很多中間環(huán)節(jié)，如板卡、端口、線纜等。針對(duì)這些通信對(duì)象，第2版IEC61850規(guī)范中給出了統(tǒng)一的建模方法。按照該建模方法，給出通信對(duì)象的模型樣例如下：

其中，元素描述一個(gè)物理連接端口，可選的屬性值包括“Connection”和“RedConn”，“Connection”描述通信連接的第一個(gè)物理連接端口，“RedConn”描述通信連接的其他冗余的物理連接端口；

元素描述物理端口號(hào)，如 1-A；

元素描述物理端口插頭類(lèi)型，如 ST、SC、LC、FC、MTRJ、RJ45；

元素描述物理端口類(lèi)型，如 FOC、Radio、100BaseT；

元素描述物理端口之間的連接關(guān)系。

元素最為關(guān)鍵，它唯一標(biāo)識(shí)了一個(gè)通信連接的物理端口，但是如何描述和引用物理端口號(hào)在第2版IEC61850規(guī)范中并沒(méi)有給出明確的規(guī)定，這給筆者預(yù)留了一定的擴(kuò)展空間。目前，在《IEC61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型》中已明確規(guī)定將物理端口號(hào)描述為“板卡號(hào)-端口號(hào)”，從而引入了對(duì)板卡信息的描述。同時(shí)，該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還采用在“ExtRef”元素的“intAddr”屬性中增加物理端口號(hào)描述的方式規(guī)定了對(duì)物理端口的引用方法，從而建立起物理通信鏈路到邏輯通信鏈路的關(guān)聯(lián)，如下例中的intAddr屬性中引入了上述1-A物理端口：

這樣在配置虛端子連接時(shí)，配置工具需要根據(jù)物理端口號(hào)的描述提示用戶選擇相應(yīng)的物理端口。另外，

元素描述物理端口之間的連接關(guān)系，其物理語(yǔ)義是如果2個(gè)物理端口元素具有相同的Cable屬性描述，則認(rèn)為這2個(gè)物理端口存在相互連接關(guān)系。通過(guò)Cable屬性，運(yùn)維系統(tǒng)可以快速地構(gòu)建整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)物理鏈路的拓?fù)溥B接關(guān)系，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理鏈路上各個(gè)通信環(huán)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

為了便于對(duì)物理鏈路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，第2版IEC61850規(guī)范中還引入了一個(gè)新的邏輯節(jié)點(diǎn)：物理通信通道監(jiān)視（LCCH），該邏輯節(jié)點(diǎn)較為完整地描述和反映了物理鏈路的狀態(tài)模型，運(yùn)維系統(tǒng)可以通過(guò)邏輯節(jié)點(diǎn)屬性LCCH.ChLiv.stVal采集物理通道的通斷狀態(tài)。邏輯節(jié)點(diǎn)LCCH可以用來(lái)描述保護(hù)裝置、合并單元、智能終端等智能裝置的物理鏈路狀態(tài)模型，但對(duì)于像交換機(jī)這樣的通信設(shè)備，該模型還不夠完善，如交換機(jī)多端口的統(tǒng)計(jì)信息無(wú)法用該模型來(lái)描述［7］。為此，筆者擴(kuò)展了一個(gè)新的邏輯節(jié)點(diǎn)：交換機(jī)端口狀態(tài)監(jiān)視（LPST），來(lái)專(zhuān)門(mén)描述交換機(jī)端口的狀態(tài)模型，見(jiàn)表2。

表2 邏輯節(jié)點(diǎn)LPST的屬性Table 2 Attributes of LN LPST

由表2可見(jiàn)，邏輯節(jié)點(diǎn)LPST能夠較為完整地描述交換機(jī)各個(gè)端口的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［8］。對(duì)于支持上述IEC61850建模的交換機(jī)，運(yùn)維系統(tǒng)與交換機(jī)采用IEC61850規(guī)約通信，可以通過(guò)邏輯節(jié)點(diǎn)屬性LPST.IfStatus.stVal采集交換機(jī)各個(gè)端口的通信狀態(tài)。對(duì)于不支持上述IEC61850建模的交換機(jī)，運(yùn)維系統(tǒng)與交換機(jī)采用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）通信，同樣可以采集到表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)。上文提到過(guò)運(yùn)維系統(tǒng)需要跨接變電站的站控層和過(guò)程層，所以運(yùn)維系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到位于變電站各層網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)。

綜上所述，運(yùn)維系統(tǒng)利用PhysConn元素可以靜態(tài)獲得物理鏈路上各個(gè)通信對(duì)象物理端口的配置信息及物理端口之間的連接關(guān)系；利用LCCH、LPST這2個(gè)新引入的邏輯節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)獲得智能裝置及交換機(jī)物理鏈路的通信狀態(tài)，基本可以滿足對(duì)物理鏈路狀態(tài)的建模需求。

2.2 物理鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)

運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)智能裝置或交換機(jī)主動(dòng)上送的告警信號(hào)，能夠快速捕捉到物理鏈路狀態(tài)的異常信息。但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信而言，大多數(shù)情況下發(fā)生通信告警的設(shè)備往往并不是真正發(fā)生通信故障的設(shè)備，所以常常需要在整個(gè)物理鏈路上搜索和定位故障設(shè)備。傳統(tǒng)的做法就是人工排查物理鏈路，逐步定位到故障設(shè)備。對(duì)于智能變電站龐大復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)，這種人工排查的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大幅延長(zhǎng)了故障恢復(fù)時(shí)間。更為關(guān)鍵的問(wèn)題是依靠這種人工排查的方法不一定能夠消除通信故障，有時(shí)網(wǎng)線連接完好，網(wǎng)卡指示燈正常，但是仍有可能收不到報(bào)文，報(bào)網(wǎng)絡(luò)通信異常。此時(shí)運(yùn)維系統(tǒng)可以利用故障診斷功能來(lái)自動(dòng)識(shí)別和定位通信網(wǎng)絡(luò)中可能存在的故障設(shè)備。如前所述，通過(guò)PhysConn元素的Cable屬性，運(yùn)維系統(tǒng)可以快速地構(gòu)建整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥B接關(guān)系。同時(shí)，通過(guò)IEC61850通信，運(yùn)維系統(tǒng)可以搜集到所有智能裝置及交換機(jī)主動(dòng)上送的物理鏈路通信異常信號(hào)?；陟o態(tài)配置的拓?fù)溥B接關(guān)系和動(dòng)態(tài)獲取的通信異常信號(hào)，輔助一定的分析算法，運(yùn)維系統(tǒng)就可以診斷并定位到通信網(wǎng)絡(luò)中的故障設(shè)備，并給出相關(guān)的檢修建議。以對(duì)GOOSE通信的監(jiān)視為例，GOOSE通信采用一發(fā)多收的機(jī)制，一般對(duì)GOOSE報(bào)文的接收方進(jìn)行監(jiān)視［9］。如果接收方?jīng)]有接收到GOOSE報(bào)文，則判斷GOOSE鏈路發(fā)生了異常，但是無(wú)法定位具體是發(fā)送方、物理鏈路或者接收方哪一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生了故障，此時(shí)就需要運(yùn)維系統(tǒng)根據(jù)收到的多方面的信號(hào)作出綜合分析和判斷。下面以一個(gè)線路間隔中保護(hù)裝置與智能終端之間的GOOSE通信為例來(lái)詳細(xì)描述運(yùn)維系統(tǒng)如何輔助用戶判斷和定位具體的故障點(diǎn)。

按照第2.1節(jié)介紹的建模方法，建立保護(hù)裝置 PL101、測(cè)控裝置CL101、智能終端IL101及交換機(jī)之間的GOOSE通信模型。各裝置的端口及端口之間的拓?fù)溥B接關(guān)系如圖2所示。GOOSE發(fā)送方為智能終端 IL101，GOOSE發(fā)送控制塊定義為“4-A：IL101RPIT／LLN0S｜GOS｜gocb0”，其中“4-A”標(biāo)識(shí)智能終端IL101的GOOSE發(fā)送端口。GOOSE接收方分別為保護(hù)裝置PL101和測(cè)控裝置CL101，GOOSE接收控制塊分別定義為“1-A：IL101RPIT ／LLN0S｜GOS｜-gocb0”和“2-A：IL101RPIT／LLN0S｜GOS｜gocb0”，其中“1-A”和“2-A”分別標(biāo)識(shí)保護(hù)裝置PL101和測(cè)控裝置CL101的GOOSE接收端口。各端口的運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)IEC61850報(bào)告方式上送。按照第2.1節(jié)介紹的建模方法，反映各端口運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)見(jiàn)表3。

圖2 GOOSE通信建模示意圖Fig.2 Schematic diagram of GOOSE communication model

表3 各端口運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)及狀態(tài)值Table 3 Operational signal and status for different ports

當(dāng)運(yùn)維系統(tǒng)接收到端口1-A發(fā)生的GOOSE斷鏈信號(hào)后，可以按照如下步驟逐步分析和推理，輔助用戶判斷和定位具體的故障點(diǎn)。

步驟1：根據(jù)GOOSE控制塊的發(fā)送接收關(guān)系，系統(tǒng)找到GOOSE斷鏈信息的發(fā)送方（智能終端IL101）和所有接收方（保護(hù)裝置PL101和測(cè)控裝置CL101）。

步驟2：根據(jù)端口之間的拓?fù)溥B接關(guān)系，系統(tǒng)獲得（1-A）-（3-A）-（3-C）-（4-A）的 GOOSE 通信鏈路。

步驟3：系統(tǒng)首先掃描GOOSE通信鏈路上所有端口的狀態(tài)，如果存在端口的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)報(bào)false，則提示用戶檢查這些端口及連接的網(wǎng)線，可以初步排除一些顯著故障如網(wǎng)線斷開(kāi)；如果端口掃描沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常并且人工檢查都正常，則繼續(xù)進(jìn)行下面的步驟。

步驟4：系統(tǒng)檢查測(cè)控裝置CL101端口2-A是否發(fā)生過(guò)來(lái)自同一個(gè)GOOSE控制塊的GOOSE斷鏈信號(hào)。如果端口2-A沒(méi)有發(fā)生過(guò)該信號(hào)，說(shuō)明端口2-A接收同一個(gè)GOOSE發(fā)送方發(fā)送的GOOSE報(bào)文正常，在GOOSE發(fā)送方向上沒(méi)有問(wèn)題，提示用戶檢查GOOSE接收方保護(hù)裝置PL101；如果端口2-A也發(fā)生過(guò)同一個(gè)GOOSE斷鏈信號(hào)，說(shuō)明在GOOSE發(fā)送方向上存在問(wèn)題的可能性較大，提示用戶檢查GOOSE發(fā)送方向上的交換機(jī)和智能終端IL101，然后繼續(xù)進(jìn)行下面的步驟。

步驟5：系統(tǒng)檢查交換機(jī)，可以根據(jù)交換機(jī)端口的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷，例如如果端口3-A、3-B、3-C的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)同時(shí)報(bào)false，那么基本可以判定交換機(jī)有故障，提示用戶檢查交換機(jī)。

步驟6：系統(tǒng)檢查智能終端IL101，如果端口4-A的運(yùn)行狀態(tài)沒(méi)有問(wèn)題，那么可能就需要提示用戶進(jìn)一步檢查GOOSE通信的配置是否正確。

通過(guò)以上步驟的逐步分析和推理，運(yùn)維系統(tǒng)基本可以判斷和定位具體的故障點(diǎn)，至少可以給出一份列出多種故障可能性的分析結(jié)果，通過(guò)有限的人工檢查和判斷即可完成故障定位。在現(xiàn)實(shí)工程中，GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一個(gè)交換機(jī)上的通信節(jié)點(diǎn)非常多，運(yùn)維系統(tǒng)可能還需要結(jié)合交換機(jī)端口虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的劃分情況，將分析限制在特定的VLAN中，以提高分析的效率和準(zhǔn)確率。

2.3 邏輯鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)

邏輯鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的在線解析和監(jiān)測(cè)，其目的是有效保證過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信內(nèi)容的正確性和有效性。正確性是檢驗(yàn)通信報(bào)文格式及內(nèi)容是否正確，檢驗(yàn)內(nèi)容包括報(bào)文格式是否符合規(guī)范，報(bào)文中一些計(jì)數(shù)器的狀態(tài)是否正確、報(bào)文是否重復(fù)等。有效性是檢驗(yàn)通信內(nèi)容的工程配置與預(yù)期配置是否一致，如果不一致，實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題，如信號(hào)丟失、采樣錯(cuò)誤、出錯(cuò)告警等，嚴(yán)重的可能會(huì)影響繼電保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行。目前，智能變電站存在大量的GOOSE和SV工程配置工作，配置出錯(cuò)在所難免，一旦出錯(cuò)，依靠人工檢查很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)；即使發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，也很難快速定位到錯(cuò)誤，傳統(tǒng)的做法只能通過(guò)人工抓取網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，與工程配置進(jìn)行人工比對(duì)來(lái)定位到錯(cuò)誤，排查的效率非常低；另外，GOOSE和SV的配置經(jīng)常會(huì)改變，這種事后查錯(cuò)的機(jī)制也無(wú)法滿足高可靠性的要求。運(yùn)維系統(tǒng)完全可以代替這種人工排查的過(guò)程，通過(guò)定時(shí)捕獲并解析網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，在線分析報(bào)文格式和內(nèi)容的正確性，并抽取網(wǎng)絡(luò)報(bào)文中的配置數(shù)據(jù)部分，自動(dòng)與變電站配置描述（SCD）文件中的工程配置進(jìn)行比對(duì)，一旦發(fā)現(xiàn)報(bào)文錯(cuò)誤或配置錯(cuò)誤，可以及時(shí)地提示用戶糾正，起到良好的事前預(yù)防作用。針對(duì) GOOSE、SV報(bào)文，通過(guò)在線分析，運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的在線檢查內(nèi)容在文獻(xiàn)［10］中已經(jīng)有相關(guān)描述，包括報(bào)文格式出錯(cuò)、報(bào)文計(jì)數(shù)出錯(cuò)、報(bào)文斷鏈、報(bào)文與配置不一致等錯(cuò)誤，此處不再贅述。

3 輔助檢修操作

運(yùn)維系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備及二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估外，還應(yīng)具備輔助檢修操作的功能，該功能對(duì)于智能變電站繼電保護(hù)的日常檢修工作非常實(shí)用。檢修繼電保護(hù)設(shè)備需要有效隔離被檢修設(shè)備，防止其誤發(fā)信號(hào)造成其他繼電保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)。智能變電站繼電保護(hù)二次回路用光纖組網(wǎng)代替了電纜連接，由直觀具象的二次接線轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢梢?jiàn)的抽象的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。傳統(tǒng)的壓板除了保留檢修硬壓板外，還增加了回路軟壓板（包括功能出口軟壓板和鏈路接收軟壓板），采用了軟硬結(jié)合的信號(hào)隔離機(jī)制，通過(guò)遙控投退的軟壓板增加了檢修隔離的復(fù)雜性和不確定性［11］。運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別繼電保護(hù)設(shè)備自身的檢修硬壓板以及回路軟壓板的配置關(guān)系，可以為運(yùn)維人員提供一種清晰的、可視化的繼電保護(hù)設(shè)備的檢修隔離視圖，見(jiàn)圖3。

圖3 繼電保護(hù)設(shè)備的檢修隔離示意圖Fig.3 Isolation status display of relay protection maintenance

圖3中繼電保護(hù)設(shè)備之間二次回路的壓板配合關(guān)系一目了然，并且可以實(shí)時(shí)顯示各回路壓板的運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)維系統(tǒng)采用類(lèi)似程序化控制的方式預(yù)先定義好繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行態(tài)和檢修態(tài)，每種態(tài)對(duì)應(yīng)一組壓板的狀態(tài)序列，執(zhí)行態(tài)與態(tài)之間的切換即遙控投退一組壓板。如果需要檢修某臺(tái)保護(hù)設(shè)備，只需點(diǎn)擊圖3中所示的檢修態(tài)按鈕，運(yùn)維系統(tǒng)即可自動(dòng)完成與本次檢修相關(guān)的所有壓板的遙控投退操作，實(shí)現(xiàn)被檢修設(shè)備的有效隔離，充分保證了檢修的安全性和可靠性。而運(yùn)維人員只需通過(guò)圖形核對(duì)壓板的正確狀態(tài)，無(wú)需了解壓板遙控投退的細(xì)節(jié)和過(guò)程，極大地方便了對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備的檢修操作。

4 繼電保護(hù)在線運(yùn)維系統(tǒng)工程應(yīng)用

2013年投運(yùn)的220 kV北京未來(lái)城及110 kV武漢未來(lái)城新一代智能變電站中，筆者參與研發(fā)的繼電保護(hù)在線運(yùn)維系統(tǒng)投入應(yīng)用，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 繼電保護(hù)在線運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 Architecture of online maintenance system for relay protections

圖4中，運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)入變電站的SCD文件，可以獲取全站的配置數(shù)據(jù)，包括IEC61850模型、GOOSE／SV配置、端口配置、壓板配置等，并存入二次回路模型庫(kù)。運(yùn)維系統(tǒng)跨接變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，可以采集到位于各層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)信息。運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)IEC61850通信可以采集到設(shè)備狀態(tài)、鏈路狀態(tài)、壓板狀態(tài)等信息，用于實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)及相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)；通過(guò)報(bào)文采集，可以抓取MMS、GOOSE、SV等報(bào)文，用于實(shí)現(xiàn)二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及在線校驗(yàn)。

圖4中，運(yùn)維系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)展示3層，每層包含的功能模塊及其主要功能描述如下。

（1）數(shù)據(jù)采集層。

a.IEC61850前置采集模塊。該模塊的主要功能為采集包括保護(hù)裝置、智能終端、合并單元、交換機(jī)等設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，采集GOOSE、SV鏈路的斷鏈信號(hào)，采集保護(hù)功能壓板、通信發(fā)送／接收壓板狀態(tài)。

b.報(bào)文采集和分析模塊。該模塊的主要功能為在線捕獲MMS、GOOSE、SV報(bào)文，在線解析報(bào)文格式和內(nèi)容的錯(cuò)誤和在線檢查報(bào)文配置與SCD文件的一致性。

c.二次回路配置組態(tài)模塊。該模塊的主要功能為導(dǎo)入SCD文件，讀取端口、連接、GOOSE、SV等配置信息和配置斷鏈信號(hào)、GOOSE／SV控制塊、端口、回路壓板之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（2）數(shù)據(jù)應(yīng)用層。

a.保護(hù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。該模塊的主要功能為處理IEC61850前置采集模塊上送的設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，通過(guò)越限判別、趨勢(shì)分析、狀態(tài)評(píng)估、同類(lèi)對(duì)比等綜合分析，實(shí)時(shí)獲取各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并判斷是否發(fā)生異常需要檢修。

b.二次回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。該模塊的主要功能為處理報(bào)文采集和分析模塊上送的報(bào)文分析數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、端口狀態(tài)、鏈路狀態(tài)、報(bào)文傳輸狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)時(shí)獲取二次回路各物理鏈路及邏輯鏈路的狀態(tài)。

c.二次回路模型庫(kù)。二次回路模型庫(kù)包含物理鏈路模型和邏輯鏈路模型，物理鏈路模型包含智能設(shè)備、交換機(jī)及其包含的物理端口及物理連接，邏輯鏈路模型包含智能設(shè)備、邏輯鏈路及其包含的邏輯信號(hào)。

（3）數(shù)據(jù)展示層。

a.設(shè)備狀態(tài)異常告警模塊。該模塊的主要功能為通過(guò)告警窗、畫(huà)面閃爍等手段提示用戶設(shè)備的異常狀態(tài)。

b.鏈路狀態(tài)異常告警模塊。該模塊的主要功能為通過(guò)告警窗、畫(huà)面閃爍等手段提示用戶鏈路的異常狀態(tài)。

c.物理鏈路圖形化模塊。該模塊的主要功能為以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖的方式展示各智能設(shè)備及交換機(jī)之間的物理連接關(guān)系；當(dāng)物理鏈路出現(xiàn)異常時(shí)，在畫(huà)面上以不同顏色或閃爍的方式提示用戶。

d.邏輯鏈路圖形化模塊。該模塊的主要功能為以間隔為單位，圖形化展示間隔內(nèi)各智能設(shè)備之間的邏輯鏈路關(guān)系；當(dāng)邏輯鏈路出現(xiàn)異常時(shí)，在畫(huà)面上以不同顏色或閃爍的方式提示用戶，雙擊該邏輯鏈路可展示該鏈路中傳輸?shù)倪壿嬓盘?hào)。

考慮到運(yùn)維系統(tǒng)包含的IEC61850數(shù)據(jù)采集及處理、告警、圖形化展示等功能模塊可以和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)共用，以及國(guó)網(wǎng)一體化監(jiān)控的要求，在220 kV北京未來(lái)城及110 kV武漢未來(lái)城新一代智能變電站中，運(yùn)維系統(tǒng)作為后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)部署運(yùn)行［12］。

5 結(jié)語(yǔ)

繼電保護(hù)在線運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能變電站繼電保護(hù)設(shè)備及二次回路狀態(tài)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為繼電保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與檢修奠定了基礎(chǔ)。本文介紹了運(yùn)維系統(tǒng)的主要功能，討論了相關(guān)建模、通信及架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，并給出了工程應(yīng)用案例，對(duì)運(yùn)維系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有借鑒意義。

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