智能化變電站繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)估機(jī)制研究

顧喬根，呂　航，楊國(guó)生，王文煥，程　驍，李妍霏

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

智能化變電站繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)估機(jī)制研究

顧喬根1，呂航1，楊國(guó)生2，王文煥2，程驍1，李妍霏2

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

數(shù)字式繼電保護(hù)的信息化技術(shù)使保護(hù)設(shè)備本身具有很強(qiáng)的自檢功能，同時(shí)掃除了二次回路特征量的采集障礙。從繼電保護(hù)裝置和二次回路兩方面研究了智能站繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)估問題，對(duì)保護(hù)裝置的各項(xiàng)狀態(tài)信息進(jìn)行歸納、評(píng)分，從量化管理的角度給出檢修意見。還從邏輯鏈路和物理鏈路兩方面討論了二次回路在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)。結(jié)合兩方面內(nèi)容，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)探討了智能站繼電保護(hù)狀態(tài)檢修實(shí)施方案。

智能變電站；繼電保護(hù)；狀態(tài)評(píng)估；在線監(jiān)測(cè)

狀態(tài)檢修以設(shè)備在線狀態(tài)為依據(jù)，根據(jù)設(shè)備自身的需要進(jìn)行檢修，是智能化變電站的一個(gè)重要內(nèi)容和目標(biāo)。狀態(tài)評(píng)估機(jī)制的合理建立是貫穿整個(gè)狀態(tài)檢修維護(hù)策略的核心內(nèi)容。如何科學(xué)合理地建立二次繼電保護(hù)設(shè)備健康評(píng)價(jià)機(jī)制，也是繼電保護(hù)狀態(tài)檢修的難點(diǎn)［1-3］。文獻(xiàn)［4］指出交、直流回路、控制回路等外回路的監(jiān)測(cè)手段還比較缺乏，威脅保護(hù)動(dòng)作的正確性，同時(shí)需進(jìn)一步研究狀態(tài)信息的分類與分析。文獻(xiàn)［5］著重分析了裝置壽命的影響機(jī)理，提出了延長(zhǎng)使用壽命的對(duì)策。應(yīng)該指出，繼電保護(hù)的狀態(tài)檢修應(yīng)包括但不限于設(shè)備本身的狀態(tài)，還應(yīng)考慮保護(hù)邏輯正確性及相關(guān)回路的正確性。從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)智能站繼電保護(hù)設(shè)備和二次回路的狀態(tài)評(píng)估方法和評(píng)估體系，就智能站繼電保護(hù)的狀態(tài)評(píng)估技術(shù)進(jìn)行探討。

1　智能變電站繼電保護(hù)的狀態(tài)信息

智能變電站繼電保護(hù)設(shè)備其強(qiáng)大的“自檢”能力為狀態(tài)檢修技術(shù)提供了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，由于二次設(shè)備之間的信息以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸，具備完善的自動(dòng)閉鎖及告警機(jī)制，變電站內(nèi)所有與保護(hù)相關(guān)的信息均在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之下。因此，智能變電站可以對(duì)保護(hù)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面的監(jiān)測(cè)［6-10］。保護(hù)設(shè)備自身狀態(tài)信息主要應(yīng)考慮：設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、絕緣狀況、裝置硬件狀態(tài)信息等。研究表明嚴(yán)酷的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境將加速裝置元器件老化，增加故障率。過高的溫度和濕度將劣化器件電氣性能，導(dǎo)致設(shè)備功能失效。文中狀態(tài)評(píng)估機(jī)制考慮包括設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境溫濕度、裝置內(nèi)部工作溫度（包括過程層光口溫度、光強(qiáng)）、工作電壓及包括屏內(nèi)接線的保護(hù)裝置絕緣情況。工作電壓包括直流逆變電源狀態(tài)、中央處理器/數(shù)字信號(hào)處理器（CPU/DSP）電源狀態(tài)。

除個(gè)體設(shè)備自身狀態(tài)外，評(píng)估繼電保護(hù)性能還應(yīng)環(huán)比考慮生產(chǎn)廠家批次產(chǎn)品的無故障時(shí)間、正確動(dòng)作率等內(nèi)容。這是因?yàn)闋顟B(tài)評(píng)估的作用不僅限于發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)設(shè)備本身已出現(xiàn)的缺陷，同時(shí)對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。文中狀態(tài)評(píng)估機(jī)制從設(shè)備自身統(tǒng)計(jì)、同型號(hào)統(tǒng)計(jì)、同批次統(tǒng)計(jì)三方面綜合考慮保護(hù)設(shè)備性能。

智能變電站繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)估的另一重要任務(wù)為電氣二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。除了監(jiān)測(cè)合并單元和智能終端的裝置狀態(tài)信息外，還應(yīng)涵蓋基于IEC 61850協(xié)議的光纖通信鏈路狀態(tài)和基于智能站配置文本的邏輯鏈路狀態(tài)［11，12］監(jiān)測(cè)兩部分內(nèi)容。

2　繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)估

基于智能變電站的以上特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)變電站保護(hù)裝置的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)估以量化的方式進(jìn)行。根據(jù)評(píng)價(jià)內(nèi)容的重要性分配分值，滿分為100分。分值分配情況見表1。

表1智能變電站繼電保護(hù)裝置狀態(tài)量評(píng)價(jià)

繼電保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行中，這些狀態(tài)信息一般不會(huì)產(chǎn)生太大突變量，可以采用時(shí)間間隔較大的模式相對(duì)緩慢地輸出數(shù)據(jù)。全站二次設(shè)備每2 h報(bào)送1次狀態(tài)信息，變化量超過5%或分析狀態(tài)有改變時(shí)主動(dòng)報(bào)送1次。對(duì)于家族性無故障時(shí)間、正確動(dòng)作率等不具備狀態(tài)信息在線上送條件的參量，可采用離線統(tǒng)計(jì)置數(shù)方式錄入并參與狀態(tài)評(píng)估計(jì)算。結(jié)合上述數(shù)據(jù)特征，從在線數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)兩方面綜合分析。

3　繼電保護(hù)狀態(tài)信息的在線數(shù)據(jù)分析

3.1在線數(shù)據(jù)的獲取

基于以太網(wǎng)的在線信息傳輸具有良好的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。變電站智能化之后，豐富了繼電保護(hù)的狀態(tài)信息來源。如新一代智能站繼電保護(hù)裝置的在線監(jiān)測(cè)功能提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的裝置各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括：裝置CPU/ DSP電源狀態(tài)、內(nèi)部工作溫度、過程層光口工作溫度、過程層光口的發(fā)送光強(qiáng)和接收光強(qiáng)等；變電站絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋到二次設(shè)備時(shí)，可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備絕緣情況；基于紅外測(cè)溫等技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

在變電站無人值守的趨勢(shì)下，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的遠(yuǎn)方監(jiān)控是今后的必然發(fā)展方向。

3.2在線信息的狀態(tài)分析

3.2.1裝置信息

表2給出了典型保護(hù)裝置的狀態(tài)量限值。裝置狀態(tài)評(píng)估除了以總得分作為評(píng)判依據(jù)外，出現(xiàn)單項(xiàng)狀態(tài)不合格情況就應(yīng)引起注意并安排檢修。

不同種類狀態(tài)數(shù)據(jù)服從的分布函數(shù)是多樣的，但實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)只需多個(gè)連續(xù)監(jiān)測(cè)周期在合理區(qū)間內(nèi)即可，因此可簡(jiǎn)化狀態(tài)評(píng)分為圖1所示的梯形曲線。

圖1裝置狀態(tài)信息評(píng)分曲線

3.2.2運(yùn)行環(huán)境評(píng)估

溫度與濕度評(píng)分是多個(gè)連續(xù)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，按監(jiān)測(cè)周期占總監(jiān)測(cè)時(shí)間的比重作為權(quán)值計(jì)算，最終取溫度、濕度得分的最小值作為運(yùn)行環(huán)境評(píng)估的得分。環(huán)境濕度的評(píng)價(jià)，按照GB/T2423要求，分2個(gè)循環(huán)共24 h做環(huán)境檢測(cè)，要求相對(duì)濕度不大于95%（如圖2所示）。

3.2.3通道運(yùn)行情況

通道運(yùn)行情況主要監(jiān)視高頻收信通道異常情況以及裝置自身原因引起的通信中斷或?qū)r(shí)異常、光纖通道的丟包率及誤碼率等，如圖3所示。

4　離線數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與輔助決策

對(duì)于繼電保護(hù)狀態(tài)檢修而言，廣泛收集系統(tǒng)內(nèi)各廠家的系列保護(hù)裝置運(yùn)行信息并建立缺陷信息庫，在監(jiān)測(cè)平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上以離線數(shù)據(jù)的形式納入狀態(tài)檢修評(píng)估體系，將大大拓寬狀態(tài)檢修的應(yīng)用范圍。同時(shí)，歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的離線統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)一步提升了在線檢修的監(jiān)測(cè)深度。這些內(nèi)容也是在線檢修區(qū)別于傳統(tǒng)檢修方式的重要特征之一。

圖2一種典型環(huán)境濕度的評(píng)分曲線

圖3一種典型通道運(yùn)行情況的評(píng)分

4.1典型離線數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

無故障運(yùn)行時(shí)間是評(píng)估繼電保護(hù)裝置壽命的重要指標(biāo)。在正常條件下，裝置無故障時(shí)間及家族性無故障時(shí)間應(yīng)與廠家提供數(shù)據(jù)接近。圖4給出了一種典型的無故障時(shí)間分析曲線，預(yù)計(jì)無缺陷時(shí)間倍數(shù)=實(shí)際無故障時(shí)間/預(yù)計(jì)無故障時(shí)間。

傳統(tǒng)的正確動(dòng)作率統(tǒng)計(jì)方法以一定期限內(nèi)被統(tǒng)計(jì)設(shè)備總動(dòng)作次數(shù)和其中正確動(dòng)作次數(shù)來定義：

RCO=（正確動(dòng)作次數(shù)/總動(dòng)作次數(shù)）×100% （1）

這種統(tǒng)計(jì)方式存在一定的局限性。例如，若此次統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)沒有發(fā)生過區(qū)內(nèi)故障，甚至是保護(hù)裝置在本統(tǒng)計(jì)周期經(jīng)受了多次區(qū)外故障的沖擊而未誤動(dòng)。對(duì)于這類情況，RCO就難以準(zhǔn)確反映保護(hù)裝置的真實(shí)性能。因此，合理的統(tǒng)計(jì)方式應(yīng)該兼有裝置抗區(qū)內(nèi)拒動(dòng)和抗區(qū)外誤動(dòng)兩方面內(nèi)容。文中調(diào)整評(píng)估保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率定義為：

RCO=（動(dòng)作行為正確數(shù)/區(qū)內(nèi)外總故障數(shù)）×100%（2）

特別的，如本評(píng)價(jià)周期內(nèi)被監(jiān)測(cè)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)或者拒動(dòng)，則本次評(píng)估單裝置正確動(dòng)作率RCO得分取0。

4.2缺陷信息庫與歷史數(shù)據(jù)挖掘

缺陷信息庫是建立在對(duì)設(shè)備狀態(tài)長(zhǎng)期跟蹤記錄基礎(chǔ)上的。建立缺陷信息庫后，可以方便電力企業(yè)對(duì)缺陷的定量統(tǒng)計(jì)分析，從而為設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估、家族性缺陷定義、設(shè)備選型和技術(shù)改造提供事實(shí)依據(jù)。

另一方面，當(dāng)缺陷發(fā)生時(shí)，通過對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的技術(shù)分析，并類比缺陷庫內(nèi)的相關(guān)記錄，可以有效幫助消缺人員快速定位缺陷。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)批次性硬件問題時(shí)，將此批次性問題錄入缺陷信息庫可為電力企業(yè)安排檢修計(jì)劃提供參考。

4.3保護(hù)裝置狀態(tài)分類

根據(jù)智能變電站保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)量，計(jì)算出智能變電站保護(hù)裝置的狀態(tài)信息評(píng)價(jià)得分，根據(jù)各部件的評(píng)價(jià)結(jié)果按量化分值的大小分為“良好狀態(tài)”、“正常狀態(tài)”、“注意狀態(tài)”、“異常狀態(tài)”和“嚴(yán)重異常狀態(tài)”5個(gè)狀態(tài)。分值與檢修方案見表3。

圖4家族性無故障時(shí)間的評(píng)分曲線

5　智能變電站二次回路狀態(tài)評(píng)估的技術(shù)路線

5.1物理鏈路的故障定位

智能站光纖鏈路的通道監(jiān)視，一般由接收端智能電子設(shè)備（IED）完成。對(duì)于組網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)2種基本通信方式，都可以將通信等效為圖5。

表3繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)分與檢修建議

圖5通信鏈路的一般等效

當(dāng)智能站二次回路發(fā)生故障時(shí)，站內(nèi)將有很多設(shè)備產(chǎn)生大量的告警報(bào)文。對(duì)于某一接收設(shè)備的告警報(bào)文分析故障來源是困難的，因?yàn)橥ㄐ艂鬏數(shù)倪^程常常涉及多個(gè)環(huán)節(jié)：裝置、板卡、光纖、交換機(jī)等。二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以綜合全站的鏈路情況，根據(jù)過程層通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來評(píng)估各環(huán)節(jié)的故障概率，從而形成故障定位。

通過配置建立基于各設(shè)備光纖鏈路物理端口的全站過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以及各設(shè)備斷鏈異常信息與數(shù)據(jù)鏈路間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。二次物理回路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過解析告警事件，得到事件所屬的信息組播源地址（MAC）、應(yīng)用標(biāo)識(shí)（APPID）以及路由表、虛端子拉線等拓?fù)湫畔?，還得到異常的路徑集合和端口集合，并按照如下推理進(jìn)行故障定位。

（1）異常端口集合中，所有異常信息指向同一端口時(shí)，則表明該數(shù)據(jù)發(fā)送端口、數(shù)據(jù)傳輸光纖或接收端口（包括交換機(jī)端口和裝置端口）出現(xiàn)了異常。

（2）接受方設(shè)備的所有異常信息指向同一發(fā)送設(shè)備或此發(fā)送設(shè)備的所有接受方均告警，則表明該數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備出現(xiàn)了異常。

（3）當(dāng)僅部分端口和路徑異常時(shí)，可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)路徑集合和端口集合中異常個(gè)體出現(xiàn)的次數(shù)，排除保護(hù)設(shè)備或合并單元、智能終端出現(xiàn)異常的可能，并結(jié)合簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP），定位交換機(jī)的故障點(diǎn)（如光模塊、光纖故障）。

根據(jù)推理得出的故障點(diǎn)概率大小，就可以對(duì)故障進(jìn)行依次排查并檢修。

目前，為實(shí)現(xiàn)二次回路物理鏈路在線監(jiān)測(cè)功能，需配置全站過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼案髟O(shè)備斷鏈異常信息與數(shù)據(jù)鏈路間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，整體配置工作量較大。建議通過交換機(jī)模型化并納入變電站配置描述（SCD）的配置管理，以自動(dòng)建立全站過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系；通過完善設(shè)備模型規(guī)范建立設(shè)備站控層斷鏈異常信息與過程層數(shù)據(jù)鏈路間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些工作將大大減少配置工作量，提高二次物理鏈路在線監(jiān)測(cè)功能的實(shí)用化水平。

5.2邏輯鏈路的狀態(tài)分析

常規(guī)的電氣二次回路是由若干繼電器和連接各個(gè)設(shè)備的電纜組成，點(diǎn)多、分散，要通過在線監(jiān)測(cè)繼電器觸點(diǎn)的狀況、回路接線的正確性等很難，也不經(jīng)濟(jì)。

智能站虛擬二次回路主要以虛端子表、裝置邏輯聯(lián)系圖形式的體現(xiàn)?；芈泛w的信息包括：采樣值（SV）輸入和輸出定義、通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅OOSE）輸入和輸出定義、網(wǎng)絡(luò)地址分配等。依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，過程層GOOSE和SV報(bào)文不僅傳輸通信數(shù)據(jù)，還包括配置數(shù)據(jù)，這兩方面信息掃除了二次回路狀態(tài)特征量的采集盲區(qū)，使邏輯鏈路通信的在線監(jiān)測(cè)成為可能。

過程層裝置間通過GOOSE、SV報(bào)文交互的應(yīng)用信息可以用MAC地址、APPID來唯一標(biāo)識(shí)，過程層裝置間的交互關(guān)系通過SCD配置文件詳細(xì)描述。SCD配置文本的信息包括：發(fā)送端GOOSE、SV控制塊及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集；GOOSE、SV發(fā)送塊對(duì)應(yīng)的MAC地址、APPID；接收端與發(fā)送端的虛回路連接情況。

對(duì)于保護(hù)裝置而言，實(shí)例化配置文本CID記錄了裝置的虛回路連接信息。檢索GOOSE輸入（GOIN）、SV輸入 （SVIN）為前綴的LN中的Input信息，提取iedName、ldInst、lnClass、lnInst、doName、daName、prefix等元素，可以構(gòu)建過程層收發(fā)裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及信息虛回路表。

二次回路的邏輯鏈路監(jiān)測(cè)，通過過程層網(wǎng)絡(luò)周期地讀取GOOSE和SV報(bào)文，重構(gòu)報(bào)文中的虛回路配置信息，并與SCD配置信息進(jìn)行一致性比較，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出告警。如圖6所示，二次回路的邏輯鏈路監(jiān)測(cè)，為智能變電站二次回路構(gòu)建流程補(bǔ)充了重要一環(huán)，實(shí)現(xiàn)了智能站二次回路配置信息的邏輯驗(yàn)證。

圖6邏輯鏈路在線監(jiān)測(cè)示意

6　結(jié)束語

數(shù)字式保護(hù)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)使保護(hù)設(shè)備本身具有很強(qiáng)的自檢功能。因此，作為裝置本身的監(jiān)測(cè)和診斷已具備實(shí)現(xiàn)的可能，保護(hù)裝置檢修決策的確定具有可靠的依據(jù)；同時(shí)智能站在線監(jiān)測(cè)提供了二次回路狀態(tài)診斷的技術(shù)路徑。進(jìn)一步地，在建立行業(yè)內(nèi)保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化模型方面、以及缺陷信息庫的層次結(jié)構(gòu)規(guī)范化等方面還有許多工作要做，同時(shí)需要研究智能站繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)檢修的經(jīng)濟(jì)性分析，進(jìn)一步提高檢修效率及質(zhì)量。

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［12］文繼峰，盛海華，周 強(qiáng)，等.智能變電站繼電保護(hù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.江蘇電機(jī)工程，2015，34（1）：21-24.

Research on Status Assessment Technology of Relay Protection in Smart Substation

GU Qiaogen1，LYU Hang1，YANG Guosheng2，WANG Wenhuan2，CHEN Xiao1，YANG Yanfei2
（1.Nanjing NARI-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

Information technology of digital relay protection makes protective devices themselves strong functions of self-checking.At the same time，it helps to remove obstacles in regards to collecting characteristic quantity of secondary circuit.In this paper，status assessment of relay protection in smart substation is discussed in two respects:protection device and secondary circuit.Then，status information of protection device is ranked and generalized.Thus，suggestions to maintenance are provided in terms of quantitative management.In addition，this paper discusses online monitoring technology of secondary circuit from the standpoint of logical and physical links，which are joint together for practical use.In the end，specific implementation related to status maintenance of relay protection in smart substation is subsequently explored.

smart substation；relay protection；status assessment；online monitoring

TM76

B

1009-0665（2016）01-0080-04

2015-09-02；

2015-10-15

顧喬根（1986），男，江蘇南通人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

呂航（1971），男，江蘇金壇人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

楊國(guó)生（1977），男，甘肅蘭州人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

王文煥（1984），男，山東菏澤人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

程驍（1978），男，河南安陽人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究及科技管理工作；

李妍霏（1988），女，山東萊蕪人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作。