智能變電站二次設(shè)備的新型在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究探討

，，，

(國網(wǎng)溫州供電公司，浙江 溫州 325000)

1 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，國網(wǎng)公司明確提出對二次設(shè)備在線監(jiān)測新的技術(shù)要求。二次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)視保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波裝置、站域保護(hù)裝置、監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采集裝置的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的綜合展示和告警。

智能站監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度不斷提高，對受控裝置本身關(guān)鍵信息的監(jiān)視能力越來越強(qiáng)，為智能變電站二次設(shè)備在線監(jiān)測及狀態(tài)檢修提供了良好的基礎(chǔ)，但是目前普遍存在監(jiān)測過程不直觀、監(jiān)測信息不全面、監(jiān)測范圍比較小，一些重要的設(shè)備如各類交換機(jī)沒有納入到監(jiān)測范圍等問題，且無法真正實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)的可視化狀態(tài)檢修[1-2]。

本文主要闡述一種新型的智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)對包括信息源采集設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、繼電保護(hù)、測控裝置等智能設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)積累和分析，為智能變電站的安全運(yùn)行提供參考依據(jù)。

2 監(jiān)測的內(nèi)容

二次設(shè)備在線監(jiān)視對象包括合并單元、智能終端、保護(hù)裝置、測控裝置、安穩(wěn)控制裝置、監(jiān)控主機(jī)、綜合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、輔助設(shè)備等，通過多種通信方式、多種通信協(xié)議接入不同廠家的保護(hù)裝置，而檢測量包括接入裝置的模擬量、開關(guān)量、定值信息、事件信息、故障數(shù)據(jù)、設(shè)備自檢信息、運(yùn)行狀態(tài)信息、告警信息、對時(shí)狀態(tài)信息，不僅如此新型的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)支持SNMP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)流量、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)采集和統(tǒng)計(jì)。因此總的來說，二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括信息回路的在線監(jiān)測與設(shè)備在線監(jiān)測兩類。

3 監(jiān)測的分級報(bào)警功能

隨著二次IED裝置的智能化程度不斷提高，對裝置本身關(guān)鍵信息的監(jiān)視能力也越來越強(qiáng)。有別于傳統(tǒng)的變電站監(jiān)測系統(tǒng)，新型的監(jiān)測系統(tǒng)能綜合展示全站的二次設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、診斷結(jié)果、報(bào)警信息等，而且實(shí)現(xiàn)分類分級報(bào)警，如圖1所示，系統(tǒng)將全站信息進(jìn)行合理歸類，主要監(jiān)測參量可分為以下兩類：

(1)物理回路在線監(jiān)測。根據(jù)模型文件和配置信息生成系統(tǒng)二次通信的物理鏈路模型與虛擬鏈路模型。其中物理鏈路由發(fā)送端口、交換機(jī)和接收端口組成，虛擬鏈路模型通過組播地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)，分析每個(gè)組播組的裝置、每個(gè)裝置接受的組播組等信息。系統(tǒng)根據(jù)交換機(jī)上送的端口信息與裝置上送的配置信息進(jìn)行校驗(yàn)，若匹配，則生成系統(tǒng)的物理鏈路模型；若存在差異，則立即報(bào)警。根據(jù)上述關(guān)聯(lián)信息，就可以通過IED 設(shè)備的斷鏈信息實(shí)現(xiàn)光纖鏈路或交換機(jī)設(shè)備故障點(diǎn)的快速定位。

(2)邏輯回路在線監(jiān)測。二次設(shè)備邏輯回路主要指信息之間的關(guān)聯(lián)，即發(fā)送和接收[3-4]。通過比對過程層通信配置與SCD 文件的差異，能夠分析通信鏈路配置狀態(tài)；通過在線校對GOOSE和SV配置，能夠判斷發(fā)送和接收的配置是否匹配；通過驗(yàn)證發(fā)送配置和SCD 集成配置的一致性，可以在邏輯上驗(yàn)證過程層裝置的發(fā)送配置、接收配置與SCD 集成配置的一致性。

設(shè)備狀態(tài)是反映重要監(jiān)測數(shù)據(jù)超出報(bào)警上下限區(qū)間的信息。有異常變化但仍能正常運(yùn)行，需要按計(jì)劃檢查設(shè)備的運(yùn)行情況。告警信息反映設(shè)備運(yùn)行異常情況的報(bào)警信號，已經(jīng)影響設(shè)備正常運(yùn)行，是需要盡快處理的信息。如：互感器品質(zhì)異常、SV數(shù)據(jù)丟幀等。

圖1 可視化監(jiān)控

4 光纖回路在線監(jiān)測

4.1 光纖回路在線監(jiān)測基本原理

實(shí)現(xiàn)物理鏈路通信在線監(jiān)測，需要首先明確智能變電站過程層設(shè)備的物理鏈路拓?fù)湫畔?。無論采用組網(wǎng)通信方式，還是點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的過程層通信方式都可以等效如圖2所示。

圖2 光纖通信鏈路等效圖

光纖通信的鏈路包括以下環(huán)節(jié)(其中發(fā)送方和接收方對應(yīng)物理設(shè)備，可以是保護(hù)裝置、合并單元、智能終端、智能合并單元或交換機(jī))。

(1)發(fā)送方光纖接口；

(2)點(diǎn)對點(diǎn)光纖；

(3)接收方光纖接口。

對于過程層的設(shè)備，從設(shè)備損壞可能導(dǎo)致光纖網(wǎng)口通信異常的層次來說，包括以下三個(gè)層次：

(1)整個(gè)裝置：當(dāng)裝置電源出現(xiàn)異常時(shí)，將導(dǎo)致裝置所有的光纖網(wǎng)絡(luò)口通信出現(xiàn)異常；

(2)接口插件：當(dāng)裝置光纖接口插件出現(xiàn)異常時(shí)，將導(dǎo)致插件所有的光纖網(wǎng)絡(luò)口通信出現(xiàn)異常；

(3)光纖接口：當(dāng)裝置單個(gè)光纖接口出現(xiàn)異常時(shí)，將導(dǎo)致該光纖接口通信出現(xiàn)異常。

從光纖通信監(jiān)視的原理來看，光纖通信的監(jiān)視功能是在接收方完成的，在光纖鏈路異常時(shí)，接收方將無法正常的接收數(shù)據(jù)，從而判斷光纖鏈路發(fā)生了異常，但是接收方實(shí)際上沒法直接判斷是鏈路的哪個(gè)參與環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，即無法定位到發(fā)送方光纖接口、通信鏈路或者是接收方光纖接口發(fā)送了異常，同時(shí)需要注意，為了方便的實(shí)現(xiàn)光纖鏈路狀態(tài)監(jiān)視，接收設(shè)備發(fā)出的鏈路異常報(bào)警需要有明確的物理概念。

實(shí)際應(yīng)用過程中，過程層設(shè)備的光纖通信異?？赡苁怯刹寮惓?，或者是裝置異常引起，這樣在設(shè)備異常過程中，在整個(gè)變電站來看，將有很多設(shè)備產(chǎn)生對應(yīng)的鏈路異常信號，二次回路在線監(jiān)測的一個(gè)主要工作就是通過這些鏈路異常信號，進(jìn)行鏈路異常的準(zhǔn)確定位。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，需要定義兩個(gè)結(jié)構(gòu)體來存儲(chǔ)光纖鏈路物理端口通信，光纖端口結(jié)構(gòu)：

Struct

{

devce; //裝置編號

slot; //插件編號或模塊編號(交換機(jī))

fiber; //光纖編號

} PORT

在《IEC 61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型》中，對IED物理端口描述進(jìn)行了規(guī)范，因此很容易從設(shè)備模型中獲取端口相關(guān)信息。

光纖鏈路異常結(jié)構(gòu)：

Struct

{

PORT source; //數(shù)據(jù)發(fā)送端口

PROT route1-N; //交換機(jī)交換端口

PORT destination; //數(shù)據(jù)接收端口

}

在線監(jiān)測系統(tǒng)后臺(tái)裝置構(gòu)造以上結(jié)構(gòu)體信息，并實(shí)時(shí)接收到過程層設(shè)備的光纖鏈路異常信息，分析所有鏈路異常信息的發(fā)送端口和接收端口是否相同，并可作依據(jù)以下規(guī)則進(jìn)行過程層鏈路異常定位：

當(dāng)所有的光纖鏈路異常對應(yīng)的發(fā)送端口(包括前向追溯的交換機(jī)交換端口)相同，則表明該數(shù)據(jù)發(fā)送端口或其對應(yīng)的點(diǎn)對點(diǎn)光纖或接收端口出現(xiàn)了異常。

星型系統(tǒng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，數(shù)據(jù)接收方1…N都發(fā)出了針對數(shù)據(jù)發(fā)送方的光纖鏈路出錯(cuò)，通過迭代方向追溯，就可以搜索出可能出錯(cuò)的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)發(fā)送方和交換機(jī)之間的鏈路可能出現(xiàn)了異常(紅色鏈路部分)。

圖3 星型通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

當(dāng)所有的光纖鏈路異常對應(yīng)的發(fā)送插件(包括前向追溯的交換機(jī)模塊)相同，則表明該數(shù)據(jù)發(fā)送插件出現(xiàn)了異常；而當(dāng)所有的光纖鏈路異常對應(yīng)的發(fā)送裝置(包括前向追溯的交換機(jī))相同，則表明該數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備出現(xiàn)了異常。

4.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)展示

通過界面直接查看網(wǎng)絡(luò)回路的狀況。如GOOSE通道、SV通道、品質(zhì)信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將有異常狀態(tài)的回路醒目展示，使運(yùn)行人員能簡潔快速地發(fā)現(xiàn)異常信息，如圖4所示。另外，可通過監(jiān)測畫面直觀地觀察到物理鏈路的通信狀況，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)流量以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等信息。

圖4 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視示例

4.3 光纖回路在線監(jiān)測可視化展示

采用GOOSE/SV“虛端子”二維表的表達(dá)形式，將多個(gè)裝置基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉OOSE/SV信息以虛端子的形式表達(dá)，使得多種信息(間隔、裝置、虛端子、邏輯傳輸關(guān)系)能夠通過二維表的方式簡單直觀在后臺(tái)展示，使得設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試以及運(yùn)維人員能夠直接閱讀智能裝置聯(lián)閉鎖的開入、開出?？赏ㄟ^在后以畫面上設(shè)計(jì)二維表光字牌表示光纖網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，見圖5測控間的光纖連接圖。

圖5 光纖網(wǎng)絡(luò)二維光字表

5 過程層GOOSE、SV通信狀態(tài)監(jiān)視

在實(shí)際工程中，會(huì)出現(xiàn)過程層的通信配置和SCD文件不一致的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情況時(shí)需要及時(shí)準(zhǔn)確的告警以提示運(yùn)行人員。裝置對GOOSE和SV配置均可進(jìn)行在線校對，并在發(fā)現(xiàn)發(fā)送配置和接收配置不匹配的時(shí)候發(fā)出告警信號。只要可以驗(yàn)證發(fā)送的配置和SCD集成配置一致，就可以在邏輯上驗(yàn)證過程層裝置的發(fā)送配置、接收配置與SCD集成配置的一致性。

新型監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信息合法性和報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)合法性和報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)流量和報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)健康度和報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況以及流量統(tǒng)計(jì)。通斷統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)重發(fā)統(tǒng)計(jì)和節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)等，并將報(bào)警信號和統(tǒng)計(jì)信息上傳調(diào)度；在線收集站內(nèi)繼電保護(hù)、自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)字式電能表及其他智能設(shè)備的信息，監(jiān)視各智能裝置的工作狀態(tài)[5-6]。

對GOOSE信息的幀結(jié)構(gòu)、組播地址與源地址匹配關(guān)系、 StNum和SqNum組合方式、幀時(shí)序、頻率進(jìn)行監(jiān)視，對異常信號、信號丟失、信號消失、信號恢復(fù)、信號連接不可靠、信號傳輸過程異常等異常情況進(jìn)行告警和記錄，并將報(bào)警信號上傳調(diào)度。

對SV采樣值信息的幀結(jié)構(gòu)、組播地址與源地址匹配關(guān)系、序號、幀時(shí)序、頻率、信號同步性進(jìn)行監(jiān)視，對異常信號、信號丟失、信號消失、信號恢復(fù)、信號連接不可靠等異常情況進(jìn)行告警和記錄，并將報(bào)警信號上傳調(diào)度。

6 二次設(shè)備內(nèi)部的溫度在線監(jiān)視

當(dāng)二次設(shè)備內(nèi)部的溫度過高時(shí)(原因可能是內(nèi)部短路或者元器件工作不正常)，容易導(dǎo)致二次設(shè)備元件的老化而損壞。在裝置內(nèi)部裝設(shè)溫度傳感器，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到二次設(shè)備在線監(jiān)視系統(tǒng)，結(jié)合二次設(shè)備異常損壞情況下的溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，形成決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部溫度異常的提前預(yù)警，如圖6所示。

圖6 裝置二次信息監(jiān)測圖

7 光纖接口光強(qiáng)在線監(jiān)視

智能變電站二次設(shè)備的過程層信息交互都完全依賴于光纖接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)這些光纖接口長期工作之后，其發(fā)送光強(qiáng)會(huì)逐步下降，最終導(dǎo)致通信無法正常進(jìn)行而出錯(cuò)，如果二次設(shè)備具備有這些光纖接口的光強(qiáng)監(jiān)視功能，將光強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)送到二次設(shè)備在線監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行綜合匯總，并結(jié)合光纖接口通信出錯(cuò)情況下的光強(qiáng)參數(shù)進(jìn)行以前預(yù)警，變故障檢修為狀態(tài)檢修。

8 電源模塊在線監(jiān)視

電源模塊的輸出本身是一個(gè)可監(jiān)視的模擬量信號，二次設(shè)備可以對這個(gè)模擬量信號進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)視，并在設(shè)定相應(yīng)的閾值，在電源電平超過合理范圍的情況下，告警或者閉鎖保護(hù)裝置，同時(shí)，也可以將電源電平信息通過二次設(shè)備在線監(jiān)視系統(tǒng)，通過同一類型裝置的電源插件損壞情況下的電源電平特征進(jìn)行綜合匯總，形成決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電源插件損壞前的提前預(yù)警，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備模塊的在線監(jiān)測。

9 總結(jié)

綜上所述，本文在闡述在智能變電站在線監(jiān)測的概念和必要性的基礎(chǔ)上，梳理二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的范圍和參量，提出新型監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能和實(shí)現(xiàn)方法。并著重?cái)⑹鲂滦拖到y(tǒng)在分級告警、光纖回路告警、GOOSE和SV告警、溫度和光強(qiáng)告警等方面的具體理論和作用。該系統(tǒng)的研制對保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在防止事故發(fā)生和擴(kuò)大起到關(guān)鍵性的作用。

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