基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字化變電站系統(tǒng)故障研究

旻投電力發(fā)展有限公司 吳 楠

IEC(Communication networks and system in substation)即變電站的系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)接口，使得傳統(tǒng)的變電站出現(xiàn)多種多樣的形式，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下，由于可以對(duì)多種協(xié)議進(jìn)行辨別，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)范和詮釋其模型的通信接口，比如智能式開(kāi)關(guān)、數(shù)字式PT、CT及IED保護(hù)控制裝置等，由于IEEC可以利用分布式的交互系統(tǒng)關(guān)聯(lián)每一個(gè)子系統(tǒng)，進(jìn)而形成一致的標(biāo)準(zhǔn)，使得數(shù)字化變電站工作的效率大大提高。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)不斷出現(xiàn)了超過(guò)110kV的變電站，依靠傳統(tǒng)定期檢修的工作模式已很難適應(yīng)智能變電站的發(fā)展。經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用來(lái)看，當(dāng)前電力設(shè)備檢修狀態(tài)的應(yīng)用包括兩種類(lèi)型的技術(shù)，一種是高壓斷路器故障與檢測(cè)技術(shù)，另一種是電力變壓器故障與檢測(cè)技術(shù)。后一種技術(shù)主要是監(jiān)測(cè)變壓器形成的震動(dòng)信號(hào)，并以此來(lái)詳細(xì)分析電力設(shè)備的運(yùn)作情況。按照有關(guān)的數(shù)據(jù)收集[1]，說(shuō)明繞線面臨故障和裝置調(diào)節(jié)器（OLTC）面臨故障的情況在實(shí)際檢修中最為常見(jiàn)。

1 智能變電站的采樣同步

基于IEC 61850準(zhǔn)則的數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)變電站向數(shù)字化智能變電站進(jìn)行改造優(yōu)化的過(guò)程中，非常關(guān)鍵的重點(diǎn)就是變電站使用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)而實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)信息的數(shù)字化，具體可以從圖1中看出，IEC61850準(zhǔn)則在邏輯思維上將變電站進(jìn)行分層，主要有三層：第一層、第二層（間隔層）、第三層（變電站層）。

圖1 數(shù)字化智能變電站三層結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字化智能變電站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集主要從變電站中分離出來(lái)的交流輸入組件、A/D采樣模塊以及開(kāi)入開(kāi)出模塊和獨(dú)立于保護(hù)裝置的合并單元共同構(gòu)成[2]。為此，需要尋找一種同步的采樣的方式，使得IED的采樣數(shù)據(jù)保持同步性，以此規(guī)避因采樣設(shè)備和運(yùn)維模型不同而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不同步現(xiàn)象。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)一些智能變電站會(huì)利用同步時(shí)鐘法和差值重采樣法這兩種方法。針對(duì)110kV智能變電站隔層保護(hù)裝置里的非同步數(shù)據(jù)及110kV智能變電站的過(guò)程層MU，后一種方法可以對(duì)它們實(shí)現(xiàn)采樣同步操作；不管是間隔層的控制設(shè)備還是過(guò)程層MU，它們均會(huì)按照統(tǒng)一時(shí)鐘源的方法來(lái)確保采樣同步目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[3]。

當(dāng)前，變電站通常利用兩種采樣技術(shù)，一種是同步時(shí)鐘法，另一種是插值重采法，主要是用來(lái)同步采樣數(shù)字信號(hào)[4]。從采樣延時(shí)的準(zhǔn)確度和采樣間隔來(lái)看，插值重采樣法的要求更高，通過(guò)補(bǔ)償SV報(bào)文里的Value值之后采取同步采樣法，不用smpCnt值。

結(jié)合圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)來(lái)看，體現(xiàn)在組網(wǎng)的方案上主要有以下方式，其站層/間隔層網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)、對(duì)時(shí)分別為：總線/SV點(diǎn)對(duì)點(diǎn)+GOOSE總線/B碼或秒脈沖；總線/SV點(diǎn)對(duì)點(diǎn)+GOOSE總線/B碼或秒脈沖；總線/SV與GOOSE總線統(tǒng)一組網(wǎng)/IEEE1558；站控層與過(guò)程層統(tǒng)一總線/IEEE1558。

針對(duì)傳統(tǒng)的變電站做出有關(guān)的改造工作，應(yīng)該符合DL/T860標(biāo)準(zhǔn)的信息模型。為提高各種設(shè)備間互相操作的默契度，應(yīng)該利用ICD裝置來(lái)配置文件，便于各個(gè)廠家共享設(shè)備。

2 數(shù)字化智能變電站改造中的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在改造變電站通信網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中，需要實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實(shí)時(shí)性與安全性，基于山西110kV城東數(shù)字化智能變電站改造項(xiàng)目為例，“故障弱化”作為變電站改造后應(yīng)該遵循的首要原則[5]，在該原則的基礎(chǔ)上對(duì)其通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式進(jìn)行建設(shè)。由于改造過(guò)程中對(duì)二次設(shè)備有一定的要求，因此絕大多數(shù)的二次設(shè)備都需要進(jìn)行更換處理，除此之外，新通信網(wǎng)絡(luò)也需要進(jìn)行更換。

2.1 組網(wǎng)方式

由于是改造優(yōu)化項(xiàng)目，對(duì)于測(cè)評(píng)項(xiàng)目的結(jié)果中，成本問(wèn)題也是需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題，因此，在進(jìn)行改造的過(guò)程中還需要控制好成本。為此，山西110kV城東數(shù)字化智能變電站改造項(xiàng)目，利用GOOSE網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立組網(wǎng)與模擬量采樣網(wǎng)絡(luò)達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)流量的目的；冗余雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)的組建能夠在一定程度上減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障對(duì)繼電保護(hù)功能的影響，為此，基于實(shí)踐中可以構(gòu)建相互獨(dú)立的雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)確保保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。

2.2 選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

成本控制是110kV城東數(shù)字化智能變電站改造項(xiàng)目在改造過(guò)程中需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題（星形單網(wǎng)、星形雙網(wǎng)的增設(shè)保護(hù)成本都是增加原單重化裝置，但星形雙網(wǎng)的交換機(jī)成本是正常配置的星形單網(wǎng)的2倍），與保護(hù)裝置的成本相比交換機(jī)的價(jià)格相對(duì)較低，因此，我們可以使用更多的交換機(jī)來(lái)替代保護(hù)裝置，這樣可以在很大程度上降低該智能變電站的改造成本。

綜合以上信息可以得出以下結(jié)論：110kV城東變電站自動(dòng)化系統(tǒng)適合應(yīng)用GOOSE+IEE1558合一組的單網(wǎng)，基于DL/T860的三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，過(guò)程層SV采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及站控層/間隔層MMS單網(wǎng)，除此之外，從保護(hù)角度來(lái)看適合采用直采直跳。如圖2所表示的是110kV城東變電站改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 110kV城東變電站改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 GOOSE技術(shù)對(duì)智能化變電站故障采集及判斷應(yīng)用

實(shí)踐結(jié)果表明，通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有利于解決二次回路接觸不良、寄生回路等問(wèn)題，可以以此來(lái)替代傳統(tǒng)的二次回路。

3.1 GOOSE報(bào)文傳輸機(jī)制

由于基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了繼電保護(hù)操作控制類(lèi)與動(dòng)作類(lèi)報(bào)文的傳輸時(shí)間，總傳輸時(shí)間需要大于等于3ms[6]。繼電保護(hù)系統(tǒng)為了確保自身功能的實(shí)現(xiàn)，一方面繼電保護(hù)元件基于互感器對(duì)采樣信息進(jìn)行收集，并且以此來(lái)對(duì)電網(wǎng)故障與否做出判斷，另一方面不能忽視和斷路器側(cè)的關(guān)聯(lián)，在面臨故障時(shí)可以對(duì)斷路器的斷開(kāi)和重合做出正確的控制。就數(shù)字化智能變電站而言，載體GOOSE報(bào)文和采樣值SV報(bào)文分別取代了這兩種信息，此外，還有之前所說(shuō)的同步對(duì)時(shí)信息。為此，結(jié)合案例工程項(xiàng)目報(bào)文傳輸機(jī)制及建構(gòu)情況，簡(jiǎn)單介紹這三種信息。

SV報(bào)文信息。通過(guò)電子式互感器發(fā)出的數(shù)字測(cè)量信號(hào)便是采樣值（SV）報(bào)文，因?yàn)檎狭撕喜卧?，并把信?hào)發(fā)送至維護(hù)單元數(shù)據(jù)形成報(bào)文。采樣值報(bào)文由于可以處理海量的數(shù)據(jù)，但缺乏重發(fā)機(jī)制，就采樣值（SV）報(bào)文的實(shí)時(shí)性而言，由于保護(hù)等元件的要求極高，因此對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信的要求也較高[7]。

GOOSE報(bào)文信息。就繼電保護(hù)系統(tǒng)而言，GOOSE報(bào)文主要傳遞在智能終端和繼電保護(hù)元件之間，例如跳閘和閉鎖等確保繼電保護(hù)功能可以正常工作，對(duì)于繼電保護(hù)系統(tǒng)的組成而言尤為重要。

同步對(duì)時(shí)信息。為了確保數(shù)字化智能變電站里全部的電子裝備同步，根據(jù)一定的時(shí)間間隔，全站的同步時(shí)鐘源把同步對(duì)時(shí)信息發(fā)送至各個(gè)裝置，特別是母差保護(hù)作用，因?yàn)樾枰獙?duì)眾多間隔的采樣信息進(jìn)行收集，為了保證保護(hù)功能的動(dòng)作不出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以對(duì)與繼電保護(hù)系統(tǒng)而言同步對(duì)時(shí)信息尤為必要。

3.2 GOOSE 報(bào)文傳輸內(nèi)容

圖3所表示的是GOOSE技術(shù)在數(shù)字化智能變電站具體裝置間傳輸?shù)膱?bào)文發(fā)送時(shí)序圖詳細(xì)情況。目前有簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議法（即SNTP）和IEEE1588對(duì)時(shí)方式，后者需要高精度的對(duì)時(shí)，兼容性很強(qiáng)，被普遍地利用，IEC組織對(duì)其進(jìn)行升級(jí)、使之成為IEC61588標(biāo)準(zhǔn)，更加規(guī)范。

圖3 報(bào)文發(fā)送時(shí)序圖

3.3 一體化信息平臺(tái)的應(yīng)用

長(zhǎng)治市110kV城東變電站經(jīng)過(guò)數(shù)字化智能改造后最初應(yīng)用CSGC-3000/SA新型信息一體化平臺(tái)系統(tǒng)，由于涉及優(yōu)化后會(huì)有很多新的設(shè)備及元器件安裝到新系統(tǒng)中，因此，選取IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化的接口，不僅可以統(tǒng)一存儲(chǔ)所接入的數(shù)據(jù)，而且在數(shù)字化智能變電站系統(tǒng)應(yīng)用的平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中能夠確保數(shù)據(jù)檢索接口更有效，規(guī)范普通的數(shù)據(jù)接口，從而給智能變電站帶來(lái)更有效的信息訪問(wèn)。110kV城東變電站一體化平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)的詳細(xì)信息如圖4所示。

圖4 110kV城東變電站一體化平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)

由于數(shù)字化智能變電站具有的智能響應(yīng)等特征，致使繼電保護(hù)系統(tǒng)和之前不同，就繼電保護(hù)系統(tǒng)在信息通信方式上能夠明確面臨全新的環(huán)境中數(shù)字化智能一體化平臺(tái)的主要特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

整合減少了冗余的多種元件。在數(shù)字化的繼電保護(hù)系統(tǒng)中出現(xiàn)了以下變電站中缺乏的元件，如交換機(jī)、智能終端和合并單元等，給保護(hù)功能帶來(lái)了許多好處，同時(shí)提升了它的整體可靠性；能適應(yīng)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。以往的傳輸方法是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，現(xiàn)在是以太網(wǎng)，然而交換機(jī)形成的網(wǎng)絡(luò)使以往單一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其更復(fù)雜，所以在很大程度上整個(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)信息通路的可靠性取決于交換機(jī)的接線方式；較好擬合信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸效率。在智能化變電站中應(yīng)用以下技術(shù)，如IGMP Snooping組播過(guò)濾技術(shù)、迅速生成樹(shù)協(xié)議、優(yōu)先級(jí)隊(duì)列技術(shù)等，使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃缘靡源_保。

綜上，本文主要的出發(fā)點(diǎn)是智能化變電站改造技術(shù)的需求和它的具體規(guī)范，其例子是根據(jù)110kV城東變電站設(shè)備的具體情況制定了改造一、二次設(shè)備智能化的設(shè)計(jì)方案。明確二次自動(dòng)化系統(tǒng)適合應(yīng)用GOOSE+IEE1558合一組的單網(wǎng)，基于DL/T860的三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，過(guò)程層SV采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及站控層/間隔層MMS單網(wǎng)。除此之外，從保護(hù)角度來(lái)看適合采用直采直跳。最后基于IEC61588標(biāo)準(zhǔn)下的GOOSE技術(shù)報(bào)文系統(tǒng)應(yīng)用在變電站故障分析和判斷應(yīng)用的分析，可以有效設(shè)置并規(guī)避可能出現(xiàn)的故障，對(duì)于數(shù)字化變電站故障監(jiān)測(cè)及設(shè)備智能控制操作一體化的實(shí)現(xiàn)極為有利。