智能變電站繼電保護(hù)可靠性評(píng)價(jià)

熊勝輝

（長園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

繼電保護(hù)裝置的安全可靠性與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。截至2018 年年底，電壓等級(jí)在220 kV及以上的系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備數(shù)量達(dá)到182 172 臺(tái)，同比增加10 044 臺(tái)[1]。為保證眾多二次設(shè)備正常運(yùn)行，需要大量的運(yùn)維人員。為分析、定位、處理變電站缺陷，變電檢修人員需要多次往返變電站，處理效率較低。隨著智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，繼電保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)信息在生命周期內(nèi)可觀可測(cè)[2-5]?；谥悄茏冸娬径螤顟B(tài)監(jiān)測(cè)主站的繼電保護(hù)信息、調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行信息以及故障錄波器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備及其輔助設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)運(yùn)行評(píng)價(jià)。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，分析保護(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)的可靠性評(píng)價(jià)。

1 評(píng)價(jià)系統(tǒng)架構(gòu)

繼電保護(hù)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。實(shí)時(shí)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)安裝在調(diào)度中心安全Ⅱ區(qū)，通過Ⅱ區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)與智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)子站連接，實(shí)時(shí)獲取管控范圍內(nèi)變電站的繼電保護(hù)設(shè)備的信息，包括測(cè)量信息、告警信息以及保護(hù)動(dòng)作信息等。同時(shí)，通過橫向網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中的能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）進(jìn)行通信，獲取電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通過定值整定系統(tǒng)，獲取裝置的定值信息；通過與錄波器主站系統(tǒng)交互，獲取變電站的錄波數(shù)據(jù)。

圖1 繼電保護(hù)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)架構(gòu)

繼電保護(hù)實(shí)時(shí)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能組成如圖2所示。評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括4 個(gè)主要的功能模塊，分別為二次狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、故障分析模塊、電網(wǎng)拓?fù)鋱D生成模塊以及可靠性評(píng)價(jià)模塊。

圖2 在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能

（1）二次狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)2 大功能：一是定期與定值整定系統(tǒng)交互，獲取保護(hù)設(shè)備定值的原始整定信息；二是與二次狀態(tài)監(jiān)測(cè)子站通信，讀取保護(hù)裝置的遙信、遙測(cè)、錄波以及保護(hù)事件等數(shù)據(jù)。

（2）電網(wǎng)拓?fù)鋱D生成模塊。拓?fù)鋱D生成模塊主要從電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)獲取當(dāng)前電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖文件，生成供故障分析模塊使用的數(shù)據(jù)。

（3）故障分析模塊。故障分析模塊可以和錄波器主站進(jìn)行通信，讀取錄波文件和錄波配置文件等，同時(shí)結(jié)合二次狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊中繼電保護(hù)裝置的錄波數(shù)據(jù)和電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析故障信息。

（4）可靠性評(píng)價(jià)模塊。可靠性評(píng)價(jià)模塊可以綜合評(píng)價(jià)二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障分析模塊的保護(hù)數(shù)據(jù)，得出實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果。它可以通過Web、短信以及微信等，將狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果推送給運(yùn)維人員。

2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視

智能變電站中的繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置能夠采集交流和開入量的數(shù)字信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息交互的數(shù)字化。這些數(shù)字信息的定義都包含在規(guī)范控制文件（Specification Control Document，SCD）中[6]。智能變電站中，二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的二次設(shè)備信息包括變電站設(shè)備運(yùn)行工況的全景信息、單一設(shè)備運(yùn)行工況信息以及二次設(shè)備的物理回路信息等。智能變電站的過程層配置了狀態(tài)采集設(shè)備，在運(yùn)行過程中支持對(duì)合并單元（Merging Unit，MU）和面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與診斷。通過MU 和GOOSE 數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和分析，實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)評(píng)價(jià)。

2.1 采樣數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

MU 采集電流互感器的電流信號(hào)和電壓互感器的電壓信號(hào)，將電流與電壓信號(hào)同步組合后，以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送給保護(hù)裝置、測(cè)控裝置以及電度表等智能裝置。因此，MU的質(zhì)量直接影響繼電保護(hù)的可靠性。一旦MU 出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致多套保護(hù)裝置出現(xiàn)不正確動(dòng)作。

2.1.1 對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的監(jiān)測(cè)

MU 報(bào)文以《Communication Networks and Systems in Substations-Part 9-2：Specific Communication Service Mapping（SCSM）-Sampled values over ISO/IEC 8802-3》（IEC61850-9-2-2004）協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行傳輸。報(bào)文中含有數(shù)據(jù)的品質(zhì)因數(shù)，長度為4 Bytes，包含16 bit 品質(zhì)位，如Validity（有效性）、Overflow（溢出）、Failure（故障）以及BadReference（基準(zhǔn)值出錯(cuò)）等。通過檢測(cè)MU 報(bào)文，能夠?qū)崟r(shí)了解MU 設(shè)備的狀態(tài)。通過分析一個(gè)區(qū)域內(nèi)相同MU 設(shè)備的數(shù)據(jù)狀態(tài)，可診斷MU 的狀態(tài)。

2.1.2 同源數(shù)據(jù)比對(duì)

通過對(duì)同一電氣量采集值的比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣量采集正確性的監(jiān)測(cè)。同源數(shù)據(jù)比對(duì)的方法多樣。對(duì)于220 kV 系統(tǒng)，繼電保護(hù)雙重化配置。比對(duì)方式包括2 種：一是比對(duì)雙重化配置的2 套保護(hù)同一電氣量的采樣值；二是比對(duì)間隔保護(hù)（線路或變壓器間隔）與母差保護(hù)的采樣值。對(duì)于110 kV 系統(tǒng)，單母線接線，可比對(duì)線路與母線保護(hù)采集數(shù)據(jù)的差異。

2.2 開入開出數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

智能站開入開出數(shù)據(jù)采用GOOSE 傳輸。GOOSE通信服務(wù)映射使用一種特殊的重傳方案提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。重傳序列中的每個(gè)報(bào)文都帶有允許生存時(shí)間參數(shù)，用于通知接收方等待下一次重傳的最長時(shí)間。若在該時(shí)間間隔內(nèi)沒有收到新報(bào)文，則接收方認(rèn)為關(guān)聯(lián)丟失。

繼電保護(hù)采集的開入量包括壓板信號(hào)、斷路器位置信號(hào)以及在運(yùn)行過程中的一些聯(lián)閉鎖信號(hào)。對(duì)于不同的開入信號(hào)，需要做不同的處理來實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)評(píng)價(jià)。

2.2.1 壓板信號(hào)

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，保護(hù)裝置的壓板信號(hào)一般不發(fā)生變化。壓板信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，保護(hù)裝置的壓板狀態(tài)改變，并觸發(fā)對(duì)應(yīng)的GOOSE 報(bào)文。二次狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集壓板變位信息，當(dāng)壓板異常退出時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊報(bào)異常告警。壓板投入或退出時(shí)，只需人工核對(duì)裝置是否正確采集壓板狀態(tài)信息。

2.2.2 斷路器位置信號(hào)

斷路器位置信號(hào)十分重要，一些保護(hù)和重合閘功能均需使用斷路器位置信號(hào)。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，斷路器位置信號(hào)不發(fā)生改變。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)動(dòng)作且開關(guān)跳閘。斷路器位置變化過程應(yīng)該與繼電保護(hù)的動(dòng)作過程一致。當(dāng)一次開關(guān)因檢修而開斷或閉合時(shí)，斷路器位置信號(hào)應(yīng)能正確反映開關(guān)的動(dòng)作過程。通過這些過程來診斷動(dòng)作回路的正確性。

2.2.3 聯(lián)閉鎖信號(hào)

聯(lián)閉鎖信號(hào)包括啟動(dòng)失靈和重合閘等。保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)聯(lián)閉鎖信號(hào)時(shí)，工作人員需要校核聯(lián)閉鎖信號(hào)的正確性。聯(lián)閉鎖信號(hào)在運(yùn)行過程中由SCD 管控，并且由過程層循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（Cyclical Redundancy Check，CRC）進(jìn)行校核，從而保證配置文件不發(fā)生改變。即使在一個(gè)時(shí)間段未產(chǎn)生聯(lián)閉鎖信號(hào)，也能確保聯(lián)閉鎖信號(hào)的正確性。

2.3 其他監(jiān)測(cè)信息

繼電保護(hù)裝置能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡視、定值管理、監(jiān)視預(yù)警、故障定位、保護(hù)動(dòng)作分析、SCD 配置在線管控以及防誤操作等，從而更好地監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。其中：自動(dòng)巡視功能是指監(jiān)測(cè)一定時(shí)間間隔內(nèi)的全站通信記錄、告警記錄、變位記錄、動(dòng)作記錄、狀態(tài)信息（溫度、電源電壓和光功率）、保護(hù)投退、主變以及母線差流等信息，并將這些運(yùn)行信息存貯在數(shù)據(jù)庫，供工作人員查詢、統(tǒng)計(jì)與分析；定值管理功能是指記錄保護(hù)設(shè)備全生命周期內(nèi)的定值和定值的變化過程；SCD 配置管控可確保繼電保護(hù)設(shè)備的過程層配置與SCD文件一致，并在出現(xiàn)誤改時(shí)發(fā)出告警信號(hào)；狀態(tài)信息監(jiān)視預(yù)警功能是指監(jiān)視裝置器件參數(shù)的變化過程，包括電源電壓、光功率以及裝置溫度等。

3 錄波數(shù)據(jù)分析

電力系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，繼電保護(hù)裝置都會(huì)產(chǎn)生錄波數(shù)據(jù)。錄波數(shù)據(jù)根據(jù)保護(hù)是否動(dòng)作又可分為事故錄波和擾動(dòng)錄波。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置在一定的區(qū)域范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生錄波。某故障分析的錄波數(shù)據(jù)范圍如圖3 所示，其中故障發(fā)生在丹庫2889 線上。

圖3 某故障分析的錄波數(shù)據(jù)范圍

3.1 模擬量分析

通過分析模擬量，計(jì)算與判斷錄波文件中的模擬量信號(hào)，主要包括故障前和故障后一段時(shí)間內(nèi)的電氣量相量，并將計(jì)算結(jié)果作為后續(xù)判斷的重點(diǎn)依據(jù)，同時(shí)比對(duì)不同保護(hù)裝置采集的數(shù)據(jù)，提高采樣的正確性。故障前的模擬量是波形第一個(gè)周波的數(shù)值，故障后的模擬量是繼電保護(hù)裝置啟動(dòng)后30 ms、40 ms、50 ms 后模擬量的值，其中相電壓取最小值，相電流、零序電壓以及零序電流取最大值。

計(jì)算的相量用于異常檢測(cè)。為防止誤報(bào)信息，在特定的情況下不進(jìn)行模擬量判別。當(dāng)2 套保護(hù)同一個(gè)通道的最大值都沒有超過0.05 A 或者0.05 V 時(shí)，不進(jìn)行通道對(duì)比；當(dāng)2 套保護(hù)同一個(gè)通道至少有一個(gè)超過門檻值且相對(duì)誤差超過10%時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)。

3.2 定值靈敏度分析

首先，根據(jù)錄波數(shù)據(jù)得到電壓信號(hào)和電流信號(hào)的測(cè)量值，計(jì)算保護(hù)元件的測(cè)量值；其次，對(duì)比測(cè)量值和定值，分析當(dāng)前保護(hù)內(nèi)部各元件的動(dòng)作情況；最后，判斷是否存在動(dòng)作行為不正確的異常情況。

定值靈敏度分析集成了保護(hù)的選相和測(cè)量算法。根據(jù)保護(hù)的動(dòng)作行為進(jìn)行判斷，判據(jù)包括3 點(diǎn)：（1）相鄰線的距離Ⅲ段是否可以滿足動(dòng)作條件和靈敏度要求；（2）相鄰線的零序后備段是否可以滿足動(dòng)作條件和靈敏度要求；（3）中間文件的距離或者零序動(dòng)作是否正確，是否出現(xiàn)Ⅱ段或Ⅲ段保護(hù)在Ⅰ段保護(hù)之前動(dòng)作的情況。

3.3 開關(guān)量分析

通過分析開關(guān)量，檢測(cè)錄波文件開關(guān)量信號(hào)是否存在異常變位。一方面，檢測(cè)開關(guān)量位置信號(hào)是否頻繁抖動(dòng)；另一方面，檢測(cè)開關(guān)量狀態(tài)和設(shè)定值是否不一致，主要用于判斷壓板是否出現(xiàn)異常。

3.4 采樣回路分析

通過分析故障前的三相電壓和三相電流的相序，檢測(cè)是否發(fā)生相序接錯(cuò)的問題。比較三相電壓或電流的有效值，觀察是否存在差異過大的情況，從而判斷是否出現(xiàn)失相等問題。

3.5 定值一致性分析

以整定系統(tǒng)的定值為基準(zhǔn)，比較整定系統(tǒng)定值和錄波文件中的定值的一致性。若不一致，則發(fā)出告警信息。

定值比較遵循以下幾個(gè)基本原則。

（1）要求兩者名字完全一致才能進(jìn)行比較。

（2）通過配置文件，可以設(shè)置允許的誤差范圍，且設(shè)置后可以允許有一定的偏差。例如，線路全長正序阻抗的定值單一般有小數(shù)部分，設(shè)置誤差范圍后允許四舍五入。

（3）定值選擇問題。定值單中有一次值和二次值，需要選擇具體的數(shù)值與錄波數(shù)據(jù)的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)。

（4）定值類型問題。定值單中的定值有整型和浮點(diǎn)型2 種，其中錄波文件中的定值均為浮點(diǎn)型。比較過程中，需要將2 個(gè)數(shù)值轉(zhuǎn)為同種類型再進(jìn)行檢測(cè)。

（5）定值單位問題。定值單中的定值和錄波文件中的定值可能存在單位不一致的問題，需要確保在同種單位下進(jìn)行定值檢測(cè)。

（6）定值有效位數(shù)問題。由于定值單中的浮點(diǎn)型有效位數(shù)和錄波文件中的定值有效位數(shù)可能不同，有時(shí)單純的四舍五入可能會(huì)在檢測(cè)中報(bào)錯(cuò)，需要以最大有效位數(shù)為準(zhǔn)。

4 繼電保護(hù)可靠性評(píng)價(jià)

繼電保護(hù)設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)包括運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)和錄波數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)?；跔顟B(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)內(nèi)容包括電氣量采集、開入量采集、動(dòng)作回路以及通信回路。評(píng)價(jià)的依據(jù)是設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)記錄繼電保護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)，并將生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，供查詢和分析使用?；阡洸〝?shù)據(jù)的評(píng)價(jià)內(nèi)容包括定值、保護(hù)靈敏度以及采樣回路等。

繼電保護(hù)設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)的結(jié)果包括保護(hù)裝置的型號(hào)、軟件版本、報(bào)告形成日期、開入開出量評(píng)價(jià)結(jié)果、電氣量采樣評(píng)價(jià)結(jié)果以及錄波數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果等。

5 結(jié) 論

文章提出了一種繼電保護(hù)實(shí)時(shí)在線評(píng)估技術(shù)，評(píng)估繼電保護(hù)的健康狀態(tài)。通過監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)繼電保護(hù)的狀態(tài)信息，評(píng)估設(shè)備的開入開出等回路的正確性。通過分析電力系統(tǒng)故障狀態(tài)時(shí)的錄波數(shù)據(jù)，評(píng)估繼電保護(hù)設(shè)備軟件功能邏輯的正確性，結(jié)合分析結(jié)果形成對(duì)繼電保護(hù)的可靠性評(píng)價(jià)。