智能变电站二次系统在线监测和故障分析技术的探索

朱胜辉，夏晗，周富强，詹昕

（1.国网嘉兴供电公司，浙江嘉兴 314000；2.国网扬州供电公司，江苏扬州 225000）

智能变电站二次系统在线监测和故障分析技术的探索

朱胜辉1，夏晗1，周富强1，詹昕2

（1.国网嘉兴供电公司，浙江嘉兴 314000；2.国网扬州供电公司，江苏扬州 225000）

智能变电站近些年大量投运，如何充分利用变电站数字化、标准化的特点，实现对二次系统运行状况的掌控，真正发挥智能变电站的优势，成为了一个重要的课题。本文围绕智能站二次系统，积极探索智能变电站二次系统的在线监测和故障分析技术，从而提高智能变电站二次设备的健康水平和处理效率，确保保护能及时正确动作，保障电网安全稳定运行。

智能变电站；二次系统；在线监测；故障分析

本文引用格式：朱胜辉，夏晗，周富强，等.智能变电站二次系统在线监测和故障分析技术的探索［J］. 新型工业化，2016，6（5）：62-68.

0 引言

智能变电站近些年大量投运，在电网中所占比例越来越重，是电网未来发展的主要方向。智能变电站中引入了大量通信技术和网络技术［1］，增加了变电站（尤其是保护系统）运维的不可控性，如何充分利用变电站数字化、标准化的特点，将劣势转变为优势，实现对二次系统运行状况的掌控，真正发挥智能变电站的优势，成为了一个重要的课题。

如果说微机保护使保护装置成为“黑匣子”的话，智能变电站由于二次系统围绕SCD展开，使整个二次系统成为了“黑匣子”。因此，基于二次系统的运行状态监测和分析技术手段，构成了电网安全运行的重要支撑。本文围绕智能站二次系统，积极探索智能变电站二次系统的在线监测和故障分析技术。

1 基于自动数据匹配的二次虚回路异常定位方法

为了解决工作人员不能清楚了解二次虚回路连接情况的问题，本文提出一种二次虚回路可视化的方法。该方法基于全站配置模型SCD文件，在线监测系统直接接入GOOSE信息流，根据SCD文件中的各装置订阅发布关系、软压板信息，生成虚回路链接状态图，并根据GOOSE通讯状态信息动态展示虚回路的链接状态及装置的检修状态［2］；保护装置动作情况下，系统整理、分析GOOSE回路出口信息，并将分析后的GOOSE回路出口信息显示在故障可视化图中，方便工作人员迅速、准确地掌控保护系统的运行和动作状况。系统框图1：

图1　二次虚回路信息处理系统框图Fig.1 Diagram of secondary virtual circuit information processing system block

主要方法如下：

（1）系统配置工具从全站配置SCD文件中获取要导出IED订阅发布的其他IED信息，获取两设备间虚端子、订阅发布信息，获取虚回路与软压板的逻辑关系，根据这些信息绘制图元、连线，形成装置虚端子连接关系图，格式为SVG格式；

（2）在线监测系统根据步骤（1）中生成的SVG图中GOOSE订阅关系、虚端子信息、软压板信息，形成系统可以识别打开的GOOSE链接状态图；

（3）在线监测系统配置器解析SCD文件中GOOSE控制块通讯状态信息及二次虚回路输出信息，并将这些信息形成模型库表导入到数据库；

（4）在线监测系统通信程序接收过程层的GOOSE报文，解析GOOSE报文并将报文中的信息按照模型库中格式写入相应的数据库中；

（5）步骤（2）中的在线监测系统图形根据SVG图中提供的虚端子信息从步骤（3）生成的模型库表中找到相应的GOOSE控制块通讯状态信息点，然后将其关联上，根据步骤（4）的报文数据实时刷新GOOSE控制块通讯状态信息，实现二次虚回路通讯状态可视化，具体如图2所示：

（6）保护动作后，从历史库数据中查出保护动作开始到结束时间这段的二次虚回路输出信息，将这些信息经过分析、过滤、整理后显示在保护动作报告中，并按照一定的格式存入历史库中，可视化程序读取历史库中整理后的二次虚回路信息，并将这些信息显示在图形中。

图2　GOOSE信息解析处理流程图Fig.2 Information parsing process flow chart

2 基于SVG自动信息投递的虚回路动作可视化方法

基于SVG实现智能站保护动作可视化的方法，涉及电网设备监测与检修技术领域，在电网发生故障的时候，通过快速生成SVG格式的文件，在图形界面上直观的显示出保护动作回路的详细信息，以达到快速诊断电网故障的目的［3］。

主要方法如下：

（1）电气设备发生故障时，保护装置发出GOOSE信号，智能终端接收到GOOSE信号后，转发GOOSE命令到一次设备，一次设备相应的动作切断故障；故障分析模块所需要的数据包括实时数据和历史数据；其中，实时数据是指二次设备的自检、告警、动作及通信状态灯信息；历史数据是指存储过的实时监测数据；

（2）对步骤（1）中的每个子类数据，采用故障分析模块对故障运行状态进行诊断；

（3）根据步骤（2）中的故障分析模块的分析结果生成故障状态下的二次回路SVG格式文件；

（4）根据步骤（3）中的SVG格式文件和步骤（2）中的基于某一子类数据得到的诊断结果利用预先配置在故障分析模块中的计算分析方法对电网故障进行综合分析；

3 故障可视化方法

根据第2章步骤（2）中，所述故障分析模块利用设备排序算法，依次计算各个图元的位置，状态。具体过程如下：首先对发生动作的二次设备进行分类排序，然后按顺序计算各个图元的位置，根据设备的动作列表，形成故障可视化文件。

图3　可视化系统框图Fig.3 Visualization system block diagram

4 基于二维信息自动定位的全方位过程层设备状态监测实现方法

智能变电站合并单元和智能终端属过程层设备，通常安装在户外智能控制柜中，存在如下情况［4-6］：

a） 和变电站主控室和保护小室相比，户外智能控制柜中的运行环境比较恶劣，有必要让运行人员实时掌握合并单元和智能终端的运行工况，因此需要开发装置的在线监测功能；

b） 由于户外运行环境的限制，合并单元和智能终端不宜配置液晶显示界面，运行人员不能直观地查看监测信息，因此需要通过网络的方式上送装置所监测的运行工况信息。

图4　保护动作可视化模块图Fig.4 Visualization module chart of protection

图5　保护动作可视化分析流程图Fig.5 Flow diagram Visual analysis of protection operation

图6　保护动作可视化自动计算流程图Fig.6 Visualization of protection operation automatic calculation flow chart

c） 智能终端运行信息通常通过IEC61850-8-1中定义的GOOSE通信服务上送，目前智能变电站中一般通过GOOSE通信服务传输浮点、整型和布尔型数据，为了使接收设备能够直观的显示告警信息，需要通过字符串类型传输故障板卡等告警信息。

d） 智能变电站智能终端可以通过组网和点对点直跳的方式接收间隔层多个设备的控制命令来控制断路器，为了准确了解断路器的跳合闸控制过程，需要智能终端提供跳合闸控制命令的来源。

本文采用如下方案对合并单元智能终端的运行工口进行的全方位的监测：通过IIC多路切换开关及SFP光模块实现对装置温度、内部工作电压、光以太网口运行工况的监测，采用字符串发送实现对装置软件版本和配置版本的监测，采用装置地址映射表和定长字符串的方法通过GOOSE通信发布装置内部板卡故障告警，使用控制命令信息来源和控制命令结合的方法反馈智能终端收到的命令。

1）设备温度、工作电压和光以太网信息监测实现方法

根据图7所示合并单元智能终端的主控CPU板上采用小型的可热插拔的SFP光以太网收发器，SFP收发器采用了先进的精密光学及电路集成工艺，内部配置数字监视诊断电路，对外提供标准的IIC接口，通过IIC传输光以太网口的发射及接收功率、温度。主控CPU板上还集成IIC接口的温度测量芯片和测量装置内部电压AD转换器，由于监测信息实时性要求不高［7-8］，主控CPU通过IIC多路切换开关分时采集设备温度、内部电压和光以太网口信息，采用IIC多路切换开关在满足监测功能和性能的前提下可以减少主控CPU资源开销。

图7　合并单元智能终端监测实现框图Fig.7 Merge unit diagram of the intelligent terminal monitoring implementation

光以太网口功率为合并单元智能终端运行特征，在运行过程中，需要满足一定的光功率范围，才能保证链路正常工作，因此将光功率的上下限设置门槛，初次超过门槛值或者初次进入门槛内，及时刷新GOOSE将光功率发送出去。这样，保证了在链路可靠和不可靠的情况下，均可将光功率传输出去。

内部电压为合并单元智能终端的运行特征，在装置运行过程中可能会有微小的波动，根据GOOSE时间发送机制，在GOOSE数据集的变化后必须立即按照发送时间发送，因此为了确保装置的电压上报性能和GOOSE的上送负荷量，需要给各个电压的变化值设立门槛值［9］。

装置温度为合并单元智能终端运行特征，由于设备在户外工作，随环境的温度变化大，因此设置了的门槛值，既能保证灵敏性，又能保证GOOSE负荷不会超载。

2）软件版本监测的实现方法

软件版本监测的目的在将虚端子CRC和软件版本通过GOOSE发布。首先在初始化时，从配置文件中读取模型的CRC值。在GOOSE初始化发送框架中，将此CRC值写入框架的固定位置。

由于装置软件版本在软件固化后不再会发生变化，因此只需要在初始化GOOSE框架时，将版本号写在固定位置即可。软件版本号采用IEC61850标准中定义的可见字符串，对应ASN.1的编码类型为0x8A。

此部分软件分为三块：初始化读CRC；初始化GOOSE框架写CRC；发送GOOSE。

3）故障板卡监测的实现方法

故障板卡监测的目的在故障板卡通过可视化的字符串通过GOOSE发布。

在所述合并单元智能终端中每个板块都有一个16进制的内部总线的通信地址［10］，为了能够以可视化字符串发生故障板卡，主控CPU软件中建立通信地址和能够描述板卡信息的字符串的映射表，如地址“1”对于“DI Board 1”。

在初始化时每个板卡对应的故障信息已固定长度的可见字符串填写到GOOSE框架中。对应ASN.1的编码类型为0x8A。

运行中无故障时GOOSE报文对应的位置发送“N ULL”，不足的字符以空格补齐，如果出现了板卡故障，将对应的板卡故障信息填写到GOOSE报文中发送，如开入1板故障时对应的故障信息为“DI Board 1 err”。

4）控制命令监测实现方法

智能终端具备组网口和12个直跳控制口，通过组网方式可以订阅来自12个来源的控制命令，每个直跳口可以订阅1个来源的控制命令。每个来源的控制命令可以包括如下内容：保护跳A命令、保护跳B命令、保护跳C命令、永跳命令、三跳命令、重合命令、遥跳命令、遥合命令。如果需要准确的反馈每个来源的命令信息，需要192个信息点，会增加网络流量和设备的处理负担［6］。

所述智能终端采用了控制命令来源和具体控制命令结合的方式来监测控制命令，减少了80%的同类监测信息，同时结合这两种信息可以准备监测控制命令。具体的监测信息在ICD文件中描述如下：

＜DOI desc="组网口控制命令1"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令2"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令3"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令4"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令5"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令6"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令7"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令8"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令9"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令10"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令11"/＞

＜DOI desc="组网口控制命令12"/＞

＜DOI desc="直跳（网口2）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口3）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口4）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口5）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口6）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口8）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口9）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口10）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口11）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口12）控制命令"/＞

＜DOI desc="直跳（网口13）控制命令"/＞

＜DOI desc="保护跳A命令"/＞

＜DOI desc="保护跳B命令"/＞

＜DOI desc="保护跳C命令"/＞

＜DOI desc="永跳命令"/＞

＜DOI desc="三跳命令"/＞

＜DOI desc="重合命令"/＞

＜DOI desc="遥跳命令"/＞

＜DOI desc="遥合命令"/＞

5 结论

本文对智能变电站二次系统在线监测和分析技术进行了深入研究和探索，其功能主要体现为：

1）实现继电保护系统的在线监测

收集并分类管理保护装置上送的实时监测信息，实时状态显示，通过对通信状态和保护工作状况进行定期统计和分析，形成报告，从而对保护的健康状况进行实时监控与系统评价。

2）实现监视信息的可视化展示

对继电保护的虚端子配置、编辑进行可视化操作，并可对先后不同版本的SCD文件中虚端子情况进行自动比较和可视化显示，使继保工程师可以与传统电缆连接方式一样直观看到保护的连接情况，并能够自动进行校核。对继电保护的逻辑进行可视化展示，并在事故后结合监测告警、开关量及录波数据，回演故障及保护动作过程。

3）建立全生命周期管理体系

实现全生命周期的SCD文件和每个继电保护设备的ICD、CID文件的管理，支持对不同版本、不同时间断面的文件进行查询、查看、对比等操作，并能够进行CID文件正确性的在线校核，实现闭环管理。可对继电保护装置硬件及功能、参数、GOOSE开入开出等配置和软件版本的管理合配置的一致性验证。

4）实现继电保护系统的智能诊断

根据对继电保护信息采集和分析，实现包括监测预警、故障定位和安措确认等智能诊断功能。

5）实现站内告警、跳闸事件信息的主动上送

对正常运行信息和故障信息进行收集整理，并进行信息过滤和预处理，然后按照不同主站的定制需求向调度端主站转发，实现故障分析等高级应用。

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Exploration of the Whole Process Control of Relay Protection in Smart Substation Based on Spatial Dimension

ZHU Sheng-hui1， XIA Han1， ZHOU Fu-qiang1， ZHAN Xin2
（1. Jiaxing power supply company of State Grid， Zhejiang ， Jiaxing 314000， China； 2. Yangzhou power supply company of State Grid，Jiangsu 225000， China）

With the popularization and application of intelligent substation large operation and unmanned substation unattended and remote operation， how to ensure the safe and reliable operation of the relay protection， relay protection is facing the important and urgent problem. This paper is focused on the spatial dimension， and actively explore the control means of the smart substation， and construct the relay protection system， so as to improve the health level and processing efficiency of relay protection equipment， ensure the correct rate of protection action 100%， ensure the safe and stable operation of power network.

Intelligent substation；Relay protection；Spatial dimension；Control means

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.05.010

ZHU Sheng-hui， XIA Han， ZHOU Fu-qiang， et al. Exploration of the Whole Process Control of Relay Protection in Smart Substation Based on Spatial Dimension［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（5）: 62-68.

朱胜辉（1983-），男，浙江嘉兴人，工程师，从事二次继电保护相关工作；夏晗（1988-），男，浙江嘉兴人，工程师，从事二次继电保护相关工作；周富强（1981-），男，浙江嘉兴人，工程师，从事二次继电保护相关工作；詹昕（1988-），男，江苏扬州人，工程师，从事事电力系统运行方面工作