智能变电站二次设备的新型在线监测系统的研究探讨

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(国网温州供电公司，浙江 温州 325000)

1 引言

随着智能电网建设的推进，国网公司明确提出对二次设备在线监测新的技术要求。二次设备在线监测系统监视保护装置、测控装置、故障录波装置、站域保护装置、监控主机、数据通信网关机、数据服务器等设备的运行状态，采集装置的状态监测数据，实现二次设备运行状态信息的综合展示和告警。

智能站监控系统的智能化程度不断提高，对受控装置本身关键信息的监视能力越来越强，为智能变电站二次设备在线监测及状态检修提供了良好的基础，但是目前普遍存在监测过程不直观、监测信息不全面、监测范围比较小，一些重要的设备如各类交换机没有纳入到监测范围等问题，且无法真正实现二次系统的可视化状态检修[1-2]。

本文主要阐述一种新型的智能变电站监控系统对包括信息源采集设备、数据网络、继电保护、测控装置等智能设备进行数据积累和分析，为智能变电站的安全运行提供参考依据。

2 监测的内容

二次设备在线监视对象包括合并单元、智能终端、保护装置、测控装置、安稳控制装置、监控主机、综合应用服务器、数据服务器、故障录波器、网络交换机、辅助设备等，通过多种通信方式、多种通信协议接入不同厂家的保护装置，而检测量包括接入装置的模拟量、开关量、定值信息、事件信息、故障数据、设备自检信息、运行状态信息、告警信息、对时状态信息，不仅如此新型的监测系统应支持SNMP协议，实现对交换机网络通信状态、网络实时流量、网络实时负荷、网络连接状态等信息的实时采集和统计。因此总的来说，二次系统在线监测的监测内容应包括信息回路的在线监测与设备在线监测两类。

3 监测的分级报警功能

随着二次IED装置的智能化程度不断提高，对装置本身关键信息的监视能力也越来越强。有别于传统的变电站监测系统，新型的监测系统能综合展示全站的二次设备当前运行状态、网络状态、诊断结果、报警信息等，而且实现分类分级报警，如图1所示，系统将全站信息进行合理归类，主要监测参量可分为以下两类：

(1)物理回路在线监测。根据模型文件和配置信息生成系统二次通信的物理链路模型与虚拟链路模型。其中物理链路由发送端口、交换机和接收端口组成，虚拟链路模型通过组播地址进行关联，分析每个组播组的装置、每个装置接受的组播组等信息。系统根据交换机上送的端口信息与装置上送的配置信息进行校验，若匹配，则生成系统的物理链路模型；若存在差异，则立即报警。根据上述关联信息，就可以通过IED 设备的断链信息实现光纤链路或交换机设备故障点的快速定位。

(2)逻辑回路在线监测。二次设备逻辑回路主要指信息之间的关联，即发送和接收[3-4]。通过比对过程层通信配置与SCD 文件的差异，能够分析通信链路配置状态；通过在线校对GOOSE和SV配置，能够判断发送和接收的配置是否匹配；通过验证发送配置和SCD 集成配置的一致性，可以在逻辑上验证过程层装置的发送配置、接收配置与SCD 集成配置的一致性。

设备状态是反映重要监测数据超出报警上下限区间的信息。有异常变化但仍能正常运行，需要按计划检查设备的运行情况。告警信息反映设备运行异常情况的报警信号，已经影响设备正常运行，是需要尽快处理的信息。如：互感器品质异常、SV数据丢帧等。

图1 可视化监控

4 光纤回路在线监测

4.1 光纤回路在线监测基本原理

实现物理链路通信在线监测，需要首先明确智能变电站过程层设备的物理链路拓扑信息。无论采用组网通信方式，还是点对点通信方式，智能变电站继电保护系统的过程层通信方式都可以等效如图2所示。

图2 光纤通信链路等效图

光纤通信的链路包括以下环节(其中发送方和接收方对应物理设备，可以是保护装置、合并单元、智能终端、智能合并单元或交换机)。

(1)发送方光纤接口；

(2)点对点光纤；

(3)接收方光纤接口。

对于过程层的设备，从设备损坏可能导致光纤网口通信异常的层次来说，包括以下三个层次：

(1)整个装置：当装置电源出现异常时，将导致装置所有的光纤网络口通信出现异常；

(2)接口插件：当装置光纤接口插件出现异常时，将导致插件所有的光纤网络口通信出现异常；

(3)光纤接口：当装置单个光纤接口出现异常时，将导致该光纤接口通信出现异常。

从光纤通信监视的原理来看，光纤通信的监视功能是在接收方完成的，在光纤链路异常时，接收方将无法正常的接收数据，从而判断光纤链路发生了异常，但是接收方实际上没法直接判断是链路的哪个参与环节出现了问题，即无法定位到发送方光纤接口、通信链路或者是接收方光纤接口发送了异常，同时需要注意，为了方便的实现光纤链路状态监视，接收设备发出的链路异常报警需要有明确的物理概念。

实际应用过程中，过程层设备的光纤通信异常可能是由插件异常，或者是装置异常引起，这样在设备异常过程中，在整个变电站来看，将有很多设备产生对应的链路异常信号，二次回路在线监测的一个主要工作就是通过这些链路异常信号，进行链路异常的准确定位。

为了实现这个功能，需要定义两个结构体来存储光纤链路物理端口通信，光纤端口结构：

Struct

{

devce; //装置编号

slot; //插件编号或模块编号(交换机)

fiber; //光纤编号

} PORT

在《IEC 61850工程继电保护应用模型》中，对IED物理端口描述进行了规范，因此很容易从设备模型中获取端口相关信息。

光纤链路异常结构：

Struct

{

PORT source; //数据发送端口

PROT route1-N; //交换机交换端口

PORT destination; //数据接收端口

}

在线监测系统后台装置构造以上结构体信息，并实时接收到过程层设备的光纤链路异常信息，分析所有链路异常信息的发送端口和接收端口是否相同，并可作依据以下规则进行过程层链路异常定位：

当所有的光纤链路异常对应的发送端口(包括前向追溯的交换机交换端口)相同，则表明该数据发送端口或其对应的点对点光纤或接收端口出现了异常。

星型系统通信拓扑结构如图3所示，数据接收方1…N都发出了针对数据发送方的光纤链路出错，通过迭代方向追溯，就可以搜索出可能出错的环节是数据发送方和交换机之间的链路可能出现了异常(红色链路部分)。

图3 星型通信拓扑结构图

当所有的光纤链路异常对应的发送插件(包括前向追溯的交换机模块)相同，则表明该数据发送插件出现了异常；而当所有的光纤链路异常对应的发送装置(包括前向追溯的交换机)相同，则表明该数据发送设备出现了异常。

4.2 网络状态展示

通过界面直接查看网络回路的状况。如GOOSE通道、SV通道、品质信息的实时状态数据，并将有异常状态的回路醒目展示，使运行人员能简洁快速地发现异常信息，如图4所示。另外，可通过监测画面直观地观察到物理链路的通信状况，如网络节点状态、网络拥塞、网络流量以及网络负载等信息。

图4 网络状态监视示例

4.3 光纤回路在线监测可视化展示

采用GOOSE/SV“虚端子”二维表的表达形式，将多个装置基于网络传输的GOOSE/SV信息以虚端子的形式表达，使得多种信息(间隔、装置、虚端子、逻辑传输关系)能够通过二维表的方式简单直观在后台展示，使得设计、施工、调试以及运维人员能够直接阅读智能装置联闭锁的开入、开出。可通过在后以画面上设计二维表光字牌表示光纤网络状态，见图5测控间的光纤连接图。

图5 光纤网络二维光字表

5 过程层GOOSE、SV通信状态监视

在实际工程中，会出现过程层的通信配置和SCD文件不一致的现象，出现这种情况时需要及时准确的告警以提示运行人员。装置对GOOSE和SV配置均可进行在线校对，并在发现发送配置和接收配置不匹配的时候发出告警信号。只要可以验证发送的配置和SCD集成配置一致，就可以在逻辑上验证过程层装置的发送配置、接收配置与SCD集成配置的一致性。

新型监测系统能实现监测网络信息合法性和报警、网络节点合法性和报警、网络流量和报警、网络健康度和报警、网络拓扑结构情况以及流量统计。通断统计、数据重发统计和节点统计等，并将报警信号和统计信息上传调度；在线收集站内继电保护、自动化设备、数字式电能表及其他智能设备的信息，监视各智能装置的工作状态[5-6]。

对GOOSE信息的帧结构、组播地址与源地址匹配关系、 StNum和SqNum组合方式、帧时序、频率进行监视，对异常信号、信号丢失、信号消失、信号恢复、信号连接不可靠、信号传输过程异常等异常情况进行告警和记录，并将报警信号上传调度。

对SV采样值信息的帧结构、组播地址与源地址匹配关系、序号、帧时序、频率、信号同步性进行监视，对异常信号、信号丢失、信号消失、信号恢复、信号连接不可靠等异常情况进行告警和记录，并将报警信号上传调度。

6 二次设备内部的温度在线监视

当二次设备内部的温度过高时(原因可能是内部短路或者元器件工作不正常)，容易导致二次设备元件的老化而损坏。在装置内部装设温度传感器，将温度数据发送到二次设备在线监视系统，结合二次设备异常损坏情况下的温度统计数据，形成决策系统，实现装置内部温度异常的提前预警，如图6所示。

图6 装置二次信息监测图

7 光纤接口光强在线监视

智能变电站二次设备的过程层信息交互都完全依赖于光纤接口进行数据通信，当这些光纤接口长期工作之后，其发送光强会逐步下降，最终导致通信无法正常进行而出错，如果二次设备具备有这些光纤接口的光强监视功能，将光强数据发送到二次设备在线监视系统进行综合汇总，并结合光纤接口通信出错情况下的光强参数进行以前预警，变故障检修为状态检修。

8 电源模块在线监视

电源模块的输出本身是一个可监视的模拟量信号，二次设备可以对这个模拟量信号进行持续的监视，并在设定相应的阈值，在电源电平超过合理范围的情况下，告警或者闭锁保护装置，同时，也可以将电源电平信息通过二次设备在线监视系统，通过同一类型装置的电源插件损坏情况下的电源电平特征进行综合汇总，形成决策系统，实现电源插件损坏前的提前预警，实现二次设备模块的在线监测。

9 总结

综上所述，本文在阐述在智能变电站在线监测的概念和必要性的基础上，梳理二次系统在线监测的范围和参量，提出新型监测系统的主要功能和实现方法。并着重叙述新型系统在分级告警、光纤回路告警、GOOSE和SV告警、温度和光强告警等方面的具体理论和作用。该系统的研制对保证电力系统的安全经济运行，在防止事故发生和扩大起到关键性的作用。

[1] 谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍[J].电网技术,2001,25(9):8-11.

[2] 周俊礼.电网监控系统信道在线检测技术研究[J].电网技术,2007,30(2):327-329.

[3] 申屠刚.智能化变电站架构及标准化信息平台研究[D].浙江:浙江大学,2010.

[4] 张之哲,李兴源,程时杰.智能电网统一信息系统的框架、功能和实现[J].中国电机工程学报,2010,30(34):1-6.

[5] 鲁东海,孙纯军,王晓虎.智能变电站中在线监测系统设计[J].电力自动化设备,2011,31(1):134-137.

[6] 王运璋.变电站综合自动化现场技术与运行维护[M].北京:中国电力出版社,2005.