智能变电站继电保护在线运维系统关键技术的研究及实现

杨晓曦

摘 要：随着智能变电站的不断应用，进而对变电站当中的继电保护设备运维要求也逐渐提升。传统定期检修运维模式不能对当前供电较强的可靠性要求进行满足。在线的运维系统能够更好的完成状态检修以及检测，其实提升变电站运维水平的重点。在这种背景之下，本文分析了在智能变电站技术环境下怎样建立机电保护在线运维系统，同时对和继电保护密切有关的保护设备状态进行监测以及二次回路状态检测等关键的深入的研究。

关键词：智能变电站;状态检修;二次回路;继电保护

对于确保电力系统安全性和可靠性方面，变电站继电保护设备起到了重要效果。在智能变电站技术环境当中，机电保护设备广泛应用了网络化、智能化以及数字化等有关技术，让传统人工定期检修运维方式更繁琐。状态检修已经变成变电站检修未来发展的方向^[1]。通过智能设备和运维系统自己状态采集和评估水平，给继电保护的运维人员带来一定的参考，更好的实现设备运行的工作状况来检修，准确对故障进行定位，减小停电的检修时间，最终大大提升供电的可靠性。

1 继电保护及相关设备的状态监测

传统变电站的继电保护设备运行时主要上送3类信息：装置告警信息、保护动作信息及保护状态信息^[2]。其中装置告警信息可以初步反映继电保护设备本身的一些运行工况，包括设备工作环境自检、设备硬件运行工况、设备软件运行工况、通信状况（包括设备内部通信状况和设备间的通信状况）、外部回路自检等。但是传统的装置告警信息只能反映设备“正常”或“异常”的状态量信息，无法辨识设备状态的变化过程并起到预警作用。所以要求继电保护设备能够支持连续监测关键的模拟量信息，并能通过通信方式向监测系统输出这些模拟量^[3]。监测系统通过长期记录这些模拟量，可发现设备状态的变化规律，并结合设备损坏时的状态特征，实现基于这些状态信息的状态监测与检修。目前，在国家电网颁布的《IEC61850工程继电保护应用模型》企业标准中已明确定义了3个用于监测继电保护设备状态的模拟量，包括温度监测、通道光强监测和电源电压监测，并按照IEC61850规范对这些设备状态信息进行了建模。下面以通道光强监测为例，介绍实现在线状态监测的方法。

运维系统通过与继电保护设备进行IEC61850通信，可以在线采集到装置通道光强的数值LigIntes，在线监测到装置通道光强越限的告警信号Alm和预警信号Wrn、在线设置装置通道光强的告警定值LigAlmSpt和预警定值LigWrnSpt。通过以上通道光强监测的IEC61850模型，运维系统可以建立起通道光强的状态监测模型。

2 继电保护二次回路的状态监测

智能变电站的继电保护二次回路采用光纤组网代替了传统变电站的电缆连接，采用数字信号传输代替了传统变电站的模拟信号传输。继电保护二次回路采用光纤组网进行数字信号传输的优势在于，可以通过数字信号的交互来对通信链路的状态及通信内容的正确性进行监测和校验。这使得对继电保护二次回路的状态监测成为可能，改变了以往传统变电站必须对电缆通信进行定检的运维方式。继电保护二次回路的状态监测包括物理链路状态监测和逻辑链路状态监测。

2.1 物理链路状态建模

物理链路状态监测实现对智能变电站通信网络（最重要的是过程层网络，也包括站控层及间隔层网络）各个通信环节状态的监测和评估。要实现物理链路状态监测，首先要能清晰地描述物理链路状态的模型。物理链路上涉及很多设备对象，如保护装置、合并单元、智能终端、交换机等，设备对象之间的通信又经过很多中间环节，如板卡、端口、线缆等。针对这些通信对象，第2版IEC61850规范中给出了统一的建模方法。

为了便于对物理链路运行状态进行监视，第2版IEC61850规范中还引入了一个新的逻辑节点：物理通信通道监视（LCCH），该逻辑节点较为完整地描述和反映了物理链路的状态模型，运维系統可以通过逻辑节点属性LCCH.ChLiv.stVal采集物理通道的通断状态。逻辑节点LCCH可以用来描述保护装置、合并单元、智能终端等智能装置的物理链路状态模型，但对于像交换机这样的通信设备，该模型还不够完善，如交换机多端口的统计信息无法用该模型来描述。

综上所述，运维系统利用PhysConn元素可以静态获得物理链路上各个通信对象物理端口的配置信息及物理端口之间的连接关系;利用LCCH、LPST这2个新引入的逻辑节点可以动态获得智能装置及交换机物理链路的通信状态，基本可以满足对物理链路状态的建模需求。

2.2 物理链路状态监测

运维系统通过智能装置或交换机主动上送的告警信号，能够快速捕捉到物理链路状态的异常信息。但是对于网络通信而言，大多数情况下发生通信告警的设备往往并不是真正发生通信故障的设备，所以常常需要在整个物理链路上搜索和定位故障设备。传统的做法就是人工排查物理链路，逐步定位到故障设备。对于智能变电站庞大复杂的通信网络，这种人工排查的方法费时费力，大幅延长了故障恢复时间。更为关键的问题是依靠这种人工排查的方法不一定能够消除通信故障，有时网线连接完好，网卡指示灯正常，但是仍有可能收不到报文，报网络通信异常。此时运维系统可以利用故障诊断功能来自动识别和定位通信网络中可能存在的故障设备。如前所述，通过PhysConn元素的Cable属性，运维系统可以快速地构建整个通信网络的拓扑连接关系。同时，通过IEC61850通信，运维系统可以搜集到所有智能装置及交换机主动上送的物理链路通信异常信号。基于静态配置的拓扑连接关系和动态获取的通信异常信号，辅助一定的分析算法，运维系统就可以诊断并定位到通信网络中的故障设备，并给出相关的检修建议。

2.3 逻辑链路状态监测

逻辑链路状态监测实现对智能变电站过程层网络报文的在线解析和监测，其目的是有效保证过程层网络通信内容的正确性和有效性。正确性是检验通信报文格式及内容是否正确，检验内容包括报文格式是否符合规范，报文中一些计数器的状态是否正确、报文是否重复等。有效性是检验通信内容的工程配置与预期配置是否一致，如果不一致，实际运行时可能会带来诸多问题，如信号丢失、采样错误、出错告警等，严重的可能会影响继电保护设备的正常运行。目前，智能变电站存在大量的GOOSE和SV工程配置工作，配置出错在所难免，一旦出错，依靠人工检查很难及时发现;即使发现出错，也很难快速定位到错误，传统的做法只能通过人工抓取网络报文，与工程配置进行人工比对来定位到错误，排查的效率非常低;另外，GOOSE和SV的配置经常会改变，这种事后查错的机制也无法满足高可靠性的要求。

3 结语

继电保护在线运维系统实现了对智能变电站继电保护设备及二次回路状态的状态监测和预警，为继电保护设备的状态监测与检修奠定了基础。本文介绍了运维系统的主要功能，讨论了相关建模、通信及架构等关键技术的实现，并给出了工程应用案例，对运维系统的进一步推广应用具有借鉴意义。

参考文献

[1]刘明慧，胡绍谦，王文龙，等.智能变电站交换机IEC61850信息建模[J].电气技术，2012（1）：30-35.

[2]黄华勇，游步新，全智，等.通信在线监视分析系统在智能变电站中的应用[J].电力自动化设备，2011，31（4）：124-127.

[3]葛遗莉，葛慧，鲁大勇.数字化变电站设计、运行中面临的问题[J].电力自动化设备，2010，30（12）：113-117.