智能变电站继电保护免配置文件技术探讨

王 松，陈 早，陈 明

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江工业大学 教育科学与技术学院，杭州 310023）

0 引言

随着国家电网有限公司智能变电站的广泛建设，基于配置的继电保护运维问题日益突出。智能变电站继电保护由于采用基于GOOSE（面向通用对象的变电站事件）、SV（采样值）技术实现装置间高速通信，其信号（虚端子）关联依赖SCD（系统配置文件）和相关配置工具[1-5]。但系统配置文件是基于XML（可扩展标记语言）的复杂计算机语言，配置过程复杂，普通用户难以掌握，从而带来了很多智能变电站运维问题，例如装置消缺依赖厂家、间隔扩建修改母线保护配置需要全停传动、配置文件不受控不校核不保存等。智能变电站继电保护运维状况令人担忧。

文献[6]提出了一种基于CRC（循环冗余校验）对继电保护配置进行版本管理的方式，降低了运维人员对装置配置管控的要求，但它无法解决设备消缺信赖厂家、母线保护配置需要传动的问题。文献[7-8]提出了一种SCD 配置解耦方法，降低配置更改的影响面，但它不能杜绝SCD 变更配置的复杂性，也无法避免文献[1]面临的问题。文献[9-11]提出通过通信协议与管控主机在线自动获取设备描述等信息，实现IED（智能电子设备）即插即用，但管控主机本身对于全站各IED的配置版本及管理也需要运维，且管控主机一旦故障或出错将影响全站二次设备功能。文献[12-13]提出了应用辅助工具自动匹配虚端子信号关联，并在后台主机中实现对IED 配置信息的管理，但该方案仍然依赖配置文件和后台主机管理，无法消除母差改扩建的传动问题。文献[14]提出通过解析SCD 等配置文件，建立交换机的端口拓扑关系，自动完成交换机中静态组播表配置，提高了现场工作效率，但是无法解决配置文件管理问题。文献[15]提出由SCD 文件版本管理、变更控制和在线监视等环节构成的管控过程和安全访问控制方案，但管控依然离不开管理流程，无法从技术上确保版本正确性。文献[16-17]提出了设计配置一体化方案，减少重复配置工作，但依然无法消除图纸和配置文件运维难的问题。

继电保护运维问题的发生主要源于配置文件，因此只要保护装置需要配置文件，就无法避免该类问题的发生。如果智能变电站继电保护能够实现免配置或类似参数设置的简单手动设置即可运行，不再需要配置文件，智能变电站的继电保护配置运维问题将迎刃而解。本文研究智能变电站继电保护的主要配置工作，提出一种免配置文件方案，从而实现智能变电站继电保护功能。

1 智能变电站配置分析

目前，智能变电站系统配置环节主要体现在2 个层面：站控层通信及信号命名、过程层通信及虚端子关联。站控层通信及信号命名主要包括装置IP 地址配置，信号命名主要是一些与具体工程相关的信号，如“GOOSE 链路1 中断告警”可能需要改为“与XX 线路保护GOOSE 通信中断”，“支路3 出口压板”可能需要改为“XX 间隔出口压板”。过程层通信主要配置GOOSE 和SV 报文的MAC 地址、APPID 及VLANID 等参数，虚端子关联主要配置信号绑定，如线路保护启动失灵输出信号与母线保护相关支路启动失灵开入虚端子绑定。

站控层配置主要解决“四遥”类信息，IEC 61850 标准本来就可以实现信息自描述，监控后台等客户端对装置的通信是基于MMS（制造报文规范）的全服务模型访问方式，即可以在线获取装置信息模型及描述，因此客户端本来就可以不依赖于系统配置文件SCD 实现通信。但应该注意避免与工程相关的模糊语意，规范与具体工程相关的信号名称，避免现场修改。例如：对于“GOOSE链路1 中断告警”的信号可以通过在装置中自动生成描述的方式来规避，如装置可以自动生成“PM2201A/gocb0 通信中断”语意明确的描述，通过自描述模型“dU”在线送到客户端，实现这类信号描述的自动获取。同理，接收压板也可以由装置自动生成语言明确的描述。这样，对于保护装置站控层配置，只需要现场配置IP 地址、IEDName 并保证唯一。可以将这2 个配置项定义成装置参数，与定值一样现场设置。

过程层配置主要解决装置之间的GOOSE 和SV 通信，可以分为通信参数和虚端子关联两部分。通信参数可以按装置参数方式设置，但虚端子关联涉及信号通道定义、虚端子定义等通信报文的语义识别，是免配置文件的最大障碍，也是本文研究的重点。

2 虚端子自动识别

从上文分析可以看出，虚端子关联免配置文件必须实现装置对于虚端子的语义自动识别，这也是实现免配置文件的关键技术。站控层MMS通信之所以可以不依赖配置文件是因为基于MMS 的客户端/服务器端通信方式可以实现信号模型及描述的在线访问。标准中对GOOSE 模型定义了2 个服务GetGoReference 和GetGOOSEElementNumber（SV 标准中没有定义此类服务），分别用于按GOOSE 数据集排序获取数据集成员模型路径和按数据集成员模型路径获取数据集排序，就是用于订阅端在线获取发布端报文中的数据模型，但无法获取描述。实际工程中并没有应用这2 个服务，主要是因为如果通信中发生中断重新连接都需要重新识别，会严重影响通信GOOSE和SV 通信的可靠性和时效性，而且也无法单纯从数据模型识别同一类数据的不同实例，如无法区分母线保护跳闸出口模型中的各支路出口信号。GOOSE 和SV 采用基于组播通信的发布端/订阅端方式，因此要实现虚端子免配置文件必须先实现虚端子语义自动识别发布端报文中的数据含义定义，也就是输出端子标准化。但是标准化要解决一个问题：无法穷举所有保护装置和未来可能出现的新装置，例如站域保护。如果仅根据现有各类及各电压等级的标准化设计规范（以下简称“六统一”）做一个免配置文件工程，将来需要增加新型保护或安全自动装置时，则现有的免配置文件保护、智能终端将无法识别而需要升级程序。本文将保护及安全自动装置输出全部统一，仅需2 种接口（分相和三相），避免了因保护装置类型的不同而产生不同输出标准，大大降低了标准化的难度，增强了对未来新型保护的适应性。

2.1 虚端子语义自动识别

GOOSE 报文帧格式如图1 所示，订阅端可以直接从报文中解析出MAC 地址、APPID 和goID等用于识别报文唯一性和用途的标识符。MAC 地址属于通信参数配置，可以参照IP 地址的处理方式由现场进行设置。APPID 是应用标识符，用于识别报文用途，标准中推荐全站唯一，也可以由现场设置或与MAC 地址最后2 个字节一致，减少系统配置参数数量。goID 可以考虑统一规范，用于标识特定种类的装置输出GOOSE 报文，便于接收侧装置自动识别自动关联报文信息。当变电站中同一类装置重复应用时便允许重复。

图1 GOOSE 报文帧格式

例如，可以定义goID=“3Trip&AR”的报文为需要分相跳闸及合闸的装置的GOOSE 输出报文，其报文输出虚端子（数据集）含义及排序固化。规定装置出厂时就定义了其输出GOOSE 报文的goID，明确用于需要分相跳闸及合闸的保护装置，如220 kV 及以上的线路保护。当该装置应用于工程时，任何订阅该装置GOOSE 报文的其他装置都可以根据goID 自动识别其发布GOOSE 报文虚端子含义。

为了实现这一点，必须制定一个适用于所有类型的继电保护及安全自动装置的发布虚端子定义库，支持免配置文件的装置还要在装置内部预先保存所有可能订阅的装置型号的虚端子定义库，以实现GOOSE 虚端子语义的自动识别。虽然，国家电网有限公司已经发布了“六统一”标准，但想要将所有保护装置发布虚端子全部定义还是非常困难的。而且对于未来可能出现的保护装置，如站域保护，就无法实现自动配置，除非对运行的装置进行升级。

SV 虚端子语义的自动识别也可以按GOOSE方式实现，通过预先定义标准类型的合并单元发布虚端子实现语义自动识别。

2.2 虚端子通道自动识别

虚端子语义自动识别只识别了信号的名称及其用途。然而实际装置中往往存在多个虚端子的语义冲突，如母线保护的“支路n 跳闸”在虚端子关联时难以确定究竟是哪个支路。因此必须梳理所有保护及相关装置，避免出现这种语义冲突或混淆的情况，通过制定规则避免出现语义混淆。

为了便于检修隔离和停役操作，传统继电保护装置通常按输出接点设置压板，智能变电站沿袭了这一传统，只是在某些方面做了统一，如不再设置分相跳闸压板等，但还是按动作对象（间隔）设置压板，因此可以按动作对象拆分保护输出信号。这种情况主要是跨间隔保护装置，需跳闸多个间隔断路器和启动失灵。为避免这种情况发生，本文提出拆分数据集（即拆分报文）的方式：所有保护装置按其动作的对象拆分GOOSE 发布数据集，包含本间隔可能发送的所有信号，即针对每个需要跳闸的断路器间隔制定一个数据集。同理也需要针对每个数据集制定一个GOOSE 控制块。对于点对点直跳端口，可以只激活本间隔GOOSE 报文，不发送其他间隔GOOSE 报文。

拆分数据集可以保证单一GOOSE 报文中避免出现相同语义的数据信息。结合上一节语义定义，为保证通用性，缩小发布虚端子定义库范围，针对所有保护装置仅制定2 种GOOSE 报文发布数据集：三相跳合闸数据集和单相跳合闸数据集，具体信号命名见表1。保护输出信号定义与保护类型无关，所有保护动作产生的信号定义一致。对于某些装置没有的信号也必须输出一个空信号（不会实际动作），如合闸。

表1 保护装置输出虚端子定义

智能终端可以根据继电保护的最大需求确定输出虚端子定义，也区分三相断路器位置数据集和单相断路器位置数据集，如表2 所示。

表2 智能终端输出虚端子定义

同理，合并单元也可以按通道名称固定虚端子定义，如三相保护电流、计量电流、电压和同期电压等。对于存在多路保护电流的情况，可以新增数据集及采样值控制块。

2.3 虚端子自动订阅

通过虚端子的规范定义和按动作对象拆分数据集方式，订阅者可以采用基于通信链路参数设置的方式实现虚端子关联免配置。通信链路参数设置解决了“谁与谁通信”的问题；虚端子规范定义解决了通信链路中“信号通道含义”的问题。只要设置各装置自身的通信地址和装置之间的通信链路关联就可以实现装置之间虚端子自动关联。

以220 kV 线路双母线接线间隔为例，要实现虚端子自动订阅，只需要确定装置间的信息联系。如图2 所示，间隔内所有装置信息关联均是单向的，以编号①到④标识：对于母线保护，需要明确智能终端正副母闸刀位置①、合并单元电流采样值②、线路保护启动失灵③；对于线路保护，需要明确合并单元电压电流采样值②、智能终端开关位置压力低禁止重合闸等①、母线保护远跳④；对于智能终端，需要明确线路保护跳合闸信号③、母线保护跳闸信号④；对于合并单元，需要明确智能终端正副母闸刀位置①。此外，母线保护还要与其他间隔线路（主变）保护、智能终端关联，其输出虚端子将采用另外的数据集⑤和⑥等等，与本间隔信号无关。

图2 220 kV 线路间隔装置通信链路

GOOSE 和SV 报文都是采用组播方式单方向传输，虚端子关联都是在接收侧进行配置。为此，对于某个特定的装置，可以根据按需要接收信号的装置来设计参数设置项目。如双母接线母线保护可以按间隔智能终端和间隔保护（启动失灵）通信地址来设计链路参数设置项目，见图3。同理，所有装置均按需要接收信号的最大化装置来设计链路参数设置项目，实现装置之间的关联配置。这种方法还有一个先天的优势：所有跨间隔保护，如母线、主变保护的间隔关联装置虚端子都是标准化的，其通信参数都是现场设置的。这样自然避免了间隔扩建时需要修改母差配置文件引起的运行装置传动试验，因为母差通信链路参数设置值中与运行间隔相关的参数并没有修改过。

图3 双母接线母线保护关联装置参数设置项目

3 工程应用演示

本方案完全抛弃SCD 等配置文件（至少对用户不开放、不可见），现场也不需要文件配置工作，但装置需要标准化且增加少量设置，可以装置参数定值的方式体现。在工程中实施步骤如下：

（1）编制一张全站装置IP 地址（合并单元智能终端无），IEDname，GOOSE 和SV 报文APPID（有的装置不止一个）二维表格，并要求以上参数唯一。

（2）在所有装置中设置以上3 个参数并重启装置，确保服务器端或发布端服务按设置的参数启动。

（3）在GOOSE 和SV 订阅端装置设置需要订阅的GOOSE 和SV 报文的APPID 参数，订阅装置根据报文的goID 自动识别数据通道语义并完成关联，完成订阅关联后查看通信状态。

（4）在后台、远动、保护管理机等客户端在线获取装置模型和描述，生成数据库并保存。

（5）变电站改扩建时，仅对需要修改或增加订阅关系的运行装置（如母差）修改或增加订阅参数设置。

（6）现场传动试验。

以某220 kV 变电站工程部分保护配置为例，说明本免配置文件技术方案的可行性。图4 是某220 kV 变电站部分主接线图。本示例将完成第1套220 kVⅠ段母线保护、220 kV 1 号母联保护、220 kV XX 出线保护及相关合并单元智能终端的免配置文件过程。

图4 220 kV 工程示例

首先编制全站装置参数表，如表3 所示。

表3 全站装置参数

在以上装置中按表格设置参数后重启装置，通过报文记录仪或测试仪查看装置有关参数生效。在母线保护装置母联支路中设置母联智能终端、合并单元和间隔保护相关APPID，相关线路2 支路中设置XX 出线智能终端、合并单元和间隔保护相关APPID。在XX 出线线路保护中设置XX 出线智能终端、合并单元和其他保护相关APPID。在1 号母联保护装置中设置母联间隔智能终端、合并单元相关APPID。在智能终端装置中设置母线保护和线路（母联）保护装置APPID。各装置根据本装置定值项和报文中的APPID 自动识别报文虚端子通道语义完成支路和虚端子自动关联。重启装置后，检查所有装置的通信状态正常。

在后台等客户端中设置装置PM2210A，PE2210A，PL2211A 的IP 地址，在线手动召唤其模型和描述并核实完整后保存模型。

最后完成装置之间及装置与后台等客户端之间的传动试验，确保装置通信关联正确无误。

4 结语

按照惯性思维，总是认为智能变电站一定需要配置，因而智能变电站免配置技术很少提及，如果变电站不依赖配置文件将极大改善智能变电站开扩建难、运维难、管理难等问题。基于IEC 61850 标准，智能变电站也沿用其配置方式。然而标准并没有对装置之间的信号关联作明确的规定，虚端子只是在其基础上定义的符合传统端子习惯的中国特色方案。而客户端的访问本来就可以不依赖配置文件。因此，从技术上完全可以实现基于通信链路关联参数设置不依赖配置文件的继电保护免配置文件方案，从而完全消除SCD等配置文件管理运维难问题，监控系统可完全参照本方案，实现全站免配置文件运维。

本文通过拆分具有相同语义的数据集实现GOOSE 和SV 输出标准化定义，与具体保护装置类型无关。仅需要设置装置间的通信链路参数，而不必关联具体端子信号，既实现了装置之间的虚端子关联，又最大程度保留了灵活性，便于未来新技术保护装置的接入。同时，装置通信链路关联参数设置技术还有一个天然的优势：消除了母差等跨间隔保护改扩建时母差修改配置导致其与运行间隔停电传动的问题，因为运行间隔通信链路参数设置没有变化。