智能变电站继电保护与数据传输及网络结构技术探讨

玉溪供电局 时 娟 雷亚兰

智能变电站针对站内监控设备、保护设备、故障录波设备、防误操作设备、电量采集设备、直流设备，以及其他智能设备所产生的所有二次信息进行了综合的分类；并依据IEC61850标准中信息描述的方法进行了信息的统一建模，做到了变电站信息源的唯一性、一致性、正确性。将原来变电站中数套二次系统[1]简化为一套二次系统，集成了后台监控、保信管理系统、防误操作系统，以及其他智能设备管理系统等，将大大简化变电站二次系统的配置，极大地降低了变电站的造价及维护、运行成本。

1 品质因数对保护的影响

1.1 SV 无效数据对站内继电保护的影响

第一，保护电压是无效数据：保护电压显示采样值无效，现场处理方式与保护装置报TV 断线处理方式相似。第二，保护电流是无效数据：闭锁保护装置的差动保护、距离保护、零序过流保护、过负荷保护等保护功能。第三，启动电流是无效数据：电压+24V 开放启动板的条件，切换到电流保护通道进行计算，启动板在此情况下根据电流保护通道的计算结果自动判断是否需要启动。当启动电流处于检修状态或启动电流的数据值是无效数据时，应对保护板的程序不产生任何影响。第四，启动电压是无效数据：对保护不产生影响，仅用于与保护电压进行相互比较，互校不一致闭锁保护。第五，同期电压是无效数据：当同期电压与检定重合闸方式无关联时，不产生“同期电压数据无效”的信息。当同期电压是无效数据时，与同期电压关联的重合闸检定方式进行闭锁。第六，相电流任意侧是无效数据：仅对本侧过电流保护和差动保护进行闭锁。第七，零序电流任意侧是无效数据：仅对本侧零序过流保护整定为外接零序的进行闭锁。第八，间隙电流任意侧是无效数据：仅对本侧间隙零序过流保护进行闭锁。第九，电压任意侧是无效数据：对本侧零序过压保护进行闭锁，本侧所有数据与电压相关均自动判为不满足条件，可通过其他侧启动复压元件，退出方向过流保护。

第十，母线电压是无效数据：母线电压显示的采样值是无效的，保护装置不闭锁保护，且母线电压开放。第十一，支路电流是无效数据：支路电流的采样值是无效的，对相应保护装置支路的失灵保护和差动保护进行闭锁，不受影响保护装置其他支路的失灵保护。第十二，母联支路电流通道数据无效：显示无效采样值，闭锁保护装置的母联保护，母线保护自动互联。第十三，母线电压是无效数据：母线电压显示采样值无效，保护装置的保护不闭锁，母线电压处于开放状态。

1.2 SV 数据失步对继电保护的影响

第一，电流电压任一失步：PMU 电压和MU电流任意一项失步，处理情况与保护装置PT 断线相似。第二，同期电压失步：当同期电压与重合闸方式无关时，不报送“同期电压数据失步”信息。当同期电压发生数据失步时，对重合闸检定方式与同期电压相关的保护进行闭锁。第三，相电流任一侧失步数据：保护装置的差动保护闭锁，如果采用和电流作为本侧的后备保护电流，则闭锁保护装置的后备保护。第四，外接零序电流任意侧失步数据：对保护装置无影响。第五，间隙电流任意侧失步数据：对保护装置无影响。第六，电压电流后备保护相对失步：保护装置的方向元件不满足条件。第七，母线电压失步：保护装置的保护不闭锁，并且开放母线电压。第八，支路电流失步：仅保护装置的差动保护闭锁。第九，母联支路电流失步：母线自动互联。

2 GOOSE

2.1 GOOSE 定义

即面向通用对象的事件，是IEC 61850中用于满足综自系统快速报文的机制，提供了利用组播服务向多个物理设备同时传输同一个通用事件信息。GOOSE 传输的数据类：布尔量，整型，浮点型，位串，时间。

2.2 GOOSE 发送机制

GOOSE 采用连续多次传送的方式实现可靠传输：T1=2ms，T2=4ms，T3=8ms，T0=5s。GOOSE发送机制如图1所示。

图1 GOOSE 发送机制

当设备状态发生变化时，智能电子装置将会依据变化的报告，将二进制对象进行高速传送，形成面向对象的通用事件报告，报告包含：设备状态、启动元件、输出元件和继电器等每一个双点的实际、虚拟的命令。在第一次发生报告后，每间隔2、4、8…60000ms 依次重发。GOOSE 报告可以将跳闸信号进行高速传输，具备较高的成功率。GOOSE 服务可以在网络数据链路层直接进行映射，重要信息可以确保优先传送，采用广播地址方式将信息进行多路发送。

3 智能变电站对时方式

3.1 IEEE1588[2]对时方式

该标准定义了四种报文消息：Sync、Followup、DelayReq 和DelayResponse，以测量时间和路径延迟，也称为延迟请求响应机制。

3.2 两步法

两步法中Sync 报文的发送时间是主时钟发送报文的估计值，还需要使用跟随报文发送真实的时间t1，若主时钟以太网芯片硬件支持，Sync 报文也可直接发送真实时间t1。目前智能变电站中广泛应用两部时钟。智能变电站两步法对时方式如图2所示。

图2 智能变电站两步法对时方式

3.3 延迟请求响应机制

在t1时刻，主时钟向从时钟发送同步报文：从时钟接收到报文进行解析后，能够得到主时钟发送来的真实值，将解析后的真实值与自身的同步时间t2相减，可以得到：t2-t1=meanPathDelay+Offset。从时钟在t3时刻发送DelayRequest 消息，主时钟记录消息到达时间t4，并发送消息DelayResp，该消息中含有t4时间戳：t4-t3=meanPathDelay-Offset，meanPathDelay=((t2-t1)+(t4-t3))/2，Offset=((t2-t1)-(t4-t3))/2。延迟请求机制如图3所示。

图3 延迟请求机制

4 智能变电站网络结构

智能变电站采用三层（即站控层、间隔层、过程层）和两网（即过程层网络、站控层网络）的拓扑结构。如图4所示为智能站网络结构。

图4 智能站网络结构

4.1 站控层网络结构

站控层设备包括监控系统、通信设备、高精度对时设备等，可对站内设备实现监测、控制、信息交互等功能。站控层网络用于MMS、GOOSE、SNTP 报文的传递。MMS 主要使用在间隔层、站控层的服务器端/客户端的通信，传输带时标信号、测量、文件、定值、控制等信息。GOOSE 主要使用在间隔间五防的联锁闭锁信息。SNTP 主要使用在站控层设备间的对时功能。

4.2 过程层网络结构

过程层：一般按电压等级分别组网，220kV 及以上变电站双重化星型，110kV 变电站推荐单星型，内桥或线变组可不组网。过程层主要包含断路器、变压器、电压互感器、电流互感器、隔离开关、智能终端、合并单元等独立的智能设备。合并单元：使电压、电流的模拟量转换成数字量的智能设备。GOOSE 网：GOOSE 主要使用在过程层设备与间隔层[3]设备之间、间隔层装置各设备之间的信号快速传递。SV 网：传递电压、电流二次值的数字量。过程层网络：传递SV、GOOSE 报文，使用在过程层设备和间隔层设备之间、间隔层装置各设备之间的信息传递。虚端子：用于描述SV、GOOSE 报文传输信号的总称，用于对间隔层、过程层，以及相互之间关联的二次信号，类似于传统厂站屏柜上的端子。

5 结语

随着社会的不断进步，科学技术的不断发展，智能变电站将迎来高速发展的黄金时期，采用光纤代替传统电缆，不但能够高度集成电子设备、降低能源耗费、改善环境，还具有更大的传输距离、更高扩展性；智能站在收集信息和对信息进行分析后，可以将分析后的信息在内部充分共享，并且能够和电网内错综复杂的各系统体系相互间进行高效互动，保证电力系统能够高效、安全、绿色运行。