基于变电站二次系统的在线监测设计优化

摘 要：随着变电站智慧化、智能化水平的提升，二次系统的可靠性已经成为了影响变电站安全运行的决定性因素。现阶段变电站二次系统在线监测存在功能不全、方案不统一以及主站端各成体系的问题。为满足现场运行对二次系统在线监测的迫切需求，实现不同二次系统在线监测技术方案的统一，本文提出一种二次系统在线监测优化设计技术。通过对整体系统框架、信息采集方式展开介绍，并以3种常见电压等级的工程实例方案进行论证，提出技术经济相协调的二次系统在线监测应用实施建议。在电网运维方面，可有效优化和提升二次设备的管理水平；在电网安全方面，借助对二次系统的全面在线监测，可有效保障电网安全稳定运行，以应对新型电力系统下电网复杂运行状态，实现新型数字智能电网建设。

关键词：新型电力系统，智能变电站，二次系统，在线监测，工程实例

0 前 言

目前，我国智能变电站建设走在国际前列[1]，国家电网有限公司正研究解决智能变电站智能运维相关问题，并制定相关的技术标准[2]，加强电网二次系统管理及智能运维工作，推广二次虚回路可视化[3]、自动校验、智能诊断和检修策略辅助决策技术[4]，提升现场工作效率和防误水平，推广继电保护在线监视与智能诊断平台[5]。

为智能变电站二次系统在线监测技术研究及实践提供标准支持，NB/T 42088-2016《继电保护信息系统子站技术规范》[6]、DL/T 1663-2016《智能变电站继电保护在线监视和智能诊断技术导则》[7]、Q/GDW 10427-2017《变电站测控装置技术规范》[8]、Q/GDW 11914-2018《电力监控系统网络安全监测装置技术规范》[9]、GB/T 40599-2021《继电保护及安全自动装置在线监视与分析技术规范》[10]等规范颁布实施。在标准规范中，对二次系统中继电保护及安全自动装置、过程层网络设备在线监测做出了相关规定，且独立设置了主站。网络安全在线监测也有单独的标准规定了其监测对象和主站设置等，且也独立设置了网络监测管理平台。其他诸如自动化测控装置仅提出要具备二次系统在线监测的功能，无具体的实施配置方案[11]。

同时，由于智能变电站相较于传统变电站设备更加精密，结构更加复杂，因此，继电保护系统存在着可靠性降低的问题[12-13]。然而，针对保护设备本身的状态监测，在国网工程中仍处于试点应用，且配置的变电站数量均较少，由于采集的信息数量不全[14]，实际应用较少。而站内其他二次设备虽基本具备设备自检的功能，重要信息均通过硬接点方式接入测控，进而上送至监控SCADA后台，但对于设备自检类的其他信息一般均未进行监测[15]。

从主站端看，目前变电站二次系统无论从功能上还是数据分布上都存在着系统相互独立的情况，即每个二次系统都有独立的监测主站或者系统，不同的业务部门都局限于当前的业务数据，对于整体厂站端来说数据较为独立和分散。由于目前变电站的二次设备数据无法很好地融合，造成投资成本比较高，功能交叉重复或存在缺失，系统重复建设[16]。

因此，为解决变电站二次系统在线监测部分缺失、功能不全和方案不统一、主站端各成体系的问题[17-18]，满足现场运行对二次系统在线监测的迫切需求，实现不同二次系统在线监测技术方案的统一，亟需开展二次系统在线监测优化设计技术，提出技术经济相协调的二次系统在线监测应用实施建议。

1 整体技术架构

1.1 逻辑架构

二次系统在线监测采用主子站的方式，逻辑结构示意如图1所示。

厂站端二次系统在线监测管理单元可独立配置，也可采用软件功能模块方式嵌入综合应用主机，实现录波文件分析、智能设备状态在线监视、网络报文分析、二次系统可视化等高级应用功能。根据站端数据规模按需配置站控层和过程层采集单元的数量，具备记录与分析站控层MMS、过程层SV/GOOSE报文、流量统计、报文异常告警及流量异常告警等功能。其中站控层采集单元用于采集分析继电保护、安自、测控、监控主机、通信管理机、网安等设备间交互的数据；过程层采集单元用于采集智能终端、合并单元等智能设备数据。一次设备在线监测、消防、安防、动环等辅助设备直接接入（存量变电站可通过辅控系统主机间接接入）Ⅱ区站控层网络，故障录波装置直接接入站控层网络，实现与管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）通信[19]。

二次系统在线监测装置的采集单元与管理单元通过内部通信进行数据交互，各厂站管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）通过Ⅱ区服务网关机将站端分析结果上传至调度Ⅱ区二次设备在线监测主站，开展电网级别的数据分析处理应用。

1.2 网络架构

集成优化后的二次系统在线监测系统由管理单元、站控层采集单元、过程层采集单元以及网络设备组成。其网络架构如图2所示[15]。

二次系统在线监测部署在变电站自动化系统安全Ⅱ区[20]，继电保护装置、安全自动装置、测控装置、保测集成装置、智能终端、合并单元等智能设备通过网络交换机采用DL＼T 860标准规约与二次系统在线监测采集单元进行通信；同时继电保护、安自、测控、保测集成装置等Ⅰ区间隔层设备穿过防火墙利用站控层网络与管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）实现双向通信。

对于目前在建的智能变电站，继电保护、安自、测控等Ⅰ区数据，以及一次设备在线监测、消防、安防、动环、故障录波等Ⅱ区数据通过站控层网络与管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）通信，实现数据的双向同步。对于存量智能变电站，由于一次设备在线监测、消防、安防、动环子系统的数据未做DL＼T 860建模，无法与管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）直接通信，可将IED采用接入辅控系统主机，再由辅控系统主机转发至管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）模式实现数据采集。

Ⅳ区的巡视主机穿过隔离装置与管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）通信，实现巡视主机、无线辅助设备等数据双向交互。

1.3 数据流

二次系统在线监测数据流如图3所示。二次系统在线监测的站控层管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）穿过Ⅰ/Ⅱ区间防火墙与继电保护、安自装置、测控、保测集成装置、时钟同步等智能设备双向通信，通过MMS报文实时采集监测信息、告警信息、运行信息、动作信息、诊断维护信息、授时信息等亦可发送数据召唤命令，查看保护定值、保护软压板、保护模拟量、保护录波等保护信息数据。

二次系统在线监测的站控层采集单元穿过安全Ⅰ/Ⅱ区间防火墙，从Ⅰ区站控层中心交换机镜像口实时监测站内继电保护、安全自动装置、测控装置、保测集成装置、监控主机、通信网关机等站控层MMS通信报文，以及与主站通信报文，实时监测各种状态信息和控制指令。

二次系统在线监测的过程层采集单元直接从各电压等级过程层中心交换机采集GOOSE/SV等通信报文数据，实时监测智能终端、合并单元等过程层设备的运行信息、告警信息、监测信息[21-22]。

二次系统在线监测的管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）与处于同一站控层网络的一次设备在线监测、消防、安防、动环、故录等Ⅱ区智能设备通信，同步辅助设备数据以及控制指令、录波数据等，实时监测设备工作状态。

二次系统在线监测的管理单元（或集成于综合应用主机的管理单元模块）通过正/反向隔离装置与安全Ⅳ区巡视主机联通，发送配置数据和视频联动指令，采集视频巡视、巡视主机运行状态等数据。

2 二次系统在线监测信息采集

二次系统在线监测包含保护设备、网络报文、网络安全以及其他二次设备的在线监测。系统信息采集范围涵盖合并单元、智能终端、保护装置、测控装置、安自装置、过程层交换机、站控层交换机、网安装置、故障录波装置、巡视主机及构成保护控制系统的二次联接回路，同时包括辅控系统的信息。系统信息采集如图4所示。

2.1 保护设备在线监测系统及功能实现

保护设备在线监测主要是通过采集保护及与之存在联接关系的合并单元、智能终端、网络交换机等装置本体信息及装置间交互信息，实现二次回路可视化、二次设备巡视、缺陷分析、故障诊断、可视化安措、模型维护等二次设备运行状态监视与运维管理功能。

系统组成包含数据采集单元和数据管理单元两个部分。数据采集单元接入站内过程层网络，按照网段配置，用于采集SV、GOOSE报文和过程层交换机信息；数据管理单元按照全站配置，一方面接收数据采集单元的信息，另一方面接入变电站站控层网络，采集保护设备的状态监测信息、保护定值数据、保护录波信息、中间节点信息，并对所采集的信息进行分析，实现二次设备在线监测的各个应用功能。

系统具备人机接口界面，可将统计分析结果在站端进行展示，同时也具备对外接口，可将告警和分析的结果信息通过DL/T860或DL/T476协议上送至远方主站，也支持主站对站内二次设备文件的召唤功能。可实现SCD文件管理功能、保护设备运行状态和物理连接可视化在线监视、设备运行巡视、缺陷智能诊断、保护动作分析以及保护设备安全措施在线监视与预警功能[23]。

2.2 网络分析在线监测系统及功能实现

网络分析在线监测主要是通过采集智能变电站中的SV、GOOSE和MMS报文，并对报文进行在线解析与记录，实现网络和报文的异常监视、网络实时流量、模型一致性等功能。

系统组成包含数据采集单元和数据管理单元两个部分。数据采集单元分别通过不同的独立网口接入过程层网络和站控层网络，捕获和在线解析SV、GOOSE和MMS报文，并将采集报文及分析结果上送至数据管理单元；数据管理单元与数据采集单元间通过以太网通信，负责汇集和存储各个采集单元的解析结果[24]。

系统具备人机接口，可对报文内容和分析结果进行可视化展示，同时也具备对外接口，支持外部主机对报文记录文件召唤功能。可实现网络报文采集和记录、网络报文解析以及网络及报文异常监视。

2.3 网络安全在线监测系统及功能实现

网络安全在线监测主要是通过采集被监测对象的网络安全事件，对网络及装置进行安全核查、安全监视与告警、安全审计、安全分析等，实现对变电站监控系统的安全风险和安全事件的监视与在线管理。

变电站端的网络安全监测通过配置网络安全监测装置来实现，网络安全监测装置接入站控层网络，通过获取主机、服务器、网关机、网络安防设备、交换机等设备的日志并对日志进行分析获取网络安全相关的各类信息，及时发现网络安全风险，实现网络安全监测。

站端的网络安全监测装置同时可作为网络安全管理平台主站端的服务代理，支持对主站上送所采集的信息及分析结果。可实现网络安全信息采集功能以及网络安全分析功能。

2.4 其他二次设备在线监测系统

其他二次设备在线监测包括交直流电源在线监测、辅助设备在线监测、故障录波器在线监测等。采用DL/T 860标准建模且直接接入站控层网络的，可以采用网络监测方式直接监测其运行状态，当不具备上述条件时，可以采用硬接点方式将重要运行状态信息接入公用测控装置，经公用测控装置转发至二次系统在线监测系统。

3 技术经济比较分析

目前，智能变电站中已经配置了少量的具备二次系统状态监测功能的设备，包括智能变电站网络报文分析装置、继电保护设备在线监视装置、网络安全在线监测装置。

在目前的变电站中，网络分析装置的数据管理单元按全站配置，数据采集单元按网段配置，管理单元和采集单元均按AB网分别配置，以一个220kV变电站为例，需要配置2台管理单元，4台数据采集单元分别接入220kV、66kV的过程层网络和站控层网络，相应的投资概算为41万元。在继电保护设备在线监视方面，由于国网基建工程不配置独立的保信子站，在对现有的保护与录波器跨区接入模型进行改造，实现保护通过安全I区网关机、录波器通过安全II区网关机分别向调度中心传输信息中，相应的投资概算为36万元。对于网络安全的在线监视，根据网络安全管理的要求，目前仅在II区配置，I区监测信息透过I、II区间的防火墙传输至II区，由II区的网安装置统一监测后上送至调度主站。相应的投资概算为14万元。

设计优化后，不仅能整合现有的智能变电站网络报文分析记录装置、继电保护设备在线监视装置，也实现了对智能变电站中的其他设备，包括网络安全在线监测系统（远期可集成于综合应用主机）、一体化电源系统、时钟同步系统、计量系统、相量采集系统、电能质量在线监测、辅助监控终端设备等的在线监测。

优化后，应根据变电站设计流量将负载均衡分配于各采集单元及其采集接口。全站应只配置一套装置，一套装置配置一个管理单元和若干采集单元。管理单元采用软件功能模块方式嵌入综合应用主机，实现录波文件分析、智能设备状态在线监视、网络报文分析、二次系统可视化等高级应用功能。根据站端数据规模按需配置站控层和过程层采集单元的数量，具备记录与分析站控层MMS、过程层SV/GOOSE报文、流量统计、报文异常告警及流量异常告警等功能。相应的投资概算约为20～40万元。

4 结 论

目前变电站在线监测范围不够全面，且设备与设备之间相互独立，不能很好地融合，造成投资成本高，经济效率低，系统重复建设。基于以上问题，提出二次系统在线监测优化设计技术，可以解决变电站二次系统在线监测部分缺失、功能不全和方案不统一、主站端各成体系的问题，满足现场运行对二次系统在线监测的迫切需求，减少二次设备数量，实现不同二次系统在线监测技术方案的统一。从电网运维角度，二次设备的数据采集更加全面，可为二次设备运行管理、功能评价等提供重要数据支撑，有利于优化和提升二次设备的管理水平。从电网安全角度，开展二次系统的全面在线监测实施方案，可有效保障电网安全稳定运行，有效应对新型电力系统下电网复杂运行状态，是实现新型数字智能电网建设总体目标的必然趋势，是适应新型电力系统运行管理新模式下的必要需求。

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