葉遠(yuǎn)波，孫月琴，黃太貴，郭明宇，黃 勇

(1.安徽省電力公司調(diào)度控制中心，安徽 合肥 230022；2.武漢中元華電科技股份有限公司，湖北 武漢 430223)

智能變電站繼電保護(hù)二次回路在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

葉遠(yuǎn)波1，孫月琴1，黃太貴1，郭明宇2，黃 勇2

(1.安徽省電力公司調(diào)度控制中心，安徽 合肥 230022；2.武漢中元華電科技股份有限公司，湖北 武漢 430223)

為了提高智能變電站繼電保護(hù)裝置相關(guān)二次回路的可靠性，提出一種基于多參信息量的繼電保護(hù)二次回路在線監(jiān)測及故障診斷方法。通過對 SV、GOOSE、MMS 報文的監(jiān)測及分析，研究了過程層和站控層鏈路異常信息的特征，并提出了 SV、GOOSE 網(wǎng)絡(luò)的斷鏈、數(shù)據(jù)異常和同步性分析與預(yù)警策略。對于繼電保護(hù)裝置，提出二次回路在線狀態(tài)監(jiān)測方法、采樣值異常、開關(guān)量監(jiān)視及異常預(yù)警策略。通過網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置或保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測及診斷裝置，將保護(hù)設(shè)備及二次回路各環(huán)節(jié)發(fā)生故障時的典型告警信息收集、分析、上傳，構(gòu)建一套繼電保護(hù)二次回路在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。

二次回路；在線監(jiān)測；故障診斷；繼電保護(hù)；分析預(yù)警

0 引言

智能變電站中，通信網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的二次回路，數(shù)字信號取代傳統(tǒng)物理電氣信號，實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化[1]。網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置作為智能站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)監(jiān)視的重要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)報文的存儲及分析、網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)時監(jiān)視以及告警等功能[2]。然而，目前二次回路的狀態(tài)監(jiān)測主要依靠專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置中的通信報文輔助分析異常原因，但記錄的信息量大且復(fù)雜，缺乏直觀且有效的手段對網(wǎng)絡(luò)信息中的故障特征進(jìn)行定量和定性分析，導(dǎo)致一些重要的信息被淹沒，無法形成完整的二次回路預(yù)警和分析策略，導(dǎo)致運(yùn)維人員難以對全站的二次回路狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與分析。

文獻(xiàn)[3]提出了一種基于報文解析的過程層網(wǎng)絡(luò)信息流異常監(jiān)測方法，并給出了詳細(xì)的信息異常判據(jù)。文獻(xiàn)[4-7]提出基于 SCD 文件的二次虛擬回路在線監(jiān)測與故障診斷方案。文獻(xiàn)[8-10]分析二次設(shè)備的運(yùn)行的信息特征，利用裝置自身的狀態(tài)信息進(jìn)行在線監(jiān)測與狀態(tài)評估。文獻(xiàn)[11-12]分析了智能站的通信網(wǎng)絡(luò)特性，利用通信報文信息對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)故障進(jìn)行診斷。文獻(xiàn)[13]提出了常規(guī)站的繼電保護(hù)相關(guān)的二次回路在線監(jiān)測與診斷方法。上述文獻(xiàn)均僅利用了單一裝置運(yùn)行信息，未有效綜合通信網(wǎng)絡(luò)中不同二次設(shè)備之間的信息交互進(jìn)行綜合分析。因此，這些方法難以對智能站中的二次回路進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。

本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置在智能站的功能特點(diǎn)，通過配置網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置與繼電保護(hù)設(shè)備之間的鏈路對應(yīng)關(guān)系，提取與二次回路相關(guān)的核心報文數(shù)據(jù)，上送至調(diào)度端進(jìn)行綜合分析，同時提出了 SV、GOOSE 網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)以及繼電保護(hù)設(shè)備的在線監(jiān)測與診斷策略。

1 二次回路在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站中，實(shí)現(xiàn)二次回路的在線監(jiān)測與故障診斷的關(guān)鍵在于信息的獲取及綜合分析。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 System structure

整個系統(tǒng)由主站系統(tǒng)與站端裝置兩部分組成，主站系統(tǒng)部署在省調(diào)調(diào)度端，考慮到現(xiàn)有的智能變電站架構(gòu)的基礎(chǔ)上不增加設(shè)備并且實(shí)現(xiàn)起來方便，站端利用網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置作為數(shù)據(jù)采集源端。對于新建的智能站，則直接將保護(hù)在線監(jiān)測與診斷裝置作為數(shù)據(jù)采集源端，數(shù)據(jù)經(jīng) I區(qū)的網(wǎng)關(guān)機(jī)由 D5000 平臺傳送至 II 區(qū)[14-15]。

站端的裝置負(fù)責(zé)信息的采集、配置、預(yù)整理及過濾。在通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時，裝置快速診斷、收集相關(guān)的異常信息，以文件的形式上送給調(diào)度端的主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集站端裝置上送的各種異常信息，進(jìn)行綜合診斷，并于界面進(jìn)行顯示。

2 在線監(jiān)測信息分析

二 次 設(shè) 備 運(yùn) 行 狀 態(tài) 信 息 包 含 裝 置 的 SV/ GOOSE/MMS 鏈路異常信號和裝置的自檢信息。根據(jù)二次回路在線監(jiān)測與故障診斷的需求，針對智能變電站內(nèi)不同類型智能二次設(shè)備的特點(diǎn)，將在線監(jiān)測的信息分為裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息、告警信號信息、保護(hù)動作信息等。

1) 裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息

裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息包含裝置的軟硬件自檢信息、采樣值、開關(guān)量信息。其中軟硬件自檢信息包含有裝置的運(yùn)行溫度，通道光強(qiáng)，電源電壓信息。采樣值和開關(guān)量信息包含各支路電流、差動電流以及重要的開入量狀態(tài)。對此類信息長期進(jìn)行監(jiān)視統(tǒng)計，為狀態(tài)檢修提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和檢修依據(jù)。

2) 告警信息

告警信息包含采樣值、開關(guān)量異常告警及裝置異常告警。其中采樣值異常告警包括 CT/PT 斷線、SV 品質(zhì)異常、SV 鏈路中斷、SV 檢修狀態(tài)不一致。開入量異常告警包含開入量異常、GOOSE 鏈路中斷、GOOSE 檢修不一致。裝置異常告警包含失電告警、閉鎖。在二次回路出現(xiàn)此類重要告警時，快速進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)評估,采取“異常后快速定位，異常前狀態(tài)評估”的策略。為運(yùn)檢人員提供有效指導(dǎo)，提高智能站維護(hù)便利性。

3) 保護(hù)動作

保護(hù)動作信息包含保護(hù)動作信號(保護(hù)啟動、保護(hù)動作元件)和動作出口信號(出口相別，整組動作時間)。

4) SV/GOOSE 運(yùn)行狀態(tài)信息

SV/GOOSE 的運(yùn)行狀態(tài)信息指的是報文狀態(tài)以及格式異常信息。SV報文狀態(tài)包含幅值精度、相位精度、雙AD一致性、報文等間隔性、檢修狀態(tài)、同步狀態(tài)、數(shù)據(jù)有效性、同步信號丟失。報文格式異常指的是由于設(shè)備故障導(dǎo)致的 SV/GOOSE報文殘缺、過長、亂碼等報文幀格式錯誤。

3 信息采集方案

由于在線監(jiān)測信息由網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置采集，考慮到過程層和站控層間的網(wǎng)絡(luò)報文數(shù)據(jù)量巨大，存在大量的冗余與非重要的信息，對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)造成很大的壓力。為實(shí)現(xiàn)快速有效的在線監(jiān)測與故障診斷，站端裝置采集到數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、過濾以及篩選。

根據(jù)系統(tǒng)以及研究需求，將在線監(jiān)測信息分為穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)以及狀態(tài)文件，其中暫態(tài)文件指的是當(dāng)鏈路中出現(xiàn)重要告警(如回路斷鏈等)時，由裝置將該時刻 APPID 對應(yīng)的所有鏈路信息進(jìn)行整理生成的文件。穩(wěn)態(tài)文件則是記錄長時間監(jiān)測信息(如溫度、光強(qiáng)、電壓電流等)文件，狀態(tài)文件為監(jiān)測鏈路實(shí)時通斷狀態(tài)的文件。

實(shí)際應(yīng)用過程中，網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置按照一定的時間間隔定時上送狀態(tài)文件和穩(wěn)態(tài)文件，當(dāng)站控層中有重要告警數(shù)據(jù)、變化量超過5%或分析狀態(tài)有改變時主動上送暫態(tài)文件。主站端實(shí)時查詢上送的數(shù)據(jù)與各二次設(shè)備的對應(yīng)狀況。如圖2 所示。

圖2 裝置上送告警機(jī)制Fig. 2 Send alarm mechanism on the device

二次回路在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)存儲站端上送的信息，并進(jìn)行實(shí)時診斷分析，同時統(tǒng)計分析狀態(tài)信息的長期變化規(guī)律，并結(jié)合裝置異常時的狀態(tài)特征，評估健康狀況，做出診斷決策。

4 在線監(jiān)測與故障診斷原理

4.1 SV/GOOSE 鏈路診斷原理

對于過程層 GOOSE、SV 信號，當(dāng)接收端設(shè)備在一定時間內(nèi)沒有收到有效的GOOSE、SV信息時，會產(chǎn)生相應(yīng)的告警。例如：當(dāng)繼電保護(hù)裝置 SV 鏈路異常時，繼電保護(hù)裝置無法獲取正常的接收數(shù)據(jù)，會通過站控層 MMS上送相應(yīng)的鏈路斷線告警報文，網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置可獲取這些告警報文。

針對網(wǎng)采、網(wǎng)跳回路，由于各裝置之間具有統(tǒng)一的系統(tǒng)觀測源，可通過對比發(fā)送方與多個接受方之間鏈路的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)各裝置上送的鏈路告警報文即可以定位到相應(yīng)的鏈路異常。

針對直采回路，其與網(wǎng)采的 SV 端口不同，無法進(jìn)行鏈路對比監(jiān)視，因此難以準(zhǔn)確定位到具體的故障點(diǎn)，但可以通過預(yù)先配置，列舉所有可能故障點(diǎn)，同時綜合其他二次設(shè)備的網(wǎng)采回路情況，給出各種故障點(diǎn)的概率，直跳回路由于無法獲取其相關(guān)的對比信息，只能由繼電保護(hù)裝置上送的告警進(jìn)行故障定位。

其診斷策略如圖3所示。

圖3 繼電保護(hù) SV、GOOSE 鏈路診斷策略Fig. 3 SV and GOOSE link diagnostic strategies

4.2 交流回路狀態(tài)診斷原理

對于二次回路交流量的在線監(jiān)測，可利用網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置和繼電保護(hù)裝置采集的交流量綜合判斷。智能站普遍采用雙AD采樣，并配備了雙重化的保護(hù),通過對比繼電保護(hù)裝置通過 MMS 上送的雙AD采樣值和兩套保護(hù)的采樣值，如果它們之間的相對誤差在閾值范圍之內(nèi)且繼電保護(hù)裝置無采樣不一致的告警，則認(rèn)為雙AD采樣一致或者兩臺保護(hù)的交流二次回路狀態(tài)處于正常狀態(tài)；如果相對誤差超出閾值，同時繼電保護(hù)裝置未發(fā)出采樣不一致的告警，則判斷至少有一套繼電保護(hù)的交流回路出現(xiàn)異常，并給出繼電保護(hù)裝置所對應(yīng)的異常二次回路。

通過對比網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置的SV和繼電保護(hù)裝置MMS上送的采樣值，如果兩者最大誤差在閾值范圍之內(nèi)，并且網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置和繼電保護(hù)裝置無 SV 斷鏈告警，則認(rèn)為 SV 二次采樣回路處于正常狀態(tài)；當(dāng)繼電保護(hù)裝置采樣回路正常時，但網(wǎng)分裝置和保護(hù)裝置之間的采樣值誤差超過閾值時，則判斷網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置的交流采樣回路出現(xiàn)異常，并給出網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置所對應(yīng)的異常二次回路。

交流回路狀態(tài)策略如圖4所示。

圖4 交流回路狀態(tài)策略Fig. 4 AC circuit state policy

4.3 保護(hù)動作診斷原理

4.3.1 雙重化配置保護(hù)裝置

通過檢查AB套保護(hù)裝置的動作行為一致性診斷繼電保護(hù)裝置動作行為的正確性及時間特性。檢查內(nèi)容為動作元件及出口時間，根據(jù)GOOSE中的開關(guān)量的時間計算出口時間差，保護(hù)中的動作元件對比，綜合分析保護(hù)動作的正確性。如圖5所示。

圖5 保護(hù)動作信息診斷策略Fig. 5 Diagnosis strategy of relay information

4.3.2 單重化配置保護(hù)裝置

對單重化配置的保護(hù)裝置，通過與網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置的模擬量對比進(jìn)行交流回路的狀態(tài)監(jiān)測，通過與測控裝置的位置信號對比進(jìn)行開關(guān)量回路的狀態(tài)監(jiān)測。同時，將模擬量的變化與單重化保護(hù)的動作邏輯相結(jié)合，綜合分析保護(hù)動作的正確性。如圖6所示。

圖6 單重化保護(hù)信息診斷策略Fig. 6 Single relay protection communication link

5 網(wǎng)絡(luò)信息異常狀態(tài)及預(yù)警策略

智能變電站中，SCD 文件描述了所有二次設(shè)備發(fā)布的 SV、GOOSE 數(shù)據(jù)集，并通過定義二次設(shè)備各功能邏輯設(shè)備下邏輯節(jié)點(diǎn) LN0 所屬的 inputs元素來描述各二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)各功能所需的采樣或信號輸入，通過外部接入數(shù)據(jù)對象參引和內(nèi)部數(shù)據(jù)對象屬性之間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)外部信號的輸入。通過遍歷IED 過程層的 Connected AP 元素獲得 IED 名稱、訪問點(diǎn)名稱、物理端口號和端口所連接光纖標(biāo)識，遍歷 IED 過程層的 Inputs 元素獲得虛端子連線，構(gòu)成虛回路。

根據(jù) SCD 文件解析出的 IED 設(shè)備序號，構(gòu)成二次設(shè)備集合，可記為X。

將各 IED 根據(jù) Inputs 元素形成的虛接線，構(gòu)成虛接線集合，可記為Y。

因此，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置上送的狀態(tài)文件，可獲取各 IED 之間虛回路的狀態(tài)，借助正常通信鏈路來排除對應(yīng)通道節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的可能性，縮小故障定位的范圍。根據(jù)上述形成虛回路集合，記為

根據(jù)二次設(shè)備之間相關(guān)性來確定各鏈路之間的與或非關(guān)系，如圖3所示，形成鏈路通斷診斷表，記為K因此，通過K值可計算出故障最可能的故障節(jié)點(diǎn)。

考慮到按照固定時間 tD上送狀態(tài)可能導(dǎo)致部分鏈路的信息缺失，同時由于裝置本身采集的問題可能導(dǎo)致信息上送錯誤或者延遲上送，診斷引入容錯機(jī)制，取時間段上送的信息進(jìn)行綜合取值。其中為可設(shè)置的整定值。故障節(jié)點(diǎn)的可能性EH 如下式所示。

以典型的合并單元、繼電保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置、測控、智能終端所組成的虛端子圖為例，假設(shè)站控層收到一條來源于繼電保護(hù)告警信息為“某線路合并 SV_A 網(wǎng)鏈路出錯”、其他裝置均未產(chǎn)生告警。

由上述結(jié)構(gòu)，可根據(jù)二次設(shè)備生成5個各虛端子圖以及故障節(jié)點(diǎn)組合，如表1所示。

表1 虛回路集合Table 1 Aggregate of secondary circuit

表1中，X1~X5分別對應(yīng)合并單元、測控裝置、繼電保護(hù)裝置、網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置、智能終端的虛端子圖集合。A~D分別對應(yīng)合并單元出口A、繼電保護(hù)接收端B、測控裝置接收端C、網(wǎng)分接收端D、智能終端出口E的故障點(diǎn)集合。

診斷結(jié)果如表2所示。

表2 診斷結(jié)果Table 2 Analytical result

結(jié)果顯示， EH = {0,3,1 ,1, 0}；在通過對多回路綜合取值后，可知故障點(diǎn)B處的可能性最大，而B點(diǎn)故障點(diǎn)為保護(hù)接收端故障。

6 結(jié)論

針對目前智能變電站存在的無法進(jìn)行有效在線監(jiān)測與故障診斷的問題,結(jié)合當(dāng)前智能站的二次設(shè)備情況，通過優(yōu)化與改善現(xiàn)有的網(wǎng)分裝置的功能，提出了一種用于智能站的二次系統(tǒng)故障診斷分析方法，并根據(jù)智能變電站自身所特有的特征，以提高智能變電站故障診斷系統(tǒng)的適用性、容錯性為目標(biāo)，提出了智能變電站繼電保護(hù)在線監(jiān)測與故障診斷方法。

通過對智能電站內(nèi)的網(wǎng)分裝置功能的提升，實(shí)現(xiàn)基于通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置報文監(jiān)視告警信息上送，進(jìn)而推斷在通信網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)分告警信息缺失情況下，可通過其他相關(guān)告警信息進(jìn)行準(zhǔn)確的故障診斷，同時推斷缺失的告警信息,輔助校驗診斷結(jié)果準(zhǔn)確性。

本項目對網(wǎng)分裝置進(jìn)行功能提升，通過將告警進(jìn)行梳理與篩選并上送至調(diào)度端進(jìn)行綜合分析，可有效實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)繼電保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷分析。

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(編輯 葛艷娜)

Online state detection and fault diagnosis technology of relay protection secondary circuits in smart substation

YE Yuanbo1, SUN Yueqin1, HUANG Taigui1, GUO Mingyu2, HUANG Yong2
(1. Dispatching and Control Center, Anhui Electric Power Company, Hefei 230022, China; 2. Wuhan Zhongyuan Huadian Science and Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)

In order to improve the reliability of the relay protection relevant secondary circuit, a new method of the secondary circuit online monitoring and fault diagnosis which is based on multi-parameter information is presented. Based on the monitoring and analysis of the SV/GOOSE/MMS messages, the character of the abnormal information flow in process and control layer network is studied, the strategies of SV/GOOSE link breakage and data exceptions and analysis of the synchronization are then proposed. For the relay protection device, this paper puts forward a secondary circuit online state monitoring method, and sampling value exception, analog and digital monitoring, and abnormality pre-warning strategies. On the basis of gathering, analyzing and uploading of the typical alarm information when relay protection device and secondary circuit failure by the network packet analysis device or the relay protection state monitoring and fault diagnosis device, it establishes a relay protection secondary circuits monitoring and fault diagnosis system.

secondary circuit; on-line monitoring; fault diagnosis; relay protection; warning analysis

10.7667/PSPC152226

：2016-03-08

葉遠(yuǎn)波(1973-)，男，工學(xué)碩士，高級工程師，英國工程技術(shù)學(xué)會注冊工程師(IET-ENG)，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)；E-mail: yeyuanbo888@sohu.com

孫月琴(1964-)，男，工學(xué)碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)；

黃太貴(1963-)，男，工學(xué)碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度自動化。

繼電保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)方監(jiān)控及故障診斷技術(shù)研究及示范應(yīng)用(52120014009S)