劉 琨,黃明輝,李一泉,陳志光,曾耿暉,劉 瑋,蘇忠陽

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510600;2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司RTDS繼電保護仿真重點實驗室,廣東 廣州 510600;3. 廣州穗華能源科技有限公司,廣東 廣州 510530)

0 引言

智能變電站具有信息開放與信息共享的優(yōu)勢,同時為了實現(xiàn)智能變電站的高效經(jīng)濟運行,基于智能變電站繼電保護狀態(tài)在線監(jiān)測以實現(xiàn)不停電運檢技術(shù)成為新的研究熱點[1-4]。目前,繼電保護狀態(tài)在線監(jiān)測研究對象主要集中在單個裝置或二次回路[5-7],并未考慮智能變電站的系統(tǒng)特性。研究方法主要局限于單個信息與理論值的比較,或者利用繼電保護歷史/實時運行信息、家族缺陷歷史信息等給繼電保護打分,以獲得繼電保護的運行狀態(tài)[7-8]。前者并未考慮繼電保護狀態(tài)信息間豐富的耦合及約束關(guān)系,并未充分利用信息共享的優(yōu)勢,而后者基于權(quán)重的打分方式則存在較強的主觀性。

智能變電站的信息開放與信息共享使得繼電保護綜合利用多個狀態(tài)信息及其約束關(guān)系實現(xiàn)在線監(jiān)測成為可能,給繼電保護在線監(jiān)測提供了新的思路[9-11]。但目前對此的研究主要針對信息開放及上送協(xié)議、規(guī)范[12-13],并未直接研究基于信息開放與信息共享的在線監(jiān)測方法。為此,本文針對繼電保護狀態(tài)在線監(jiān)測的需求,建立智能變電站故障信息模型,利用智能變電站的系統(tǒng)特性對整個繼電保護系統(tǒng)的狀態(tài)信息進行在線、自動的整合與分析,辨識隱藏于狀態(tài)信息間的繼電保護關(guān)鍵狀態(tài),并進一步確定故障點或故障范圍。

1 智能變電站故障信息模型

本文提出的基于智能變電站系統(tǒng)特性的繼電保護在線監(jiān)測方法是充分利用繼電保護狀態(tài)信息間豐富的耦合及約束關(guān)系,以實現(xiàn)全面分析和評價繼電保護狀態(tài),并實現(xiàn)故障定位?？紤]到繼電保護狀態(tài)信息繁多且耦合關(guān)系復(fù)雜,而現(xiàn)有的智能變電站的全站配置文件(SCD)只描述了智能電子設(shè)備(IED)的功能與設(shè)備間的通信行為,沒有直接描述信息間的約束關(guān)系。因此需要建立智能變電站故障信息模型,用于確定狀態(tài)信息間的耦合約束關(guān)系,并與狀態(tài)信息實時耦合約束進行比較,辨識出繼電保護異常狀態(tài)信息,進而確定繼電保護的故障點或故障范圍。

繼電保護狀態(tài)信息間的關(guān)系包括一次系統(tǒng)固有連接關(guān)系[14]、二次系統(tǒng)物理連接關(guān)系、二次系統(tǒng)邏輯連接關(guān)系、繼電保護業(yè)務(wù)特點以及保護原理配合等帶來的狀態(tài)信息間的耦合約束關(guān)系等。因此,智能變電站故障信息模型應(yīng)具備以下功能:

a. 模型應(yīng)包含所有狀態(tài)信息以及制約狀態(tài)信息間關(guān)系的運行方式信息;

b. 模型應(yīng)能獲得基于一次系統(tǒng)固有連接關(guān)系的狀態(tài)信息間函數(shù)關(guān)系;

c. 模型應(yīng)能獲得基于二次系統(tǒng)物理連接關(guān)系/二次系統(tǒng)邏輯連接關(guān)系的狀態(tài)信息間函數(shù)關(guān)系;

d. 模型應(yīng)能獲得基于繼電保護業(yè)務(wù)特點以及保護原理配合的狀態(tài)信息間函數(shù)關(guān)系;

e. 模型應(yīng)能結(jié)合故障信息實現(xiàn)故障定位。

基于此,本文提出智能變電站故障信息模型基本構(gòu)架如圖1所示。

圖1 智能變電站故障信息模型Fig.1 Fault information model of smart substation

1.1 一次系統(tǒng)約束模型

考慮到繼電保護按間隔配置,且間隔是檢修、改擴建等運檢工作的一個基本單元,因此,本文以間隔為最小單元建立一次系統(tǒng)約束模型,其包含間隔關(guān)聯(lián)模型與間隔描述模型。

1.1.1 間隔關(guān)聯(lián)模型

(1)

1.1.2 間隔描述模型

間隔描述模型用于描述間隔的基本信息,實現(xiàn)一、二次系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。由于系統(tǒng)規(guī)則文件(SSD)描述的一次系統(tǒng)模型中包含邏輯節(jié)點(LN),可以此實現(xiàn)一、二次系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。因此,間隔描述模型可由解析SSD自動獲得,以集合Mi形式表示,用于描述邏輯節(jié)點與間隔的關(guān)聯(lián)關(guān)系,其主要元素為邏輯節(jié)點。各邏輯節(jié)點按照間隔順序、SSD層次化順序依次排序,以LN+序號的方式命名邏輯節(jié)點,如式(2)所示。

Mi={LN1,LN2,LN3,…}

(2)

1.2 二次系統(tǒng)硬件約束模型

智能變電站二次設(shè)備端口是設(shè)備間光纖連線的節(jié)點,是設(shè)備與外界信息交互的基本單元[15-16]。當(dāng)設(shè)備正常運行時,設(shè)備通過端口與其他設(shè)備交互信息;當(dāng)設(shè)備檢修時,設(shè)備通過端口隔離與其他設(shè)備間的聯(lián)系。因此,以端口為最小單元建立二次系統(tǒng)硬件約束模型,其包含端口關(guān)聯(lián)模型與端口描述模型。

1.2.1 端口關(guān)聯(lián)模型

端口之間既可以通過物理介質(zhì)相連也可以通過交換機內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)機制相連,因此下文分別建立端口物理關(guān)聯(lián)模型和端口邏輯關(guān)聯(lián)模型。

建立關(guān)聯(lián)矩陣Dm×m表示不同端口間的物理連接關(guān)系,其中m為全站二次設(shè)備端口數(shù)目。

(3)

建立關(guān)聯(lián)矩陣Cm×m表示不同端口間的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(4)

1.2.2 端口描述模型

端口描述模型包括IED端口描述模型和交換機端口描述模型。IED端口描述模型可以描述各個端口所連接的光纖以及包含的邏輯節(jié)點。另外,由于報文是設(shè)備間信息交互的載體,而設(shè)備端口是發(fā)送、接收報文的最小單位。因此IED端口描述模型還應(yīng)包括經(jīng)由該端口轉(zhuǎn)發(fā)的SV報文和GOOSE報文,交換機端口描述模型應(yīng)包括虛擬局域網(wǎng)等信息。

Ys={{LN1,LN2,…},{SV1,SV2,…},

{GOOSE1,GOOSE2,…},FiberName}

(5)

(6)

其中,FiberName為光纖名,采用端口1-2的命名形式(端口1序號小于端口2序號,且全站設(shè)備端口統(tǒng)一編號);VID(VLAN ID)、PVID(Port-based VLAN ID)為基于端口劃分VLAN的參數(shù)。模型中所有邏輯節(jié)點均采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實例化名稱。

1.3 二次系統(tǒng)信息約束模型

在IEC61850協(xié)議中,邏輯節(jié)點是交換數(shù)據(jù)的最小單元。邏輯節(jié)點代表物理裝置內(nèi)的某項功能,或執(zhí)行這一功能的某些操作,是一個由數(shù)據(jù)和方法定義的對象。因此以邏輯節(jié)點為最小單元建立二次系統(tǒng)信息約束模型,其包含邏輯節(jié)點關(guān)聯(lián)模型與邏輯節(jié)點描述模型。

1.3.1 邏輯節(jié)點關(guān)聯(lián)模型

建立邏輯節(jié)點間關(guān)聯(lián)矩陣Np×p,描述邏輯節(jié)點間的映射關(guān)系,其中p為邏輯節(jié)點數(shù)。

(7)

1.3.2 邏輯節(jié)點描述模型

選擇邏輯節(jié)點作為信息交互的最小單元,邏輯節(jié)點中包含了繼電保護系統(tǒng)運行的測量、控制、狀態(tài)以及定值等信息,不同類型的邏輯節(jié)點可以用不同的集合ZLN或字符串表示,具體如表1所示,其中邏輯節(jié)點描述模型里的內(nèi)容均可以通過解析SCD文件獲得。

表1 邏輯節(jié)點描述模型Table 1 Description model of logical node

2 繼電保護狀態(tài)在線監(jiān)測方法

本文提出的智能變電站故障信息模型可用于實現(xiàn)基于狀態(tài)信息耦合與關(guān)聯(lián)關(guān)系的狀態(tài)信息整合和分析,實現(xiàn)繼電保護狀態(tài)的打包監(jiān)測,并進一步實現(xiàn)故障定位。

智能變電站故障信息模型對在線監(jiān)測的支撐作用具體如圖2所示。

圖2 故障信息模型對繼電保護在線監(jiān)測的支撐Fig.2 Support of fault information model forrelay protection online monitoring

基于狀態(tài)信息耦合與關(guān)聯(lián)關(guān)系的繼電保護在線監(jiān)測方法對繼電保護在線監(jiān)測的指導(dǎo)意義主要如下:可以實現(xiàn)變電站各間隔保護系統(tǒng)之間、雙重化配置保護系統(tǒng)之間、保護系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備之間的繼電保護狀態(tài)打包監(jiān)測。若打包監(jiān)測結(jié)果無異常,則可認(rèn)為繼電保護狀態(tài)正常;若打包監(jiān)測結(jié)果有異常,則可基于本文提出的在線監(jiān)測與故障定位方法較精確地確定異常范圍。

2.1 信息采集環(huán)節(jié)在線監(jiān)測方法

結(jié)合間隔關(guān)聯(lián)模型、間隔描述模型、邏輯節(jié)點描述模型可以實現(xiàn)智能變電站各間隔間電流采樣值的整合與分析,可實現(xiàn)各間隔電流采樣值的打包監(jiān)測,具體分析方法如下。

根據(jù)邏輯節(jié)點描述模型中的集合ZXCBR,定義一維列矩陣Z(b)k×1表示各間隔在母線b側(cè)的開關(guān)狀態(tài),取值為1或0,矩陣元素zj=1表示開關(guān)合上,zj=0則表示開關(guān)斷開。根據(jù)邏輯節(jié)點描述模型中字符串{TCTR},讀取方向系數(shù)K1、變比系數(shù)K2、電流值Ij。根據(jù)基爾霍夫電流定律,以母線作為節(jié)點,可得到各間隔間電流約束條件如下:

(8)

若以間隔為節(jié)點,則同一間隔各側(cè)采樣值滿足:

(9)

除此之外,還可以利用雙重化配置保護裝置的采樣值，實現(xiàn)雙套保護信息采集環(huán)節(jié)的打包監(jiān)測。

2.2 信息傳輸環(huán)節(jié)在線監(jiān)測方法

2.2.1 二次回路通斷監(jiān)測方法

由端口描述模型(端口-邏輯節(jié)點/報文)可獲取邏輯節(jié)點/報文進行信息交互所依靠的端口,并進一步根據(jù)端口連接模型(端口-端口)獲取邏輯節(jié)點/報文間信息交互的路徑,生成信息傳輸回路[12]。

信息傳輸路徑計算方法如圖3所示。圖中，矩陣Sm×p表示邏輯節(jié)點/報文與端口的對應(yīng)關(guān)系,矩陣元素sse=1表示第e個邏輯節(jié)點/報文信息流流向端口s,集合Pe表示第e個邏輯節(jié)點/報文信息流傳輸路徑。

圖3 信息傳輸路徑計算方法Fig.3 Calculation method of information transmission path

根據(jù)圖3中的方法可以得到每一個邏輯節(jié)點/報文信息流虛實回路中的傳輸路徑Pe,路徑的起點對應(yīng)于傳輸信息的信源,路徑的終點對應(yīng)于該信息的信宿,利用信息流傳輸路徑以及實時的異常告警信息可以推算錯誤信息的波及范圍,便于查找故障發(fā)生的位置。

當(dāng)某個邏輯節(jié)點信息發(fā)生異常或報文斷鏈故障時,故障原因可能是信源異常、信道(端口、光纖、VLAN)異常或者是信宿異常。以邏輯節(jié)點信息異常為例,信息傳輸路徑故障診斷思路如圖4所示。若LN1信息發(fā)生異常,而LN2信息正常,則故障應(yīng)該發(fā)生在PLN1-(PLN1∩PLN2)處,即①處,反之則在②處,其中PLN1為LN1信息經(jīng)過的傳輸路徑集合,PLN2為LN2信息經(jīng)過的傳輸路徑集合;若LN1和LN2信息均出現(xiàn)異常,則故障應(yīng)該發(fā)生在PLN1∩PLN2處,即③處。當(dāng)邏輯節(jié)點數(shù)大于2時,故障診斷思路類似,本文不再贅述。

圖4 邏輯節(jié)點信息傳輸路徑故障診斷思路Fig.4 Management of fault diagnosis based on information transmission path between LNs

2.2.2 二次回路綜合監(jiān)測方法

基于信息傳輸路徑源宿信息一致性原理,結(jié)合邏輯節(jié)點關(guān)聯(lián)模型與邏輯節(jié)點描述模型可以實現(xiàn)二次回路狀態(tài)的綜合監(jiān)測,可以辨別信息傳輸路徑是否存在斷鏈、丟包、誤碼等網(wǎng)絡(luò)性能問題。

由于邏輯節(jié)點關(guān)聯(lián)是基于某個信息的關(guān)聯(lián),因此源宿信息一致性監(jiān)測應(yīng)按各類節(jié)點信息分別計算,例如分別對采樣值、開關(guān)值、動作值進行一致性監(jiān)測。由于邏輯節(jié)點信息交互具有單向性(如采樣值會單向從電流互感器內(nèi)的邏輯節(jié)點TCTR傳輸至保護裝置內(nèi)帶時限過電流邏輯節(jié)點PTOC,而不會反向傳輸),故定義源端/宿端矩陣Y1×g=[y1,y2,…,yg]同時表示源端/宿端實測信息,矩陣Y1×g可由解析邏輯節(jié)點描述模型得到。再定義輔助判斷矩陣Fg×g區(qū)分源端與宿端,偏差矩陣σ1×g表示源宿信息偏差,則有:

Fg×g=diag(f1,…,fe,…,fg)

(10)

σ1×g=Y1×gFg×g-Y1×gNg×g

(11)

若信息傳輸正常,則理論上源宿信息偏差矩陣σ1×g各元素絕對值均小于閾值σres;若某信息傳輸路徑存在斷鏈或誤碼等現(xiàn)象,則偏差矩陣σ1×g某元素絕對值偏離閾值σres,則該元素對應(yīng)信息流傳輸路徑異常。

2.3 核心保護環(huán)節(jié)在線監(jiān)測方法

根據(jù)二次系統(tǒng)邏輯節(jié)點描述模型中各保護元件的信息,可以實現(xiàn)保護元件啟動/動作情況的監(jiān)測,具體分析方法如下。

假設(shè)研究對象中保護元件共有n個,保護范圍分別為α1、α2、…、αn,若保護元件保護間隔的全長,則取α=1(通常α取值范圍為0～1)。假設(shè)故障跳閘后所研究對象故障測距結(jié)果為l(取值范圍為0～1)。用矩陣Rn×1表示各保護元件的理論啟動狀態(tài)矩陣,則有:

Rn×1=SGN([α1，α2，…，αn]T-[l，l，…，l]T)

(12)

用矩陣Qn×1表示各保護元件的實際啟動狀態(tài),用對角矩陣Pn×1表示各保護元件對應(yīng)的功能壓板狀態(tài),這2個矩陣均可以從邏輯節(jié)點描述模型中獲得。用矩陣Dn×1表示各保護元件的啟動狀態(tài)偏移,則有:

Dn×1=Qn×1-Rn×1·Pn×1

(13)

其中,符號“·”表示矩陣對應(yīng)行相乘。若各保護元件響應(yīng)正確,則矩陣Dn×1為全零矩陣;若個別保護元件由于硬、軟件故障而響應(yīng)錯誤,則矩陣Dn×1有非0元素,因此可以通過搜索矩陣Dn×1中非零元素對應(yīng)的行進行保護元件的故障分析。

除此之外,還可以利用雙重化配置保護裝置的保護啟動/動作信息實現(xiàn)雙套保護核心保護環(huán)節(jié)的打包監(jiān)測。

3 算例

本文以220 kV智能變電站最小系統(tǒng)為例,驗證本文所提模型、方法的正確性。系統(tǒng)示意圖如圖5所示,該變電站最小系統(tǒng)的一次系統(tǒng)包含2個220 kV進線間隔,1個110 kV出線間隔,1個變壓器間隔以及高、低壓側(cè)各1條母線,圖中方框內(nèi)數(shù)字為間隔編號,⑤、⑥ 表示母線。

圖5 220 kV智能變電站一次系統(tǒng)Fig.5 Primary system in 220 kV smart substation

圖5所示的變電站最小系統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)如圖6所示,圖中黑色方框表示端口,空心方框表示IED或交換機設(shè)備。

圖6 220 kV智能變電站繼電保護系統(tǒng)部分Fig.6 Relay protection system part in 220 kV smart substation

基于上述模型定義,變電站最小系統(tǒng)對應(yīng)的間隔關(guān)聯(lián)模型為:

(14)

變電站繼電保護系統(tǒng)間隔1對應(yīng)的端口關(guān)聯(lián)模型為:

(15)

變電站繼電保護系統(tǒng)間隔1(以TCTR、MMXU類邏輯節(jié)點為例)對應(yīng)的邏輯節(jié)點關(guān)聯(lián)模型為:

(16)

變電站繼電保護系統(tǒng)間隔1對應(yīng)的報文與端口的關(guān)聯(lián)模型為:

(17)

a. 算例1:設(shè)置間隔3高壓側(cè)采樣值異常。

基于間隔描述模型,從邏輯節(jié)點描述模型中可以讀取K1、K2和Ij,結(jié)合間隔關(guān)聯(lián)模型可得到:

(18)

|(i1+i2-i3)+(0.5i4-0.5i5)+(i3-0.5i4)|=

|i1+i2-0.5i5|

(19)

其中,res1、res2和res3分別為母線⑤、間隔3和母線⑥的差動電流保護動作閾值;res4為閉合面差動電流保護動作閾值。由式(19)可見,i1、i2與i5滿足閉合面基爾霍夫電流定律,因此母線⑤ 、⑥以及間隔3均無一次系統(tǒng)故障。而由式(18)可見,i1、i2與i3不滿足基爾霍夫電流定律,i3與i4不滿足基爾霍夫電流定律,i4與i5滿足基爾霍夫電流定律,因此可判斷i3異常,即間隔3高壓側(cè)采樣值異常。

b. 算例2:設(shè)置間隔1過程層網(wǎng)絡(luò)端口4發(fā)生斷鏈故障,則此時IED3將報gocb1斷鏈故障,IED1將報gocb3斷鏈故障。

結(jié)合端口關(guān)聯(lián)模型,根據(jù)圖3所示的信息傳輸路徑計算方法可以得出報文gocb1、sv2、gocb3的信息流傳輸路徑集合分別為:

P1={1,4,6,3},P2={2,5,6,3},P3={3,6,4,1}

(20)

根據(jù)報文斷鏈告警信息,P1、P3為異常路徑集合,P2為正常路徑集合,因此根據(jù)式(21)可確定故障范圍為端口1、4或者與其相連的光纖。

(P1∪P2-P2)∩(P3∪P2-P2)={1,4}

(21)

c. 算例3:設(shè)置間隔1過程層網(wǎng)絡(luò)中光纖段2-5異常導(dǎo)致報文sv2畸變,則此時LN4與LN10、LN4與LN18均存在源宿不一致現(xiàn)象。

結(jié)合邏輯節(jié)點關(guān)聯(lián)模型,可計算源宿信息偏差矩陣σ1×g如式(22)所示。

σ1×3=S1×3F3×3-S1×3N3×3=

(LN4,LN10,LN18)diag(1,2,2)-

(LN4,LN10,LN18)N3×3=

(0,LN10-LN4,LN18-LN4)

(22)

此時|σ2|>σres且|σ3|>σres,結(jié)合圖3所示信息傳輸路徑計算方法,則LN4→LN10、LN4→LN18傳輸路徑的公共部分光纖段2-5發(fā)生故障的概率最大。

d. 算例4:間隔4保護系統(tǒng)配置三段式距離保護,各段在本間隔的保護范圍分別為0.85、1、1,各段保護功能壓板均置1。設(shè)置間隔4距一次系統(tǒng)0.8處發(fā)生故障,則故障測距結(jié)果l=0.8。設(shè)置距離保護Ⅱ段功能異常,則距離保護Ⅰ段正常動作,Ⅲ段正常啟動,而Ⅱ段未啟動?；谏鲜鲇嬎惴治龇椒ㄓ?

R3×1=SGN([0.85,1,1]T-[0.8,0.8,0.8]T)=

(1,1,1)

(23)

D3×1=(1,0,1)-(1,1,1)·diag(1,1,1)=

(0,-1,0)

(24)

由式(24)可見,距離保護Ⅱ段響應(yīng)異常,需進一步分析其異常原因。

4 結(jié)論

本文提出了面向繼電保護在線監(jiān)測的智能變電站故障信息模型,刻畫了繼電保護系統(tǒng)在物理、邏輯、信息等不同維度下的關(guān)聯(lián)及約束關(guān)系,為開展基于系統(tǒng)特性的繼電保護在線監(jiān)測提供了新的途徑。進一步地,本文基于智能變電站繼電保護故障信息的傳遞鏈條與關(guān)聯(lián)約束,實現(xiàn)了變電站各間隔保護系統(tǒng)之間、雙重化配置保護系統(tǒng)之間、保護系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備之間的繼電保護狀態(tài)打包監(jiān)測,突破了傳統(tǒng)面向單一設(shè)備檢測的局限性,充分體現(xiàn)了繼電保護系統(tǒng)的整體狀態(tài)及其有效性。

根據(jù)本文的模型與方法,研發(fā)了新一代繼電保護在線監(jiān)測系統(tǒng),并已在廣東電網(wǎng)某變電站投入試運行,效果良好。

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