國(guó)網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司 拾峰 張春寧

0 引言

某數(shù)字化變電站采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。本文基于3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于信息融合-后備保護(hù)系統(tǒng)，詳細(xì)描述了這種系統(tǒng)信息交互的過(guò)程，在此基礎(chǔ)上提出基于間隔關(guān)聯(lián)信息的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高了數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)采集交互的可靠性。

圖1-1 某數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及單元設(shè)計(jì)

1.1 硬件裝置比較

數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站的保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)區(qū)別如表1-1所示。

傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站的保護(hù)裝置硬件框架結(jié)構(gòu)分別如圖1-3和1-4所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

信息融合-后備保護(hù)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)多輸入多輸出的數(shù)字化處理裝置，從信息交互的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)獲取全站的電壓U電流I采樣信息、斷路器和隔離開關(guān)的狀態(tài)信息，并向網(wǎng)絡(luò)上傳控制告警信息及斷路器、隔離開關(guān)動(dòng)作信息，其模型如圖1-4所示。

圖1-2 傳統(tǒng)保護(hù)裝置硬件框圖 （傳統(tǒng)變電站）

圖1-3 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)裝置硬件框圖（數(shù)字化變電站）

圖1-4 信息融合-后備保護(hù)系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)模型

1.3 硬件模型和結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的功能有：訂閱數(shù)字化變電站內(nèi)設(shè)備的SMV和GOOSE報(bào)文等；處理采樣數(shù)據(jù)，提高可靠性，如彌補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)、濾波降噪、頻率轉(zhuǎn)換等；實(shí)現(xiàn)站內(nèi)后備保護(hù)快速切除故障；上傳告警、跳閘等信息。

表1-1 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)裝置與傳統(tǒng)保護(hù)裝置硬件比較

圖1-5 硬件模型和結(jié)構(gòu)

2 基于通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)信息交互

2.1 系統(tǒng)信息流

變電站信息融合-后備保護(hù)系統(tǒng)信息指的是變電站內(nèi)一次設(shè)備和二次設(shè)備相關(guān)的電氣量和邏輯量信息，電氣量信息如故障電流，故障電壓，正常工作電壓，正常工作電流，邏輯量信息如故障點(diǎn)位置，斷路器開合狀態(tài)，繼電保護(hù)啟動(dòng)、動(dòng)作信息等。除可獲取本數(shù)字化變電站內(nèi)部所有信息外，還可通過(guò)通信交互系統(tǒng)獲得與本站有連接關(guān)系的其他變電站信息和區(qū)域信息，可獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括SCADA系統(tǒng)和WAMS系統(tǒng)的信息。其中，SCADA系統(tǒng)信息主要包括傳輸時(shí)間間隔為3～5秒的遙測(cè)信息和遙信信息。WAMS系統(tǒng)主要傳輸帶有GPS時(shí)標(biāo)，每秒約25～100幀的同步相量測(cè)量（PMU）信息[1-3]。通常情況下，數(shù)據(jù)量越龐大，信息冗余性越強(qiáng)，系統(tǒng)的容錯(cuò)性越強(qiáng)，該系統(tǒng)利用全站電氣量、邏輯量信息，具有強(qiáng)大的容錯(cuò)性、可靠性。

2.2 系統(tǒng)通信原理

系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要包括站內(nèi)、區(qū)域保護(hù)通信兩部分。前者可分為串行簡(jiǎn)單通信技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、光纖自愈型以太網(wǎng)幾種方式。而光纖型以太網(wǎng)由其優(yōu)異的抗干擾能力、低損耗和高帶寬的優(yōu)點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推進(jìn)，已發(fā)展成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)。

2.2.1 采樣值傳輸方案

如圖1-6所示，合并單元采集7個(gè)相關(guān)電流互感器信息和5個(gè)相關(guān)電壓互感器信息，通過(guò)時(shí)鐘同步，數(shù)字輸出。

圖1-6 互感器與合并單元通信連接圖

合并單元同步處理采樣數(shù)據(jù)后，遵循IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，傳輸給保護(hù)測(cè)控裝置，如圖1-7和圖1-8所示。

圖1-7 IEC 61850-9-1組網(wǎng)方式圖

圖1-8 IEC 61850-9-2組網(wǎng)方式圖

基于IEC 61850-9-1的組網(wǎng)方式采取串行多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)法，合并單元輸出值單向發(fā)給間隔層測(cè)控和保護(hù)裝置，通信過(guò)程無(wú)沖突，易實(shí)現(xiàn)且具有較強(qiáng)的可靠性。同時(shí)，以太網(wǎng)連接不需使用附加的路由和傳輸協(xié)議。

基于IEC 61850-9-2的組網(wǎng)方式采取了過(guò)程總線法，具體分為客戶端/服務(wù)器服務(wù)和采樣值服務(wù)兩種類型。前者因傳輸經(jīng)處理后的采樣值，降低了實(shí)時(shí)性要求。而后者可分為分組廣播采樣值和單播采樣值兩種，基于嚴(yán)格傳輸時(shí)間需求，選用采用CSMA/CD傳輸方式。

2.2.2 層次間通信模式與服務(wù)映射

基于客戶端/服務(wù)器模式展開數(shù)據(jù)交互模式，類似服務(wù)器組件提供了一個(gè)功能或服務(wù)，而由若干個(gè)客戶針對(duì)此類服務(wù)提出要求。按照這種模式，變電站層次間可開展通信交互。需要注意的是，MU和系統(tǒng)間采用SV服務(wù)模型通信，而智能操作單元和系統(tǒng)間采用GOOSE服務(wù)模型通信[4-6]。

根據(jù)不同的通信需求，IEC 61850將接口服務(wù)對(duì)應(yīng)到不同類型的特定通信服務(wù)映射：核心接口服務(wù)。使用客戶端/服務(wù)器通信模式，應(yīng)用層協(xié)議棧為MMS協(xié)議；GOOSE/SMV服務(wù)。GOOSE服務(wù)在應(yīng)用層采用GOOSE協(xié)議，SV服務(wù)在應(yīng)用層采用SMV協(xié)議，兩種協(xié)議均采用ASN.1定義；時(shí)鐘同步服務(wù)。

2.2.3 過(guò)程層通信報(bào)文介紹

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義了SV服務(wù)和GOOSE服務(wù)來(lái)滿足所需的傳輸功能。其中，SV服務(wù)模型對(duì)應(yīng)采樣值傳輸及相關(guān)服務(wù)，GOOSE服務(wù)模型對(duì)應(yīng)變電站事件（命令，告警等）中的跳閘和故障錄波等服務(wù)[7-9]。

2.3 保護(hù)采樣數(shù)據(jù)同步及延時(shí)分析

2.3.1 傳統(tǒng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步分析

圖1-9 傳統(tǒng)保護(hù)裝置采樣回路

TA和TV分別為保護(hù)裝置內(nèi)置的CT、PT，LP為裝置內(nèi)置低通回路，A/D為模數(shù)裝換芯片。傳統(tǒng)保護(hù)裝置有限保證數(shù)據(jù)采樣的同步性：變電站一次TA、TV采集數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較小的數(shù)據(jù)相移，在工程上忽略該相移；在傳統(tǒng)保護(hù)裝置采樣回路也會(huì)產(chǎn)生相移，但由于同一設(shè)備選用相同類型的TA、TV和LP，因此每個(gè)采樣回路的相移基本相同；CPU定期發(fā)送中斷采樣保持信號(hào)，保證統(tǒng)一裝置內(nèi)部的采樣數(shù)據(jù)是順序同步的。

2.3.2 數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)同步分析

數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)變電站，其數(shù)據(jù)采樣的同步性受到互感器數(shù)據(jù)處理延時(shí)、互感器和合并單元的傳輸延時(shí)、合并單元處理延時(shí)、合并單元和智能IED設(shè)備間延時(shí)等多個(gè)環(huán)節(jié)影響。當(dāng)確定互感器和合并單元類型時(shí)，前3個(gè)環(huán)節(jié)延時(shí)為一個(gè)固定值，而采樣值傳輸延時(shí)取決于過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的規(guī)約，在采取IEC 61850-9-1組網(wǎng)時(shí)，采樣傳輸延時(shí)理論上固定；而采取IEC 61850-9-2時(shí)，則為一個(gè)變化量。

新型互感器與合并單元間同步。一種方式如圖1-10，由合并單元統(tǒng)一發(fā)送數(shù)據(jù)采樣中斷信號(hào)給不同互感器，互感器在該時(shí)間點(diǎn)采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至合并單元。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易操作，但可靠性不強(qiáng)，不同合并單元間的同步性需借助外部時(shí)鐘源；另一種方式如圖1-11，互感器獨(dú)立采集并發(fā)送數(shù)據(jù)給合并單元。在理論上傳輸延時(shí)固定，可靠性較高。

圖1-14 合并單元中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)同步

圖1-15 互感器獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)同步

合并單元與智能IED裝置的同步。當(dāng)采用IEC 61850-9-2規(guī)約組網(wǎng)時(shí)，合并單元與智能IED元件間數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)不是一個(gè)固定值，受當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸量的影響。因此需給所有合并單元配置統(tǒng)一的時(shí)鐘源，并對(duì)編號(hào)采樣數(shù)據(jù)報(bào)文包。IED需根據(jù)編號(hào)順序處理來(lái)自不同合并單元的采樣數(shù)據(jù)報(bào)文。

GOOSE數(shù)據(jù)延時(shí)分析。GOOSE選用交互式以太網(wǎng)技術(shù)，其在網(wǎng)絡(luò)中的延時(shí)為ms級(jí)，在一般的保護(hù)裝置中，GOOSE信號(hào)的ms級(jí)延誤并不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，因此保護(hù)裝置通常忽略GOOSE數(shù)據(jù)延時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)的指令直接進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作。

3 基于系統(tǒng)的間隔關(guān)聯(lián)信息在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)收集同一設(shè)備對(duì)象的保護(hù)信息、故障錄波器的模擬量和開關(guān)量信息，構(gòu)建其監(jiān)測(cè)信息的關(guān)聯(lián)映射關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，利用冗余信息的一致性，監(jiān)測(cè)并診斷二次回路是否處于異?；蚬收蠣顟B(tài)。依托于系統(tǒng)開展間隔信息關(guān)聯(lián)關(guān)系比對(duì)，當(dāng)同一設(shè)備對(duì)象的同類信息差異超過(guò)設(shè)定門檻值時(shí)，給予告警提示，這彌補(bǔ)了停電檢修和裝置自檢存在的不足，有效提升了繼電保護(hù)二次回路在線監(jiān)測(cè)能力。

在通用數(shù)字化變電站的設(shè)計(jì)方案中，將高壓進(jìn)線、主變高壓、低壓、主變本體、低壓出線等均視為間隔。數(shù)字化變電站在網(wǎng)采網(wǎng)跳模式下線路間隔保護(hù)和測(cè)控功能配置及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)字化變電站內(nèi)部及站間傳輸均符合IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)體系。SV網(wǎng)采（采用IEC61850-9-2協(xié)議），GOOSE網(wǎng)采網(wǎng)跳（采用IEC61850-8-1協(xié)議），SV、GOOSE兩網(wǎng)合一；監(jiān)控采用MMS組網(wǎng)方式（采用IEC61850-8-1協(xié)議）。

3.1 電氣采樣關(guān)聯(lián)信息的在線監(jiān)測(cè)方案

假設(shè)站內(nèi)僅發(fā)生一處的信息異常或丟失，展開電氣采樣關(guān)聯(lián)信息的在線監(jiān)測(cè)方案研究。

3.1.1 電流采樣信息異常的在線監(jiān)測(cè)方案

目前國(guó)產(chǎn)微型機(jī)保護(hù)在電流采集環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部冗余設(shè)計(jì)，可在裝置級(jí)上比對(duì)關(guān)聯(lián)關(guān)系的采樣電流，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)二次進(jìn)線處異常的監(jiān)視?，F(xiàn)利用同間隔CT多個(gè)分接頭分別接入不同保護(hù)裝置的原理展開采樣電流在線監(jiān)測(cè)，可同時(shí)適用于電網(wǎng)正常運(yùn)行工況和異常工況。在數(shù)字化變電站僅配備單套保護(hù)裝置時(shí)，系統(tǒng)需參考測(cè)控裝置的采樣數(shù)據(jù)，排查保護(hù)裝置是否存在異常采樣。在圖1-12中，根據(jù)GkCL定律，母線間隔收集各支路采樣電流值，得：

式中，i1、i2、i3、i4分別為支路 L1、L2、L3、L4的電流。

圖1-12 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，由于CT存在變比不完全相同和正負(fù)誤差，無(wú)法嚴(yán)格滿足式(1-1)時(shí)，可改用式(1-2)驗(yàn)證母線間隔是否存在異常采樣。

式中，ictyu為設(shè)定的門檻，在正常工況下其值較小。同時(shí)該值與廠家設(shè)備和電壓等級(jí)相關(guān)。在式(1-2)成立時(shí)，判定母線保護(hù)間隔正常采樣，否則判定異常采樣。

3.1.2 電流采樣信息缺失的在線監(jiān)測(cè)方案

由式(1-1)可知，可借助相關(guān)回路電流獲取任一回路電流值。同理，當(dāng)缺失某回路采樣電流時(shí)，可根據(jù)公式(1-1)的變形，獲取缺失采樣電流。如當(dāng)已知回路電流i2、i3和i4，可得缺失采樣電流i1為-（i2+i3+i4）。

同時(shí)，在電力系統(tǒng)或通信系統(tǒng)短時(shí)不穩(wěn)定，導(dǎo)致某回路幾幀電流信息缺失時(shí)，除借助公式（1-1）的變形公式外，還可借助采樣等比值法，獲取缺失采樣信息的近似值。正常工況時(shí)，系統(tǒng)電流頻率穩(wěn)定，電流波形光滑連續(xù)可導(dǎo)，在較小時(shí)區(qū)內(nèi)，前后采樣值的差分基本相等：

在采樣值i(k)和i(k-1)可獲取時(shí)，即可根據(jù)式(5-4)推算出i(k+1)。依次可推算出i(k+2)后續(xù)的若干幀數(shù)據(jù)。但式(1-3)僅在較小時(shí)區(qū)內(nèi)成立，無(wú)法精確求取大量電流采樣值，因此僅作為一種參考方法在此提出。

3.1.3 電壓采樣信息異常/缺失的在線監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)繼電保護(hù)規(guī)程規(guī)定：經(jīng)N600(零相小母線)連通的多組PT二次回路，應(yīng)在控制室設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)。設(shè)三相電壓矢量和為3ù，外接開口三角電壓為3ùk。正常工況下，忽略回路壓降，3ù和3ùk應(yīng)相等。若回路上存在故障，則3ù和3ùk不等。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3ù和3ùk的差值，當(dāng)滿足公式（1-5）時(shí)，判定該電壓回路采樣信息異常。

式中，ε為門檻值，一般可取二次有效值3V。

正常工況時(shí)，連接于同一母線或母線分段的各出線電壓幅值應(yīng)相等，當(dāng)某出線電壓缺失或異常時(shí)，可通過(guò)電壓關(guān)聯(lián)性，排除異常并彌補(bǔ)缺失電壓采樣數(shù)值。

3.2 自檢因子的保護(hù)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方案

微機(jī)保護(hù)可采用多種自檢方法實(shí)現(xiàn)保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，如比較法、編碼校驗(yàn)法等，但受限于CPU處理速度和硬件存儲(chǔ)空間，難以提升設(shè)備自檢功能。系統(tǒng)充分利用微機(jī)保護(hù)的自檢信息，實(shí)現(xiàn)保護(hù)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。為全面開展保護(hù)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，需表1-2所示的保護(hù)裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息。

表1-2 保護(hù)裝置自檢信息一覽表

根據(jù)自檢信息的數(shù)據(jù)類型和統(tǒng)計(jì)方式將自檢信息分為4類，分別為描述類、模擬量、統(tǒng)計(jì)類和狀態(tài)量自檢信息，其中統(tǒng)計(jì)類、模擬量信息從不同角度反應(yīng)設(shè)備老化趨勢(shì)，描述類自檢信息則直接反應(yīng)設(shè)備的現(xiàn)實(shí)工況，如通信中斷等。為有效利用繼電保護(hù)自檢信息開展保護(hù)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)，提出公式(1-6)：

式中，kj表示第j個(gè)模擬量或統(tǒng)計(jì)類自檢信息對(duì)保護(hù)裝置整體健康狀況的影響程度，取值范圍為[0,1]；ri表示第i個(gè)狀態(tài)量自檢信息的實(shí)際值，由保護(hù)裝置自檢程序給定，取值為0或1，如控制回路斷線異常，則ri取為1；ki表示第i個(gè)狀態(tài)量自檢信息對(duì)保護(hù)裝置自檢情況的影響程度，取值范圍為[0,1]，具體數(shù)值由廠商或檢修運(yùn)維人員確定后輸入設(shè)備；自檢因子 的取值范圍為[0,1]，數(shù)值越高表明保護(hù)設(shè)備自檢情況越好。當(dāng)描述類自檢信息出錯(cuò)時(shí)，判定系統(tǒng)需要重啟，直接設(shè)置k取0值，重啟保護(hù)裝置。

保護(hù)裝置通過(guò)通信網(wǎng)上傳自檢信息，系統(tǒng)繪制圖1-13的保護(hù)裝置自檢因子曲線圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分別設(shè)定異常、故障自檢閾值，并開展綜合評(píng)價(jià)：當(dāng)異常自檢閾值＜k＜1時(shí)，保護(hù)裝置處于正常工況；當(dāng)故障自檢閾值＜k＜異常自檢閾值時(shí)，保護(hù)裝置異常運(yùn)行，短時(shí)間內(nèi)不退出運(yùn)行，但異常自檢次數(shù)+1。當(dāng)設(shè)定時(shí)段內(nèi)多次發(fā)生異常自檢時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出提前檢修的指令；當(dāng)k＜故障自檢閾值時(shí)，保護(hù)處于故障運(yùn)行狀態(tài)，立即退出運(yùn)行，發(fā)出告警信號(hào)，重啟設(shè)備，并通知檢修。

4 結(jié)論

針對(duì)數(shù)字化變電站信息交互實(shí)用化研究，提出了基于信息融合-后備保護(hù)系統(tǒng)的間隔關(guān)聯(lián)信息在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高了數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)采集交互的可靠性。