摘 要：隨著變電站智慧化、智能化水平的提升，二次系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)成為了影響變電站安全運行的決定性因素?，F(xiàn)階段變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測存在功能不全、方案不統(tǒng)一以及主站端各成體系的問題。為滿足現(xiàn)場運行對二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的迫切需求，實現(xiàn)不同二次系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)方案的統(tǒng)一，本文提出一種二次系統(tǒng)在線監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。通過對整體系統(tǒng)框架、信息采集方式展開介紹，并以3種常見電壓等級的工程實例方案進(jìn)行論證，提出技術(shù)經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)的二次系統(tǒng)在線監(jiān)測應(yīng)用實施建議。在電網(wǎng)運維方面，可有效優(yōu)化和提升二次設(shè)備的管理水平；在電網(wǎng)安全方面，借助對二次系統(tǒng)的全面在線監(jiān)測，可有效保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，以應(yīng)對新型電力系統(tǒng)下電網(wǎng)復(fù)雜運行狀態(tài)，實現(xiàn)新型數(shù)字智能電網(wǎng)建設(shè)。

關(guān)鍵詞：新型電力系統(tǒng)，智能變電站，二次系統(tǒng)，在線監(jiān)測，工程實例

0 前 言

目前，我國智能變電站建設(shè)走在國際前列[1]，國家電網(wǎng)有限公司正研究解決智能變電站智能運維相關(guān)問題，并制定相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，加強電網(wǎng)二次系統(tǒng)管理及智能運維工作，推廣二次虛回路可視化[3]、自動校驗、智能診斷和檢修策略輔助決策技術(shù)[4]，提升現(xiàn)場工作效率和防誤水平，推廣繼電保護(hù)在線監(jiān)視與智能診斷平臺[5]。

為智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)研究及實踐提供標(biāo)準(zhǔn)支持，NB/T 42088-2016《繼電保護(hù)信息系統(tǒng)子站技術(shù)規(guī)范》[6]、DL/T 1663-2016《智能變電站繼電保護(hù)在線監(jiān)視和智能診斷技術(shù)導(dǎo)則》[7]、Q/GDW 10427-2017《變電站測控裝置技術(shù)規(guī)范》[8]、Q/GDW 11914-2018《電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》[9]、GB/T 40599-2021《繼電保護(hù)及安全自動裝置在線監(jiān)視與分析技術(shù)規(guī)范》[10]等規(guī)范頒布實施。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，對二次系統(tǒng)中繼電保護(hù)及安全自動裝置、過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在線監(jiān)測做出了相關(guān)規(guī)定，且獨立設(shè)置了主站。網(wǎng)絡(luò)安全在線監(jiān)測也有單獨的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其監(jiān)測對象和主站設(shè)置等，且也獨立設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理平臺。其他諸如自動化測控裝置僅提出要具備二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的功能，無具體的實施配置方案[11]。

同時，由于智能變電站相較于傳統(tǒng)變電站設(shè)備更加精密，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此，繼電保護(hù)系統(tǒng)存在著可靠性降低的問題[12-13]。然而，針對保護(hù)設(shè)備本身的狀態(tài)監(jiān)測，在國網(wǎng)工程中仍處于試點應(yīng)用，且配置的變電站數(shù)量均較少，由于采集的信息數(shù)量不全[14]，實際應(yīng)用較少。而站內(nèi)其他二次設(shè)備雖基本具備設(shè)備自檢的功能，重要信息均通過硬接點方式接入測控，進(jìn)而上送至監(jiān)控SCADA后臺，但對于設(shè)備自檢類的其他信息一般均未進(jìn)行監(jiān)測[15]。

從主站端看，目前變電站二次系統(tǒng)無論從功能上還是數(shù)據(jù)分布上都存在著系統(tǒng)相互獨立的情況，即每個二次系統(tǒng)都有獨立的監(jiān)測主站或者系統(tǒng)，不同的業(yè)務(wù)部門都局限于當(dāng)前的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對于整體廠站端來說數(shù)據(jù)較為獨立和分散。由于目前變電站的二次設(shè)備數(shù)據(jù)無法很好地融合，造成投資成本比較高，功能交叉重復(fù)或存在缺失，系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)[16]。

因此，為解決變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測部分缺失、功能不全和方案不統(tǒng)一、主站端各成體系的問題[17-18]，滿足現(xiàn)場運行對二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的迫切需求，實現(xiàn)不同二次系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)方案的統(tǒng)一，亟需開展二次系統(tǒng)在線監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，提出技術(shù)經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)的二次系統(tǒng)在線監(jiān)測應(yīng)用實施建議。

1 整體技術(shù)架構(gòu)

1.1 邏輯架構(gòu)

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測采用主子站的方式，邏輯結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

廠站端二次系統(tǒng)在線監(jiān)測管理單元可獨立配置，也可采用軟件功能模塊方式嵌入綜合應(yīng)用主機，實現(xiàn)錄波文件分析、智能設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)報文分析、二次系統(tǒng)可視化等高級應(yīng)用功能。根據(jù)站端數(shù)據(jù)規(guī)模按需配置站控層和過程層采集單元的數(shù)量，具備記錄與分析站控層MMS、過程層SV/GOOSE報文、流量統(tǒng)計、報文異常告警及流量異常告警等功能。其中站控層采集單元用于采集分析繼電保護(hù)、安自、測控、監(jiān)控主機、通信管理機、網(wǎng)安等設(shè)備間交互的數(shù)據(jù)；過程層采集單元用于采集智能終端、合并單元等智能設(shè)備數(shù)據(jù)。一次設(shè)備在線監(jiān)測、消防、安防、動環(huán)等輔助設(shè)備直接接入（存量變電站可通過輔控系統(tǒng)主機間接接入）Ⅱ區(qū)站控層網(wǎng)絡(luò)，故障錄波裝置直接接入站控層網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）通信[19]。

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測裝置的采集單元與管理單元通過內(nèi)部通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各廠站管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）通過Ⅱ區(qū)服務(wù)網(wǎng)關(guān)機將站端分析結(jié)果上傳至調(diào)度Ⅱ區(qū)二次設(shè)備在線監(jiān)測主站，開展電網(wǎng)級別的數(shù)據(jù)分析處理應(yīng)用。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

集成優(yōu)化后的二次系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)由管理單元、站控層采集單元、過程層采集單元以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示[15]。

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測部署在變電站自動化系統(tǒng)安全Ⅱ區(qū)[20]，繼電保護(hù)裝置、安全自動裝置、測控裝置、保測集成裝置、智能終端、合并單元等智能設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)交換機采用DL＼T 860標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約與二次系統(tǒng)在線監(jiān)測采集單元進(jìn)行通信；同時繼電保護(hù)、安自、測控、保測集成裝置等Ⅰ區(qū)間隔層設(shè)備穿過防火墻利用站控層網(wǎng)絡(luò)與管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）實現(xiàn)雙向通信。

對于目前在建的智能變電站，繼電保護(hù)、安自、測控等Ⅰ區(qū)數(shù)據(jù)，以及一次設(shè)備在線監(jiān)測、消防、安防、動環(huán)、故障錄波等Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)通過站控層網(wǎng)絡(luò)與管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向同步。對于存量智能變電站，由于一次設(shè)備在線監(jiān)測、消防、安防、動環(huán)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)未做DL＼T 860建模，無法與管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）直接通信，可將IED采用接入輔控系統(tǒng)主機，再由輔控系統(tǒng)主機轉(zhuǎn)發(fā)至管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

Ⅳ區(qū)的巡視主機穿過隔離裝置與管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）通信，實現(xiàn)巡視主機、無線輔助設(shè)備等數(shù)據(jù)雙向交互。

1.3 數(shù)據(jù)流

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)流如圖3所示。二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的站控層管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）穿過Ⅰ/Ⅱ區(qū)間防火墻與繼電保護(hù)、安自裝置、測控、保測集成裝置、時鐘同步等智能設(shè)備雙向通信，通過MMS報文實時采集監(jiān)測信息、告警信息、運行信息、動作信息、診斷維護(hù)信息、授時信息等亦可發(fā)送數(shù)據(jù)召喚命令，查看保護(hù)定值、保護(hù)軟壓板、保護(hù)模擬量、保護(hù)錄波等保護(hù)信息數(shù)據(jù)。

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的站控層采集單元穿過安全Ⅰ/Ⅱ區(qū)間防火墻，從Ⅰ區(qū)站控層中心交換機鏡像口實時監(jiān)測站內(nèi)繼電保護(hù)、安全自動裝置、測控裝置、保測集成裝置、監(jiān)控主機、通信網(wǎng)關(guān)機等站控層MMS通信報文，以及與主站通信報文，實時監(jiān)測各種狀態(tài)信息和控制指令。

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的過程層采集單元直接從各電壓等級過程層中心交換機采集GOOSE/SV等通信報文數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測智能終端、合并單元等過程層設(shè)備的運行信息、告警信息、監(jiān)測信息[21-22]。

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）與處于同一站控層網(wǎng)絡(luò)的一次設(shè)備在線監(jiān)測、消防、安防、動環(huán)、故錄等Ⅱ區(qū)智能設(shè)備通信，同步輔助設(shè)備數(shù)據(jù)以及控制指令、錄波數(shù)據(jù)等，實時監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)。

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的管理單元（或集成于綜合應(yīng)用主機的管理單元模塊）通過正/反向隔離裝置與安全Ⅳ區(qū)巡視主機聯(lián)通，發(fā)送配置數(shù)據(jù)和視頻聯(lián)動指令，采集視頻巡視、巡視主機運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

2 二次系統(tǒng)在線監(jiān)測信息采集

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測包含保護(hù)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)報文、網(wǎng)絡(luò)安全以及其他二次設(shè)備的在線監(jiān)測。系統(tǒng)信息采集范圍涵蓋合并單元、智能終端、保護(hù)裝置、測控裝置、安自裝置、過程層交換機、站控層交換機、網(wǎng)安裝置、故障錄波裝置、巡視主機及構(gòu)成保護(hù)控制系統(tǒng)的二次聯(lián)接回路，同時包括輔控系統(tǒng)的信息。系統(tǒng)信息采集如圖4所示。

2.1 保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)及功能實現(xiàn)

保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)測主要是通過采集保護(hù)及與之存在聯(lián)接關(guān)系的合并單元、智能終端、網(wǎng)絡(luò)交換機等裝置本體信息及裝置間交互信息，實現(xiàn)二次回路可視化、二次設(shè)備巡視、缺陷分析、故障診斷、可視化安措、模型維護(hù)等二次設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視與運維管理功能。

系統(tǒng)組成包含數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)管理單元兩個部分。數(shù)據(jù)采集單元接入站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)，按照網(wǎng)段配置，用于采集SV、GOOSE報文和過程層交換機信息；數(shù)據(jù)管理單元按照全站配置，一方面接收數(shù)據(jù)采集單元的信息，另一方面接入變電站站控層網(wǎng)絡(luò)，采集保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測信息、保護(hù)定值數(shù)據(jù)、保護(hù)錄波信息、中間節(jié)點信息，并對所采集的信息進(jìn)行分析，實現(xiàn)二次設(shè)備在線監(jiān)測的各個應(yīng)用功能。

系統(tǒng)具備人機接口界面，可將統(tǒng)計分析結(jié)果在站端進(jìn)行展示，同時也具備對外接口，可將告警和分析的結(jié)果信息通過DL/T860或DL/T476協(xié)議上送至遠(yuǎn)方主站，也支持主站對站內(nèi)二次設(shè)備文件的召喚功能?？蓪崿F(xiàn)SCD文件管理功能、保護(hù)設(shè)備運行狀態(tài)和物理連接可視化在線監(jiān)視、設(shè)備運行巡視、缺陷智能診斷、保護(hù)動作分析以及保護(hù)設(shè)備安全措施在線監(jiān)視與預(yù)警功能[23]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)分析在線監(jiān)測系統(tǒng)及功能實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)分析在線監(jiān)測主要是通過采集智能變電站中的SV、GOOSE和MMS報文，并對報文進(jìn)行在線解析與記錄，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和報文的異常監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)實時流量、模型一致性等功能。

系統(tǒng)組成包含數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)管理單元兩個部分。數(shù)據(jù)采集單元分別通過不同的獨立網(wǎng)口接入過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)，捕獲和在線解析SV、GOOSE和MMS報文，并將采集報文及分析結(jié)果上送至數(shù)據(jù)管理單元；數(shù)據(jù)管理單元與數(shù)據(jù)采集單元間通過以太網(wǎng)通信，負(fù)責(zé)匯集和存儲各個采集單元的解析結(jié)果[24]。

系統(tǒng)具備人機接口，可對報文內(nèi)容和分析結(jié)果進(jìn)行可視化展示，同時也具備對外接口，支持外部主機對報文記錄文件召喚功能?？蓪崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報文采集和記錄、網(wǎng)絡(luò)報文解析以及網(wǎng)絡(luò)及報文異常監(jiān)視。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)及功能實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)安全在線監(jiān)測主要是通過采集被監(jiān)測對象的網(wǎng)絡(luò)安全事件，對網(wǎng)絡(luò)及裝置進(jìn)行安全核查、安全監(jiān)視與告警、安全審計、安全分析等，實現(xiàn)對變電站監(jiān)控系統(tǒng)的安全風(fēng)險和安全事件的監(jiān)視與在線管理。

變電站端的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測通過配置網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置來實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置接入站控層網(wǎng)絡(luò)，通過獲取主機、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)機、網(wǎng)絡(luò)安防設(shè)備、交換機等設(shè)備的日志并對日志進(jìn)行分析獲取網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的各類信息，及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測。

站端的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置同時可作為網(wǎng)絡(luò)安全管理平臺主站端的服務(wù)代理，支持對主站上送所采集的信息及分析結(jié)果?？蓪崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全信息采集功能以及網(wǎng)絡(luò)安全分析功能。

2.4 其他二次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)

其他二次設(shè)備在線監(jiān)測包括交直流電源在線監(jiān)測、輔助設(shè)備在線監(jiān)測、故障錄波器在線監(jiān)測等。采用DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)建模且直接接入站控層網(wǎng)絡(luò)的，可以采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方式直接監(jiān)測其運行狀態(tài)，當(dāng)不具備上述條件時，可以采用硬接點方式將重要運行狀態(tài)信息接入公用測控裝置，經(jīng)公用測控裝置轉(zhuǎn)發(fā)至二次系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析

目前，智能變電站中已經(jīng)配置了少量的具備二次系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測功能的設(shè)備，包括智能變電站網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置、繼電保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視裝置、網(wǎng)絡(luò)安全在線監(jiān)測裝置。

在目前的變電站中，網(wǎng)絡(luò)分析裝置的數(shù)據(jù)管理單元按全站配置，數(shù)據(jù)采集單元按網(wǎng)段配置，管理單元和采集單元均按AB網(wǎng)分別配置，以一個220kV變電站為例，需要配置2臺管理單元，4臺數(shù)據(jù)采集單元分別接入220kV、66kV的過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的投資概算為41萬元。在繼電保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視方面，由于國網(wǎng)基建工程不配置獨立的保信子站，在對現(xiàn)有的保護(hù)與錄波器跨區(qū)接入模型進(jìn)行改造，實現(xiàn)保護(hù)通過安全I(xiàn)區(qū)網(wǎng)關(guān)機、錄波器通過安全I(xiàn)I區(qū)網(wǎng)關(guān)機分別向調(diào)度中心傳輸信息中，相應(yīng)的投資概算為36萬元。對于網(wǎng)絡(luò)安全的在線監(jiān)視，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全管理的要求，目前僅在II區(qū)配置，I區(qū)監(jiān)測信息透過I、II區(qū)間的防火墻傳輸至II區(qū)，由II區(qū)的網(wǎng)安裝置統(tǒng)一監(jiān)測后上送至調(diào)度主站。相應(yīng)的投資概算為14萬元。

設(shè)計優(yōu)化后，不僅能整合現(xiàn)有的智能變電站網(wǎng)絡(luò)報文分析記錄裝置、繼電保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視裝置，也實現(xiàn)了對智能變電站中的其他設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)（遠(yuǎn)期可集成于綜合應(yīng)用主機）、一體化電源系統(tǒng)、時鐘同步系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、相量采集系統(tǒng)、電能質(zhì)量在線監(jiān)測、輔助監(jiān)控終端設(shè)備等的在線監(jiān)測。

優(yōu)化后，應(yīng)根據(jù)變電站設(shè)計流量將負(fù)載均衡分配于各采集單元及其采集接口。全站應(yīng)只配置一套裝置，一套裝置配置一個管理單元和若干采集單元。管理單元采用軟件功能模塊方式嵌入綜合應(yīng)用主機，實現(xiàn)錄波文件分析、智能設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)報文分析、二次系統(tǒng)可視化等高級應(yīng)用功能。根據(jù)站端數(shù)據(jù)規(guī)模按需配置站控層和過程層采集單元的數(shù)量，具備記錄與分析站控層MMS、過程層SV/GOOSE報文、流量統(tǒng)計、報文異常告警及流量異常告警等功能。相應(yīng)的投資概算約為20～40萬元。

4 結(jié) 論

目前變電站在線監(jiān)測范圍不夠全面，且設(shè)備與設(shè)備之間相互獨立，不能很好地融合，造成投資成本高，經(jīng)濟(jì)效率低，系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)?；谝陨蠁栴}，提出二次系統(tǒng)在線監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，可以解決變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測部分缺失、功能不全和方案不統(tǒng)一、主站端各成體系的問題，滿足現(xiàn)場運行對二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的迫切需求，減少二次設(shè)備數(shù)量，實現(xiàn)不同二次系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)方案的統(tǒng)一。從電網(wǎng)運維角度，二次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集更加全面，可為二次設(shè)備運行管理、功能評價等提供重要數(shù)據(jù)支撐，有利于優(yōu)化和提升二次設(shè)備的管理水平。從電網(wǎng)安全角度，開展二次系統(tǒng)的全面在線監(jiān)測實施方案，可有效保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，有效應(yīng)對新型電力系統(tǒng)下電網(wǎng)復(fù)雜運行狀態(tài)，是實現(xiàn)新型數(shù)字智能電網(wǎng)建設(shè)總體目標(biāo)的必然趨勢，是適應(yīng)新型電力系統(tǒng)運行管理新模式下的必要需求。

參考文獻(xiàn)

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